1976-ban új típus jelent meg az Egyesült Államok repülési és űrhajózási hivatala, a NASA különleges repülőgépeket felvonultató flottájában. Az eredetileg üzleti repülőgépnek tervezett Grumman Gulfstream II-esek beszerzésének célja az volt, hogy az űrrepülőgépek leendő parancsnokai és pilótái rajtuk tanulják meg és gyakorolják az űrhajózásban újnak számító manőver, a repülőgépszerű leszállás végrehajtását.

Az 1970-es években a Hold-program és a hozzá kapcsolódó Apollo repülések majd a Skylab űrállomás kifutásával a NASA figyelme a többször felhasználható űrrepülőgép (Space Shuttle) felé fordult. A hivatalosan STS-nek (Space Transportation System) nevezett űrjármű két szilárd hajtóanyagú rakéta és a közöttük elhelyezett nagyméretű üzemanyagtartályból táplálkozó saját rakétahajtóművei segítségével jutott földkörüli pályára. Ha a felbocsátás emlékeztetett is a korábbi rakétaindításokra, azt már a laikus érdeklődő is látta, hogy a visszatérés más volt, mint az a hagyományos űrhajók esetében történt. A Mercury, Gemini és Apollo űrhajók visszatérő egységei – az egyszer használatos rendszer egyetlen megmaradt részei – ejtőernyővel értek földet. Pontosabban vizet, mert az amerikaiak a szovjetektől eltérően nem a szárazföldre, hanem az óceánra tértek vissza. Ezzel szemben az űrrepülőgép, nevéhez illően, repülőgépszerűen szállt le. Ez a manőver a vitorlázógépek leszállásához hasonlított, mert a jármű a hajtóművek tolóereje nélkül, a helyzeti energiát mozgási energiává alakítva, egészen a földetérésig siklásban volt. Persze nem kecses szárnyalásra kell gondolni, mert száz tonna körüli maximális leszállósúlyával, nagy felületi terhelésű deltaszárnyával és mindössze 4,5-ös siklószámával az űrrepülőgép igencsak igyekezett lefelé. A jármű vezetésére a személyzet két tagja volt kiképezve, a parancsnok és a pilóta. Az űrrepülőgép parancsnoka a leszállás hangsebesség alatti fázisában vette át a kézi irányítást és a pilóta segítségével hajtotta végre leszállást. A pontos földet érésre csak egyetlen esélyük volt, hiszen hajtóművek híján egy elhibázott megközelítésnél nem rendelkeztek az átstartolás lehetőségével.

A légkörbe visszatérő Discovery még a hagyományos műszerfallal látható ezen az 1992-es képen. Ugyanezeket a műszereket helyezték el az első két STA bal ülése előtt is

A „gyakorolj úgy, ahogy repülni fogsz és repülj úgy, ahogy gyakoroltál” elvet követve, az már a kiképzési terv összeállításánál egyértelmű volt, hogy a földi szimulátorok mellett szükség lesz egy olyan repülőgépre, amellyel az űrhajósok valósághű körülmények között gyakorolhatják a megközelítési eljárást és a földetérést. Az, hogy ez a gép a Grumman Gulfstream II-es lesz, kezdetben nem volt magától értetődő. A kiképző repülőgéppel szemben támasztott követelmények miatt először a harci gépeket vették számításba, mivel azokat a nagy túlterhelések ismétlődő elviselésére tervezték. A szóba jöhető típusok köre egyre szűkült, a leginkább esélyesnek a Grumman A-6-os Intrudere tűnt. A kétüléses gépen természetesen elfért volna egy űrhajós és egy oktatópilóta, azonban még egy szimulációs mérnöknek és egyéb berendezéseknek is helyet kellett találni. Ezért még egy Boeing 737-es lehetőségét is megvizsgálták, de végül a magas költségek miatt lemondtak róla és ezután került a NASA fókuszába a Gulfstream II-es. A Gulfstream I-es még légcsavaros gázturbinás volt, és a strapabíró tengerészeti repülőgépeiről ismert Grumman a Gulfstream II-essel 1968-ban lépett be a sugárhajtású üzleti repülés világába, annak is egy felsőbb kategóriájába. A cég addigra már Grumman Aerospace néven leányvállalatot hozott létre, hogy a Gulfstreamek gyártását és fejlesztését elkülönítsék a katonai vonaltól. A Gulfstream II-es jó alap volt ahhoz, hogy egy alapos, célirányos átalakítást követően valós repülési körülmények között gyakorolják vele az űrrepülőgép visszatérésének végső fázisát. A speciális követelmények szerint átalakított repülőgép hivatalos elnevezése STA (Shuttle Training Aircraft) lett, és mivel az űrrepülőgép meredek siklását gyakorolták vele, időnként „repülő téglának” is nevezték.

