Введение

1997 Американский пилотируемый космический полет

STS-87 — миссия космического челнока, запущенная с пускового комплекса 39B Космического центра Кеннеди 19 ноября 1997 года. Это был 88-й полет космического шаттла и 24-й полет "Колумбии". Целями миссии были проведение экспериментов с использованием американской микрогравитационной полезной нагрузки (USMP-4), выполнение двух выходов в открытый космос (ЭВА) и запуск эксперимента SPARTAN 201. Эта миссия ознаменовала первый выход в открытый космос, выполненный с "Колумбии". Выходы в открытый космос с "Колумбии" первоначально планировались для STS-5 в 1982 году и STS-80 в 1996 году, но были отменены из-за проблем со скафандрами и шлюзовыми камерами соответственно. Также это был первый выход в открытый космос, выполненный японским астронавтом Такао Дои.

Основные моменты миссии

STS-87 доставил на орбиту полезную нагрузку "Микрогравитация США" (USMP 4), "Спартан-201", "Эксперимент по исследованию орбитального ускорения" (OARE), "Демонстрационный полетный тест 5" (EDFT 05), "Эксперимент по зондированию озонового слоя шаттлом" (SOLSE), "Люповая тепловая труба" (LHP), "Эксперимент с натрий-серными аккумуляторами" (NaSBE), "Эксперимент по диффузии турбулентного газового потока" (G 744) и "Автономный роботизированный комплекс для работы в открытом космосе/Sprint" (AERCam Sprint). Эксперименты, проводимые на средней палубе, включали "Перчаточный бокс" (MGBX) и "Совместный украинский эксперимент" (CUE).

Микрогравитационная полезная нагрузка США

Микрогравитационная полезная нагрузка США (USMP 4) являлась проектом Spacelab, находившимся в управлении Космическим центром Маршалла, Хантсвилл, штат Алабама. Комплекс экспериментов по исследованию микрогравитации был распределен между двумя уникальными структурами поддержки экспериментов (MPESS) в грузовом отсеке. Возможность увеличения продолжительности миссии, предоставляемая комплектом EDO, открывает возможность для дополнительного времени сбора научных данных.

Спартан-201

Spartan 201 04 был космическим аппаратом, предназначенным для дистанционного зондирования горячих внешних слоев атмосферы Солнца, или солнечной короны. Ожидалось, что он будет выведен на орбиту 18 и возвращен на орбите 52. Целью наблюдений было исследование механизмов, вызывающих нагрев солнечной короны и ускорение солнечного ветра, зарождающегося в короне. Два основных эксперимента – ультрафиолетовый корональный спектрометр от Смитсоновской астрофизической обсерватории и белый световой коронограф (WLC) от обсерватории Высотной астрономии. Spartan 201 включал три дополнительных эксперимента. Технологический эксперимент, расширяющий возможности Spartan (TEXAS), представлял собой эксперимент по радиочастотной (RF) связи, обеспечивавший опыт эксплуатации компонентов, запланированных для будущих миссий Spartan, а также связь в реальном времени для управления и передачи данных с основными экспериментами Spartan 201. Эта связь использовалась для точной корректировки наведения WLC на основе солнечных изображений, передаваемых в режиме реального времени. Летный эксперимент с видеодатчиком наведения (VGS) был системой лазерного наведения, тестировавшей ключевой компонент системы автоматической стыковки и захвата (AR&C). Spartan Auxiliary Mounting Plate (SPAM) – небольшая монтажная панель для размещения небольших экспериментов или вспомогательного оборудования Структуры поддержки полета Spartan (SFSS). Это была сотовая панель, изготовленная из экспериментального материала – алюминиевого сплава с карбидом кремния в качестве лицевой поверхности и алюминиевого сердечника.

