Dziesięć lat minęło... Rocznica zakończenia programu wahadłowców kosmicznych

W czwartek 21 lipca 2011 roku o godzinie 5:57 rano czasu wschodniego (w Polsce mieliśmy moment tuż przed południem) koła orbitera Atlantis po raz ostatni, po czternastodniowym pobycie w przestrzeni kosmicznej, zetknęły się z płytą lotniska w Centrum Kosmicznym im. J. F. Kennedy'ego. Chwilę później spadochrony wyhamowały prom, by ten zatrzymał się finalnie w miejscu lądowania. Krótko potem do stojącego wahadłowca podjechały pojazdy zabezpieczenia technicznego, m.in. z jednostką Vapor Dispersal Unit, czyli gigantycznym wentylatorem, którego zadaniem było "zdmuchnięcie" zjonizowanych gazów z powierzchni statku kosmicznego, by zakończona misja mogła przejść do historii bez żadnych incydentów. Wraz z nim pojawił się Crew Transporter Vehicle, tudzież główny pojazd, do którego astronauci przeszli przez właz orbitera, uprzednio wyłączając wszelkie systemy elektroniczne promu.

Wkrótce przyszła dogodna chwila na podsumowanie - emocjonujące przemówienia i uroczyste odholowanie promu Atlantis do budynku obsługi, gdzie czekał zespół techników, który miał ze statku kosmicznego wielokrotnego użytku uczynić eksponat muzealny - tak jak to zdarzyło się z pozostałymi: Discovery, Endeavour, czy nawet demonstratorami Enterprise i Pathfinder. Kilka dekad eksploatacji promów kosmicznych przeszło tym samym do historii - barwnej, dumnej, ale również i momentami tragicznej, pełnej przestróg.

Marzenia o rutynowych lotach załogowych

Na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych, gdy Amerykanie latali już na Księżyc w ramach programu Apollo, zaczęto rozważać koncepcje nowego pojazdu, który będzie wcielał w życie zamysł platformy wielokrotnego użytku, otworającej wrota do powtarzalnej i skoncentrowanej obecności załogowej na orbicie. Pomimo udźwigu, jaki oferowała rakieta Saturn V, amerykańska agencja kosmiczna NASA zdawała sobie sprawę z tego, że powoli czas tej konstrukcji się kończy. Program Apollo, z powodu cięcia funduszy został zredukowany względem pierwotnych założeń, a pozostałe wyprodukowane rakiety nośne i kapsuły, wraz z modułami serwisowymi i dowodzenia, na kilka najbliższych lat przyjęły inne zastosowanie w programie Skylab – stworzenia pierwszej amerykańskiej stacji orbitalnej.

NASA jednak potrzebowała pilnie czegoś nowego – czegoś, co będzie tańsze, łatwiejsze w przygotowaniu do lotu i możliwe do wykorzystania w sposób powtarzalny. Stwierdzono, że możliwości takie zapewni system startujący jak rakieta, ale lądujący w sposób przypominający samolot. Dzięki potencjalnie rewolucyjnemu rozwiązaniu, jakim był wielokrotny użytek nowego pojazdu, agencja kosmiczna chciała jak najmniejszym kosztem umieszczać ładunki oraz ludzi na niskiej orbicie okołoziemskiej. I choć rzeczywistość brutalnie zweryfikowała te założenia w późniejszych latach realizacji programu wahadłowcowego, wówczas wyliczenia na nich bazujące były bardzo obiecujące.

W momencie, gdy moduł wznoszenia ostatniego wykorzystanego lądownika księżycowego (z dwoma astronautami na pokładzie) oderwał się od Srebrnego Globu, NASA miała już "na stole" niemal 30 projektów wahadłowca kosmicznego. Były wśród nich rozwiązania zakładające pełną "odzyskiwalność" każdego elementu. W niektórych z nich zamierzano ponownie wykorzystać drogie rakiety Saturn V do umieszczenia orbitera. Niemniej, po latach analiz administracja prezydenta Richarda Nixona dokonała wyboru: budową wahadłowców zajmie się koncern Rockwell, rakietami pomocniczymi Morton Thiokol, a zbiornikami zewnętrznymi Martin Marietta (później Lockheed Martin).