Üzleti repülőgépből különleges kiképzőgép

A NASA kék csíkkal dekorált, hófehér Gulfstream II-esei külsőre nem igazán különböztek az üzleti repülésre használt változattól, de a módosítások révén különleges megoldásokkal rendelkeztek. Az STA pilótafülkéjének bal ülésében az űrhajós, a jobb ülésben az oktatópilóta foglalt helyet. A Gulfstream teljes műszerezettsége átkerült az oktatópilóta elé, az űrhajóst pedig az űrrepülőgép műszereivel és kezelőszerveivel megegyező berendezések vették körül. Az STA fel- és leszállásakor és repülés közben az űrhajós kezelőszervei inaktívak voltak, a gépet az oktatópilóta vezette. A leszállás-szimuláció megkezdésekor az oktató aktiválta a bal ülés rendszereit és az űrhajós kézbe vehette az STA irányítását. Mindkét pilóta előtt ott volt a legfontosabb adatokat megjelenítő szemmagasságú kijelző (HUD) is és a bal szélvédőre egy takarást lehetett felhelyezni, imitálva azt a korlátozott kilátást, amellyel az űrrepülőgép pilótafülkéje is rendelkezett. A két pilóta mögött, középen egy mérnök ült, aki a szimulációs programot futtatta az utastérben elhelyezett számítógépen. A fedélzeten még így is maradt hely hat-nyolc utasnak.

Az űrrepülőgép pilótafülkéjével párhuzamosan korszerűsödött az STA-é is. A baloldalon már színes kijelzők vannak, de az oktató műszerei még hagyományosak. Később ez is módosult

A futóműveknél, a hajtóműveknél és a szárnymechanizációnál ugyancsak fontos módosítások történtek. Az orrfutót és a főfutókat egymástól függetlenül, külön-külön is ki lehetett engedni, a Rolls-Royce Spey hajtóművek sugárfékjeit a levegőben is aktiválhatták a pilóták, és mivel az űrrepülőgép kereszttengely körüli bólintó mozgása eltért a hagyományos repülőgépekétől, beépítettek egy DLC (Direct Lift Control) elnevezésű rendszert. A DLC segítségével a fékszárnyak és a fékszárny-csűrő funkciót betöltő flaperonok együtt felfelé is kitérhettek, a csűrőlap pedig a szokott módon működött. A gépet az űrhajós egy joystickszerű markolattal irányíthatta. A joystick kitérését a Sperry által kifejlesztett számítógép, az ADAS (Advanced Digital Avionic System) dolgozta fel és továbbította a kormánylapok és a szárnymechanizáció működtetését végző rendszerek felé. Az ADAS a használatos futópálya földrajzi helyzetének ismeretében az STA pillanatnyi pozíciójának, repülési magasságának és sebességének figyelembe vételével kiszámította a földet érési pontra vezető repülési profilt. A sugárféket az űrhajós a bal kezére eső konzolon lévő karral szükség szerint működtethette, a tolóerőt szintén az ADAS szabályozta. Ezzel az űrrepülőgép függőleges vezérsíkján lévő, kétfelé nyíló féklap – valójában az osztott oldalkormánylap - nyitását vagy zárását imitálhatta, ezzel is szabályozva a süllyedést. A normáltól eltérő repülési profil, a repülés közben aktivált sugárfék, a kiengedett főfutók légellenállása és a módosított szárnymechanizáció miatt a sárkány igénybevétele megnőtt, ezért egyes pontokon - a hajtómű pilonok bekötésénél, a törzs hátsó részén és a kilépőél törzshöz közeli szakaszán - megerősítették a szerkezetet.

Kiengedett főfutókkal siklik a 947-es STA

A Gulfstreamekkel ugyanazt a megközelítési eljárást gyakorolták, mint az űrrepülőgépé volt. A képen a Columbia siklik a második küldetését lezáró leszálláshoz a kaliforniai Edwards légierő bázison 1981. november 16-án

A kiképzőgépnek szánt első Gulfstream II-es 1974 májusára készült el, és az átalakítások után először 1975. szeptember 29-én szállt fel. A berepülési program során jelentkező problémák közül a kisebbiknek a sugárfék repülés közbeni működtetésekor keletkező vibráció bizonyult. Ezt a szerkezet többszöri módosításával sikerült elfogadható szintűre mérsékelni. A komolyabb gond a repülésvezérlő rendszernél jelentkezett, mert a szimulációs üzemmódban az STA lassan reagált a kormánymozdulatokra és hajlamos volt a pilóta által indukált oszcillációra (PIO). Ennek megoldása hosszabb időt igényelt, és végül az első, N946NA lajstromjelű gépet 1976-ban adták át a NASA-nak. Rövidesen követte a második, N947NA lajstromjelű STA is.  