Усовершенствованная автоматизированная направленная печь для затвердевания

Усовершенствованная автоматизированная печь направленной кристаллизации (AADSF) представляла собой сложное научно-исследовательское оборудование, использовавшееся для изучения распространенного метода обработки полупроводниковых кристаллов, называемого направленной кристаллизацией. Кристаллизация – это процесс затвердевания материалов. В типе направленной кристаллизации, применяемом в AADSF, жидкий образец, помещенный в кварцевые ампулы, медленно затвердевал вдоль своей продольной оси. Механизм перемещал образец через зоны с различными температурами внутри печи. Для начала процесса печь расплавляла образец со всех сторон, кроме одного конца, в направлении к нему. После завершения кристаллизации образец оставался в печи для последующего анализа. Фронт кристаллизации представлял особый интерес для ученых, поскольку потоки в жидком материале влияют на конечный состав, структуру и свойства полученного твердого тела.

Эксперимент с конфиденциальным гелием

Эксперимент с ограниченным гелием (CHeX) стал проверкой теорий, описывающих влияние границ на вещество, посредством измерения теплоемкости гелия при его ограничении двумя измерениями.

Эксперимент по изотермическому дендритному росту

Изотермальный эксперимент по дендритному росту (IDGE) был материаловедческим экспериментом по затвердеванию, который исследователи использовали для изучения особого типа затвердевания, называемого дендритным ростом. Дендритное затвердевание – одна из наиболее распространенных форм затвердевания металлов и сплавов. Когда материалы кристаллизуются или затвердевают при определенных условиях, они замерзают неустойчиво, в результате чего образуются крошечные, похожие на деревья, кристаллические структуры, называемые дендритами. Ученых особенно интересуют размер и форма дендритов, а также то, как ветви дендритов взаимодействуют друг с другом. Эти характеристики в значительной степени определяют свойства материала. Эксперимент "Материал для изучения явлений, связанных с затвердеванием на Земле и на орбите" (MEPHISTO), разработанный для исследования направленного затвердевания металлических сплавов, был в первую очередь направлен на измерение температуры, скорости и формы фронта затвердевания (границы, где твердая и жидкая фазы контактируют друг с другом в процессе затвердевания). MEPHISTO одновременно обрабатывал три идентичных цилиндрических образца сплава висмута и олова. В первом образце колебания температуры движущегося фронта затвердевания измерялись электрическим способом, что приводило к возмущению образца. Во втором образце положение границы между твердой и жидкой фазами определялось методом измерения электрического сопротивления. В третьем образце фасетированный фронт затвердевания отмечался импульсами электрического тока через заданные интервалы. Образцы были возвращены на Землю для анализа. В ходе миссии данные MEPHISTO были сопоставлены с данными системы измерения космических ускорений (SAMS). Сравнивая эти данные, ученые определили, как ускорения на борту шаттла влияли на границу между твердой и жидкой фазами.

Система измерения космического ускорения

Система измерения космического ускорения (SAMS), финансируемая Исследовательским центром НАСА Льюис (ныне Исследовательским центром НАСА Гленн), представляла собой систему сбора данных, управляемую микропроцессором, предназначенную для измерения и записи микрогравитационного ускорения на борту носителя USMP. SAMS имела три трехосных сенсорных головки, отделенные от электронного блока для удаленного размещения. В процессе работы трехосная сенсорная головка генерировала выходные сигналы в ответ на входные сигналы ускорения. Эти сигналы усиливались, фильтровались и преобразовывались в цифровые данные. Цифровые данные об ускорении передавались на оптический диск для наземного анализа и передавались на Землю для анализа в режиме, близком к реальному времени. Каждый акселерометр содержал массу, подвешенную на кварцевом элементе, обеспечивающем движение только по одной оси. К массе была прикреплена катушка, а вся конструкция помещалась между двумя постоянными магнитами. Приложенное ускорение смещало массу из положения равновесия. Это смещение регистрировалось детектором, который заставлял электронику SAMS подавать напряжение на катушку, создавая магнитное поле, необходимое для возврата массы в исходное положение. Подаваемое напряжение было пропорционально приложенному ускорению и передавалось в электронную систему SAMS в виде данных об ускорении.