Po kolejnych latach prac projektowych przystąpiono do wdrożenia założeń produkcyjnych, budując najpierw prototypy i demonstratory (Enterprise i Pathfinder), a następnie już pierwsze użytkowe promy: Challenger i Columbia. I tym sposobem po niezwykle dokładnych przygotowaniach, era wahadłowców rozpoczęła się 12 kwietnia 1981 roku – dokładnie w 20 lat po pionierskim locie majora Gagarina (przed startem jeszcze jako porucznik).

O godzinie 7:00 rano czasu wschodniego nastąpił zapłon bocznych rakiet na stały materiał pędny – od tego momentu dla Columbii nie było już odwrotu. Piloci w składzie John W. Young i Robert L. Crippen rozpoczęli dwudniową misję demonstracyjną, w celu dogłębnego zbadania możliwości nowego pojazdu. Zabrali oni ze sobą miniaturową flagę USA, która została wykorzystana również 30 lat później podczas finałowego przelotu.

Na wypadek zaistnienia ewentualnych problemów, które zagrażałyby bezpieczeństwu załogi, przewidywano możliwość opuszczenia systemu za pomocą układu katapultowania (wyrzucane fotele były stosowane w czterech pierwszych misjach - gdy skład załogi obejmował jedynie dwóch pilotów). Na wypadek mniej nagłych sytuacji liczono, że po 120 sekundach lotu (gdy paliwo w SRB zostanie wypalone) uda się zawrócić prom i nad Oceanem Atlantyckim zrzucić zbiornik główny po uprzednim zużyciu w locie po trajektorii balistycznej.

Całe szczęście dla astronautów misja zakończyła się sukcesem, a NASA zaczęła myśleć o następnych zadaniach testowych, by koniec końców zakończyć certyfikację wahadłowców i rozpocząć standardowe misje. Wszakże pierwotnie agencja zakładała, że promy będą startowały nawet dwa razy w miesiącu (24 starty rocznie), a ryzyko utraty załogi szacowano początkowo na 1 do 100 lub nawet 1 do 100 tysięcy.

Do feralnego momentu w styczniu 1986 roku załogi promów stopniowo ulegały zwiększeniu, z dwóch do czterech, potem do pięciu, a ostatecznie do siedmiu czy miejscami nawet do ośmiu osób (dodatkowo liczba ta w razie wyższej konieczności mogła zostać zwiększona). To z kolei oznaczało uzyskanie dotychczas niespotykanych możliwości transportu załóg i ładunków – w tym satelitów, głównie telekomunikacyjnych oraz laboratoriów Spacelab. Czyniono poważne prace nad przebudową ośrodka Vandenberg – stamtąd wahadłowce miały startować na orbitę polarną – zapewne w celu umieszczania satelitów rozpoznawczych. Wszakże promy kosmiczne były również swego rodzaju oczkiem w głowie wojskowych. Niestety te ambitne plany zostały pokrzyżowane wraz z niepowodzeniem misji STS-51-L.

Wstawanie z popiołów

Wtorek 28 stycznia 1986 roku zapisał się w historii programu STS czarnymi zgłoskami. Był to rok, w którym - poza omawianym startem - miało się odbyć jeszcze ich trzynaście, co świadczyło o rozpędzającej się machinie lotów załogowych (choć nadal dalekiego od początkowych oczekiwań). Do Challengera tego dnia po raz ostatni wsiadło siedem osób: Francis Scobee, Michael Smith, Ronald McNair, Ellison Onizuka, Gregory Jarvis, Judith Resnik i Christa Corrigan McAuliffe. Technicznie sama misja miała mieć rutynowy przebieg, jej zadaniem było umieszczenie na orbity satelity telekomunikacyjnego konstelacji Tracking and Data Relay Satellite, którego celem było przekazywanie informacji z wahadłowców na Ziemię oraz na odwrót. Jednakże przy jej okazji, w ramach programu Teacher in Space Project, w przestrzeń kosmiczną miała polecieć osoba niebędąca zawodowym astronautą, a nauczycielem – wspomniana Christa McAuliffe.

Można by rzec, że nad misją wisiało jakieś fatum, start był wielokrotnie przekładany, pierwotnie miał się odbyć 22 stycznia. Problemy bywały różne, od pogody po wkręty mocujące i źle funkcjonujące czujniki. Co więcej, sami inżynierowie produkujący rakiety pomocnicze firmy Morton Thiokol ostrzegali agencję kosmiczną NASA, że niskie styczniowe temperatury mogą mieć fatalny wpływ na funkcjonalność uszczelek O-ring zabezpieczających silniki boczne. Tymczasem w dniu ostatecznego startu było wyjątkowo zimno - na tyle, że platformę startową skuły w wielu miejscach kurtyny lodu.