Leszállás földetérés nélkül

Mielőtt az űrrepülőgépes leszállás-szimulációra sor került, a leendő űrpilóták legalább tíz hagyományos megközelítést hajtottak végre az STA-val, hogy tapasztalatot szerezzenek a géppel. Ez könnyen ment, hiszen a NASA által parancsnoknak vagy pilótának kiválogatott jelentkezők repülési tapasztalatuk mellett valamennyien berepülő pilóta gyakorlattal is rendelkeztek. Az STA-k bázisa a texasi El Paso volt, ahonnan háromfős személyzettel - az űrhajóssal, az oktatópilótával és a mérnökkel – szálltak fel a szimulációs repülésre. A felkészülés két órával a felszállás előtt kezdődött. A repülőgép körbejárása, külső, vizuális átvizsgálása és a fedélzeti rendszerek ellenőrzése a szimulációs mérnök feladata volt, közben a két pilóta részletes briefingen vette át a rájuk váró repülési feladatot. A felszállást és az emelkedést az oktatópilóta hajtotta végre és a repülés során nem csak az űrhajós tevékenységét kísérte figyelemmel, hanem biztonsági pilótaként bármikor megszakíthatta a szimulációt és visszavehette a gép vezetését. A leszállás gyakorlásának helyszíne az Új-Mexikó állambeli White Sands rakétakísérleti központ légtere és futópályája volt (később más helyszíneken is gyakoroltak). Miután az STA megkapta a belépési engedélyt a White Sands-i korlátozott légtérbe, a leszállás gyakorlásának kiinduló magasságára, 10 600 méterre már azon belül emelkedett, közben a mérnök előkészítette a számítógépet a szimulációs üzemmódra. A leszállás-szimuláció ideje alatt a korlátozott légtérben más forgalom nem volt, folyamatos radarkapcsolatban voltak az irányítással, és az űrhajós felhelyezte a szélvédő takarását, hogy ugyanaz legyen a kilátása, mintha az űrrepülőgépben ülne. Egy ellenőrzési procedúra után - kommunikáció, szárnymechanizáció, hajtóművezérlés, kabinnyomás – kezdődhetett a szimuláció.

Új-Mexikó homoksivataga felett repült az egyik STA, kísérője a NASA kétüléses T-38-asa

Az STA repülési iránya a leszállási iránnyal ellentétes volt, mintha egy iskolakör hosszúfalán repülnének. Amikor a földet érési ponttal egy vonalban voltak, az oktató a légellenállás növelése céljából kiengedte az STA főfutóit, 92 százalékos hajtómű teljesítmény mellett nyitotta a sugárféket és az ADAS bekapcsolásával szimulációs üzemmódra kapcsolt. Ezzel aktiválta a bal ülés kormányszerveit és átadta a gépet az űrhajósnak. Az űrhajóssal a szimuláció során a mérnök kommunikált, az oktató pedig figyelemmel kísérte a folyamatot, készen állva arra, hogy ha kell, visszavegye a gép irányítását.

A 2009. novemberi küldetésre készül az Atlantis parancsnoka, Charles Hobaugh, aki a felbocsátás és a visszatérés során használt űrruhában gyakorol az egyik Gulfstreammel