Исследовательский эксперимент по ускорению орбиты

Во время полёта отдельно в грузовом отсеке, эксперимент по исследованию орбитального ускорения (OARE), финансируемый Исследовательским центром Льюиса НАСА (ныне Исследовательским центром Гленна), являлся неотъемлемой частью USMP 04. Это был высокочувствительный прибор, разработанный для измерения низкоуровневых аэродинамических ускорений вдоль главных осей орбитального аппарата в режиме свободного молекулярного потока на орбитальных высотах и в переходном режиме при возвращении на Землю. Данные OARE также передавались на Землю во время миссии для проведения анализа в околореальном времени в поддержку научных экспериментов USMP. Данные OARE способствовали прогрессу в области обработки материалов в космосе, предоставляя измерения низкочастотных возмущений, влияющих на различные эксперименты в условиях микрогравитации. Данные OARE также способствовали развитию технологий прогнозирования орбитального торможения, углубляя понимание фундаментальных процессов течения в верхних слоях атмосферы.

Эксперимент по озонной пробу шаттла

Целью эксперимента Shuttle Ozone Limb Sounding Experiment (SOLSE) было определение высотного распределения озона с целью понимания его поведения и прогнозирования количественных изменений в составе атмосферы. SOLSE должен был обеспечить измерение распределения озона, недостижимое для приборов, работающих в режиме надзора (надира). Это было реализовано с использованием технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), что позволило исключить движущиеся части в более простом и экономичном приборе для картографирования озона. Эксперимент был размещен в контейнере Hitchhiker (HH/GAS) с удлинительным кольцом и оснащен моторизованной дверной системой Hitchhiker (HMDA). В состав оборудования входили ультрафиолетовый (УФ) спектрограф с ПЗС-матрицей в качестве детектора, ПЗС-матрица и камеры видимого диапазона, калибровочная лампа, оптическая система и светозащитные устройства. После выхода на орбиту член экипажа активировал SOLSE, который выполнял наблюдения в режиме лимба и наблюдения за Землей. Наблюдения в режиме лимба фокусировались на области от поверхности Земли до определенной высоты над горизонтом. Наблюдения за Землей позволили SOLSE сопоставлять полученные данные с данными других приборов, осуществляющих наблюдение за озоновым слоем в режиме надзора.

Периодическая теплопроводная труба

Люповая тепловая труба (LHP) позволила продвинуть передовые технологии управления тепловой энергией и подтвердить технологическую готовность для будущих коммерческих космических аппаратов. В LHP в качестве рабочей жидкости использовался безводный аммиак для транспортировки тепловой энергии с высокой эффективной теплопроводностью в условиях невесомости. LHP представлял собой пассивное двухфазное устройство для передачи тепла, способное транспортировать до 400 Вт на расстояние 5 метров по полугибким трубкам малого диаметра. Для циркуляции двухфазной рабочей жидкости использовались капиллярные силы. Система была самозапускающейся и полностью пассивной в работе. При подаче тепла на испаритель LHP часть рабочей жидкости испарялась. Пар перемещался по паровым линиям и конденсировался, отдавая тепло. Конденсат возвращался в испаритель посредством капиллярного действия по линиям транспортировки жидкости.

Эксперимент с серо-натриевой батареей

Эксперимент с натриево-серными аккумуляторами (NaSBE) характеризовал работу четырех натриево-серных аккумуляторных ячеек емкостью 40 ампер-часов, представляя собой первое испытание технологии натриево-серных аккумуляторов в космосе. Каждая ячейка состояла из натриевого анода, серного катода и твердого керамического электролита, проводящего ионы натрия, и сепаратора. Ячейки нагревали до 350 градусов Цельсия для расплавления натрия и серы. После расплавления анода и катода ячейки начали вырабатывать электрическую энергию. После выхода на орбиту член экипажа активировал NaSBE, а затем экспериментом управляли из Центра управления полезной нагрузкой GSFC (POCC).