To, że właśnie uszczelka stała się powodem kłopotów, ujawniło potem nagranie z lotu Challengera, na którym już w pierwszych sekundach po starcie można dostrzec nienaturalny obłok czarnego dymu wydobywający się spod elementu uszczelniającego prawego SRB (Solid Rocket Booster). Poważniejsze problemy zaczęły się około 58 sekundy lotu. Pomiędzy prawą rakietą boczną a zbiornikiem zewnętrznym, w miejscu gdzie znajdowała się feralna uszczelka, pojawił się już regularny płomień, który w dość szybkim tempie zaczął naruszać zbiornik główny, co w konsekwencji doprowadziło do perforacji jego struktury i wycieku ciekłego wodoru. Dodatkowo, około 72 sekundy lotu doszło do przepalenia mocowania rakiety SRB w dolnej części zbiornika, przyczyniając się do nagłej zmiany wektora ciągu i zaraz potem - całkowitej dezintegracji systemu wraz z orbiterem w 73 sekundzie misji.

W Centrum Kontroli Lotów na Florydzie zapanowała cisza. Przez kilka sekund nikt nie wiedział co się wydarzyło, aż w końcu radar zaczął pokazywać wiele obiektów, jednoznacznie mówiących, że pozostałości Challengera kontynuują swobodny lot po trajektorii balistycznej. Chwilę później oficer bezpieczeństwa użył procedury zdalnej detonacji dwóch SRB i zbiornika ET, a oficer dynamiki lotu doniósł, że pojazd eksplodował. W konsekwencji w Centrum - zgodnie z procedurami - zamknięto drzwi i zaczęto zabezpieczać wszelkie materiały na potrzeby koniecznego śledztwa.

Prezydent Reagan, aby zbadać przyczyny katastrofy powołał tzw. komisję Rogersa, która składała się z przedstawicieli rządu USA, astronautów, fizyków i inżynierów. Po wielu miesiącach analizowania zabezpieczonych dowodów komisja ogłosiła werdykt, że powodem katastrofy była wspomniana wcześniej uszczelka, która w wyniku działania niskich temperatur utraciła swoje właściwości. Oskarżono również NASA o liczne zaniedbania, które miały pośredni wpływ na przebieg wydarzeń, tj. zezwolenie na lot w mroźny dzień czy pozostawiające wiele do życzenia traktowanie wymogów bezpieczeństwa załogi. 

Tamto wydarzenie i jego konsekwencje zadziałały otrzeźwiająco na NASA. Loty promów wznowiono dopiero dwa lata później, po gruntownych zmianach proceduralnych i serii raportów. Program podźwignięto do dawnej świetności, zwłaszcza w kontekście takich misji jak dostawa bardzo istotnego Kosmicznego Teleskopu Hubble'a.

W 17 lat po katastrofie Challengera przyszedł jednak kolejny tragiczny cios. Columbia w swój ostatni lot w ramach misji STS-107 wyruszyła 16 stycznia 2003 roku, zabierając ze sobą siedmioro astronautów: Ricka Husbanda, Williama McCoola, Davida Browna, Kalpanę Chawla, Michaela Andersona, Laurela Clarka i Ilana Ramona. Celem misji było przeprowadzenie wielu eksperymentów w warunkach mikrograwitacji.

Wydawało się, że start przebiegł bez problemów, jednakże jak się później okazało, od zbiornika głównego (ET) odpadł fragment pianki, która spowodowała 25-centymetrową dziurę w poszyciu orbitera. Fakt ten został zauważony i był przedmiotem rozważań, także z udziałem samej załogi. Nie zdawano sobie jednak sprawy z tego, że rozpędzona pianka może spowodować śmiertelne zagrożenie względem osób znajdujących się w promie. Nie zdecydowano się zatem na ściągnięcie załogi bezpiecznie na ziemię z użyciem drugiego promu – zresztą, procedura Launch on Need miała dopiero nadejść, ale już na skutek katastrofy Columbii.