Турбулентные газовые струи диффузионных пламени

Полезная нагрузка Turbulent Gas Jet Diffusion Flames (TGDF) являлась вторичной полезной нагрузкой, использовавшей стандартный носитель Get Away Special. Её целью было получение понимания фундаментальных характеристик переходных и турбулентных диффузионных пламен газовых струй в условиях микрогравитации, а также сбор данных для прогнозирования поведения таких пламен в нормальных и микрогравитационных условиях. TGDF создавала крупномасштабные контролируемые возмущения в хорошо определенных ламинарных диффузионных пламенах в условиях микрогравитации. Возмущения носили осесимметричный характер по отношению к ламинарным пламенам. Переменной в планируемых испытаниях являлась частота механизма возмущения, которая составляла 2,5 Гц, 5 Гц или 7,5 Гц.

Убирайся Специальный

Канистра полезной нагрузки Get Away Special (GAS G 036) содержала четыре отдельных эксперимента: гидратацию образцов цемента, регистрацию стабильности конфигурации образцов жидкости, а также воздействие экзосферных условий на компьютерные диски, компакт-диски и образцы асфальта в грузовом отсеке орбитального аппарата. Эксперименты назывались: Эксперимент по смешиванию цемента (CME), Эксперимент по исследованию стабильности конфигурации жидкости (CSFE), Эксперимент по оценке компьютерных компакт-дисков (CDEE) и Эксперимент по оценке асфальта (AEE).

"Орбитальный аппарат с расширенной продолжительностью полета"

Палет для орбитального аппарата с увеличенной продолжительностью работы (EDO) представлял собой криогенную структуру в виде пластины диаметром 4,6 м. Весом , он обеспечивал поддержку танков, связанных с ними панелей управления и авионики. В танках хранилось жидкого водорода при температуре −250 градусов Цельсия и жидкого кислорода при температуре −176 градусов Цельсия. Общая масса системы в пустом состоянии составляла . При заполнении криогенными жидкостями масса системы была приблизительно . Кислород и водород подавались к трем топливным элементам орбитального аппарата, генерирующим электроэнергию, где они преобразовывались в достаточное количество электроэнергии для обеспечения работы среднего дома, состоящего из четырех человек, в течение примерно шести месяцев. Топливные элементы также производили около чистой питьевой воды. С палетом EDO орбитальный аппарат мог поддерживать полет в течение максимум 18 дней. Более длительные миссии на орбите способствуют исследованиям в области микрогравитации, биологическим исследованиям, наблюдениям за Землей и небесными телами, адаптации человека к невесомости и поддержке космической станции.

Скриншоты для перчаток на борту

Средняя палуба Glove Box (MGBX) представляла собой установку, предназначенную для работы с экспериментами в области материаловедения и биологии. Она состояла из двух основных систем: интерфейсной рамы (IF) и перчаточного бокса (GB). Установка MGBX (вместе с сопутствующей электроникой) обеспечивала замкнутую рабочую зону для проведения экспериментов и наблюдений на средней палубе шаттла. Эксперименты, выполненные на MGBX в ходе данного полета, включали WCI – целью эксперимента «Смачиваемость несмешивающихся жидкостей» было исследование влияния характеристик смачивания сплава и ампулы на сегрегацию несмешивающихся жидкостей при обработке в условиях микрогравитации. Целью эксперимента «Закрытые ламинарные пламена» (ELF) являлось подтверждение модели Берка-Шумана для условий нулевой гравитации и расширения модели Хегде-Бахадори, учитывающего влияние гравитации, изучение роли поля потока, зависящего от плавучести, на стабилизацию пламени, исследование состояния сопряженных диффузионных пламен под воздействием условий плавучести (гравитации и давления), а также изучение взаимодействия вихревых потоков и диффузионных пламен. Целями эксперимента «Поглощение и выталкивание частиц затвердевающими границами» (PEP) были получение точного значения критической скорости в среде без конвекции, подтверждение существующей теоретической модели, углубление фундаментального понимания динамики нерастворимых частиц на жидкостно-твердых границах и расширение знаний о физике, связанной с затвердеванием смесей жидких металлов и керамических частиц.