Powrót zaplanowano na 1 lutego 2003 roku. Prom zaczął wchodzić w atmosferę ok. godziny 13:44 i już po upływie czterech minut od tego momentu komputery pokładowe zaczęły rejestrować niepokojące dane z lewego skrzydła – w miejscu, w którym podczas startu doszło do uszkodzenia osłony termicznej. Stopniowo do wnętrza orbitera zaczęła przedostawać się gorąca plazma okalająca statek podczas wejścia w gęstsze warstwy atmosfery, niszcząc przewody, czujniki, aż w końcu doprowadzając do wzrostu temperatury w wewnętrznych elementach mechanicznych promu i osłabiając jego konstrukcję na skutek spowodowanego pożaru.

Columbia rozpadła się o godzinie 14:00 nad Teksasem na wysokości 61 kilometrów. Trzy minuty później jej pierwsze fragmenty uderzyły o ziemię. Tradycyjnie w Centrum Kontroli Lotów w Houston wdrożono procedury kryzysowe, zamknięto drzwi i zabezpieczono materiały.

Do zbadania katastrofy powołano kolejną komisję, która pracowała aż do końca sierpnia. Wysunięto wiele zaleceń, takich jak te dotyczące przygotowywania dwóch misji jednocześnie – tej właściwej i ratunkowej, w ramach LON. Ponadto każdy z promów przed dokowaniem do ISS musiał wykonać manewr Rendezvous Pitch Maneuver, by pokazać załodze znajdującej się na stacji wszystkie płytki termiczne - tak, aby na podstawie fotografii ocenić, czy prom bezpiecznie może powrócić na Ziemię.

Podsumowując, druga katastrofa była wstrząsem, który jak pokazał czas, przyczynił się do wygaszenia programu. Po ostatnim locie Columbii prezydent USA George W. Bush (w 2004 roku) ogłosił osobną koncepcję - Vision for Space Exploration, zakładająca skupienie się na eksploracji Księżyca w ramach programu Constellation, jak i kosmosu za pomocą tradycyjnych rakiet i kapsuły Orion. Jednocześnie ogłosił on, że do 2010 roku program STS zostanie zakończony.

Ostatnie loty i dziedzictwo ery wahadłowców

Pomimo dwóch katastrof i śmierci w każdej z nich rekordowej liczby astronautów, nie należy zapominać o chlubnych momentach historii programu STS. Jedną z najsłynniejszych misji, poza tymi związanymi z budową Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, było wspomniane już rozmieszczenie Teleskopu Hubble'a w misji STS-31 przez prom Discovery w 1990 roku. Co ciekawe, przed katastrofą Columbii, kiedy nie brano jeszcze pod uwagę kresu lotów wahadłowcem, planowano sprowadzić teleskop na Ziemię i wystawić go w Narodowym Muzeum Lotnictwa i Przestrzeni Kosmicznej w Waszyngtonie. Zadanie to miało zostać zrealizowane w trakcie misji STS-144.

Tak czy inaczej, teleskop ten zawdzięcza swoje działanie dwóm kluczowym wyprawom serwisowym umożliwionym przez promy kosmiczne. Jedna z ostatnich większych awarii komputera głównego, która od połowy czerwca do połowy lipca br. czyniła teleskop bezużytecznym, zrodziła w światowej opinii publicznej przekonanie, jakoby warto było utrzymać w rezerwie przynajmniej jeden funkcjonalny orbiter do celów serwisowych. Koniec końców, w drugiej połowie lipca udało się wybudzić główny komputer, przez co HST zyskał jeszcze trochę czasu swojego życia – przynajmniej do momentu, gdy James Webb Space Telescope nie zostanie umieszczony w punkcie libracyjnym L2 i nie będzie w pełni funkcjonalny.

Skoro już była mowa o budowie ISS, na przestrzeni 13 lat budowy i utrzymania stacji po stronie amerykańskiej wykonano 26 dedykowanych lotów spośród wszystkich 36 misji z udziałem wahadłowców. To właśnie ze względu na budowę ISS zdecydowano na wydłużenie, na tyle, ile się dało, programu STS. Dzięki ładowności promów można było zabrać większe segmenty stacji i je połączyć już na orbicie. Ostatnim pierwotnym modułem, służącym do rozbudowy ISS, był moduł AMS – Magnetyczny Spektrometr Alfa, służący do pomiaru promieniowania kosmicznego. Został on wyniesiony w ostatniej misji promu Endeavour – STS-134, rozpoczętej 16 maja 2011. 

Niedługo później, bo 8 lipca 2011 roku wystartował Atlantis ze swoim ostatnim zadaniem – dostarczenia zaopatrzenia na MSK. Po katastrofie z 2003 roku misja STS-135 była jedyną, gdzie nie przygotowywano na drugim stanowisku startowym ratunkowego wahadłowca, który w razie niemożności bezpiecznego sprowadzenia załogi właściwej misji, miałby za zadanie przechwycić ją, poprzez spotkanie dwóch statków na orbicie i dokonania kilkukrotnie EVA (spacerów kosmicznych) w przestrzeni kosmicznej, a w następstwie lądowania tego sprawnego promu, zdalnie deorbitując nad obszarami niezamieszkałymi ten uszkodzony. Tak się nie stało, gdyż wszystkie orbitery były już przekształcane w eksponaty muzealne, a sam ostatni lot Atlantisa był niespodzianką – miał służyć jako ratunkowy system względem wcześniejszej misji promu Endeavour, a wobec jego gotowości do lotu, został wykorzystany jako pojazd właściwy.

Załogę stanowiły cztery osoby – Christopher Ferguson, dowódca, komandor US Navy; Douglas Hurley, pilot, pułkownik USMC (powróci za niespełna 10 lat jako uczestnik pierwszej misji statku Crew Dragon); Sandra Magnus i Rex Walheim jako specjaliści (ostatni był pułkownikiem USAF). Hurley, biorąc później udział w pierwszej załogowej misji komercyjnego statku, symbolicznie spiął klamrą starą i nową epokę pojazdów wielokrotnego użytku – wszakże pierwszy stopień Falcona 9 i sama kapsuła Dragon 2 są odzyskiwalne, a firma SpaceX bije rekordy związane z wielokrotnym używaniem segmentów głównych.

Ostatnia misja STS, poza zaopatrzeniem wyniosła na orbitę pikosatelitę Picosatellite Solar Cell Testbed 2, demonstrator technologii dla USAF. Zabrano również symbole związane ze startem STS-1 – dokładnie taką samą flagę, którą Young i Crippen wzięli ze sobą do Columbii, naszywki – STS-1 i STS-135, a także model promu kosmicznego. Te pamiątki zostały na ISS, przyczepione do włazu w części amerykańskiej.

Przez następną niemal dekadę Amerykanie byli zdani na łaskę i niełaskę Rosjan. Załogowa droga na ISS prowadziła tylko i wyłącznie przez Bajkonur. Niewiele pomogły ambitne plany programu Constellation, który w niekrótkim czasie po zakończeniu programu STS zakładał loty kapsułą Orion i rakietą nośną Jupiter lub Ares I. Niewielki wówczas budżet NASA nie pozwalał zresztą na dalsze kontynuowanie także i programu Constellation, który przede wszystkim zakładał powrót człowieka na Księżyc już w drugiej dekadzie XXI wieku. Same projekty ciężkich rakiet na wiele lat poszły w odstawkę.

Dojrzewał jednocześnie program wynoszenia astronautów na pokładzie pojazdów zbudowanych przez firmy komercyjne. Wiele z nich dostawało pieniądze na realizację swoich projektów. W ramach Commercial Crew Program powstały kapsuły: Dragon 2 od SpaceX, CST-100 Starliner od Boeinga, a także niewielki wahadłowiec Dream Chaser od Sierra Nevada. Pierwsza z nich już w tej chwili z transportuje astronautów na ISS, druga ma niebawem odbyć pierwszy bezzałogowy lot tamże, a z kolei kolejny w historii USA wahadłowiec (tym razem miniaturowy) wystartuje najwcześniej w 2022 roku. Jednocześnie nie ustają prace nad powodzeniem duchowego sukcesora programów STS i anulowanego Constellation, czyli programu Artemis. Jego rakieta nośna, czyli SLS (od Space Launch System) jest ciężką modyfikacją kluczowych elementów wahadłowca – rakiet na stały materiał pędny (SRB) i silników RS-25.

Zakładając optymistyczny scenariusz (że nie dojdzie do dalszych opóźnień), jeszcze w tym roku w kosmos wzniesie się kolejny ważny system nośny rozpoczynający nowy etap programowy amerykańskich lotów załogowych. Preludium do tego ma stanowić oczekiwany niebawem lot z nieobsadzoną jeszcze kapsułą Orion w podróż wokół Księżyca.