Эксперимент по сотрудничеству в Украине

Коллаборативный эксперимент Украины (CUE) представлял собой полезную нагрузку, размещенную на средней палубе, и был разработан для изучения влияния микрогравитации на рост растений. CUE состоял из группы экспериментов, проведенных в установке для выращивания растений (PGF) и в биологических исследованиях в канистрах (BRIC). Для проведения экспериментов также требовалось использование морозильника с газообразным азотом (GN2) и фиксирующего оборудования. Исследователи из Украины и Соединенных Штатов (Канзасский государственный университет и Луизианский государственный университет) выбрали эти эксперименты в качестве модели научного сотрудничества между двумя странами. PGF поддерживал рост растений до 30 дней, обеспечивая подходящие условия окружающей среды для нормального развития растений. PGF состоял из следующих подсистем: подсистемы управления и сбора данных (CDMS), модуля флуоресцентного освещения (FLM), модуля контроля атмосферы (ACM), камер для выращивания растений (PGC), узла опорной конструкции (SSA) и универсального внешнего корпуса (GES). Полная установка PGF занимала место одного шкафчика на средней палубе и работала от постоянного тока 28 В (DC). В PGF изучался образец растения Brassica rapa (репа).

Внетранспортная деятельность

Испытательный полет 05 (EDFT 05) состоял из аппаратных элементов отсека полезной нагрузки, соответствующих детальной испытательной цели (DTO) 671 – "Аппаратное обеспечение для внекорабельной деятельности при будущих запланированных миссиях". Основной целью EDFT 05 была демонстрация сборки и обслуживания в ходе внекорабельной деятельности (EVA) на Международной космической станции (МКС) в условиях реального полета. Другими DTO, включенными в этот тест, были DTO 672 – "Контрольный список электрических манжет для скафандра внекорабельной деятельности (EMU)" и DTO 833 – "Тепловой комфорт EMU и тепловая обстановка на рабочем месте EVA". Дополнительной целью являлось расширение опыта проведения EVA для наземных служб и экипажей. Для достижения этих целей в рамках миссии было выполнено два выхода в открытый космос.

Автономная робот-камера EVA

Автономная робототехническая камера для внекорабельной работы (AERCam/Sprint) представляла собой небольшую, незаметную, свободно летающую камеру для использования за пределами космического корабля. Этот свободно летающий аппарат был оснащен автономной системой холодного газового двигателя, обеспечивающей управление по шести степеням свободы. На борту аппарата находились датчики угловой скорости для обеспечения данных автоматической системы стабилизации положения. AERCam/Sprint имел сферическую форму, медленно перемещался и был покрыт мягким амортизирующим материалом для предотвращения повреждений при столкновении. Основной принцип проектирования заключался в поддержании низкой энергии за счет минимизации скорости и массы, а также в обеспечении механизма для поглощения энергии при ударе. Управление платформой осуществлялось изнутри орбитального модуля с помощью небольшой станции управления. Оператор вводил команды движения с помощью единственного контроллера устройства помощи при спасении во время внекорабельной деятельности (SAFER). Команды передавались со станции управления на свободно летающий аппарат по радиочастотному (RF) модемному каналу, работающему в ультравысокочастотном (UHF) диапазоне.

Комический персонаж в космосе

Миссия ознаменовала малоизвестный факт: для космической миссии был создан персонаж комикса, который впервые полетел в космос и впервые благополучно вернулся на Землю. Спонсор и руководитель эксперимента Enclosed Laminar Flames, Льюис Стокер, обратил внимание на аббревиатуру эксперимента – ELF, и, будучи заядлым читателем серии комиксов Elfquest, попросил создателей серии, Ричарда и Венди Пини, разработать логотип. Изначально он надеялся использовать звездочета из этой серии, Skywise, но чтобы избежать проблем с авторскими правами, был создан уникальный персонаж, сопровождающий эмблему эксперимента, которого назвали Starfire.