Miután az űrhajós átvette az STA-t, a HUD illetve a navigációs rendszer kijelzései alapján lerepült egy 180 fokos fordulót úgy, hogy a végén a futópálya tengelyében legyenek. Mivel a kiképzési repülést látva repülési szabályok (VFR) szerint hajtották végre, a pilótafülkéből kinézve vizuálisan is ellenőrizte, hogy hol járnak. A forduló közben a kezdeti 10 600 méterről 6 100 méterre süllyedtek, 510 km/h sebességet tartottak és 76 m/s-mal süllyedtek. Amikor az űrhajós befejezte a fordulót és a gép a pályatengelyben volt, távolsága a földet érési ponttól 12 kilométerre, magassága 3 600 méterre csökkent. Ekkor átnyomva a gépet 20 fokos távoli siklópályára vitte, a sebességet műszer szerinti 540 km/h-n stabilizálta és megcélozta a pályaküszöb előtt 2 200 méterre lévő pontot. Bal kezével szükség szerint szabályozhatta a sugárféket, imitálva az űrrepülőgép féklapjainak működését. Folyamatosan süllyedve, a 610 méter elérésekor 1,8 – 2,0 g-s túlterheléssel megtörte a siklószöget és elkezdte a kilebegtetést. Ez a közeli siklópálya 90 méteres magasságtól 1,5 fokos volt, az STA süllyedésének mértéke másodpercenként már csak centiméterekben volt mérhető és 45 méteren kiengedték az orrfutót. Ezzel egyrészt az űrrepülőgép futókibocsátását szimulálták, másrészt biztonsági szerepe volt arra az esetre, ha véletlenül földetérne a kiképzőgép. A földetérést jelző zöld fény akkor gyulladt ki, amikor az STA főfutói hat méterre voltak a pályától, az űrhajós szemmagassága pedig kilenc méteren. A gép tehát a valóságban nem érintette a földet, de az űrhajós érzékelte, hogy földetéréskor milyen magasból látja majd a pályát az űrrepülőgép üléséből.

Az STA-képzés nem minden fázisa igényelte a nehézkes űrruhát – űrhajós és oktatója a NASA kék overalljában repül. A pilóta előtt jól látszik a szélvédő részleges kitakarása

Ezen a ponton az oktató kikapcsolta a szimulációs üzemmódot, átvette a gépet, a sugárféket zárva növelte a teljesítményt, végrehajtotta az átstartolást és megkezdte az emelkedést a következő gyakorláshoz. Emelkedés közben a pilóta megnézhette a szimulációs számítógép által rögzített adatokat: a földetérési sebességet, a süllyedés mértékét, és az eltérést (távolságot) a kijelölt földet érési ponttól.  Az adatok segítségével repülés után részletesebb elemzést is végezhettek, és meggyőződhettek arról is, hogy van-e túlkormányzásra vagy a pilóta által indukált oszcillációra utaló tendencia. Hogy az űrhajós olyan dolgokkal is szembesüljön, amelyekkel a valódi űrrepülőgépen is találkozhat, az oktató különböző sebességű és siklószögű – akár 30 fokos - megközelítéseket kért, műszerhibát vagy navigációs zavart állított be. Az űrrepülésre való felkészülés során egy pilóta vagy űrrepülőgép-parancsnok legalább ötszáz szimulált leszállást hajtott végre az STA-val úgy, hogy a gép kerekei valójában nem is érintették a földet.

A kiképzőgépek egyéb felhasználása és kivonása

A kiképző Gulfstream II-esekkel a leszállás-szimuláció mellett más feladatokat is repültek, például közvetlenül az űrrepülőgép felbocsátása előtt időjárás felderítést végeztek. Az űrrepülőgép kényszerleszállására több hazai és tengerentúli helyszín is szolgált, attól függően, hogy a felbocsátás melyik szakaszában került volna sor a folyamat megszakítására és a visszatérésre. Az űrjármű a felbocsátás helyén, a floridai Kennedy űrközpont futópályáján is leszállhatott, de ennek lehetőségét ellenőrizni kellett. Az STA fejlett inerciális navigációs rendszere és differenciál GPS-e révén a hangsebesség alatti leszállási profil teljes vonalán ellenőrizhették, hogy van-e olyan időjárási jelenség, például szélnyírás, ami veszélyeztetheti a kényszerleszállást. A felbocsátáskor az STA-nak más szerep is jutott: nagy magasságban és persze kellő távolságban repülve fedélzetéről videó- és fényképfelvételeket készítettek az emelkedés korai szakaszáról. Ez sem merítette ki a gépek rendelkezésre állását, ezért rendszeresen végeztek személyszállítást - utasaik többnyire a kiképzés egyes helyszínei között utazó űrhajósok voltak - illetve egy természeti csapás esetén is használták őket, élelmiszert, ivóvizet, műszaki eszközöket szállítva a fedélzetükön. 

A harmadikként rendszeresített Shuttle Training Aircraft Floridában, a Kennedy űrközpontban, ahol szintén gyakorolták a leszállási manővert. Az STS-program története során a leszállások többsége ide történt

A leszállás után fékernyővel lassító Atlantist egy STA kíséri, kormányánál egy űrhajós kollégával

Az STA-üzemeltetés végét az STS-program kifutása jelentette. Hat űrrepülőgép készült: az Enterprise, a Columbia, a Challenger, a Discovery, az Atlantis, és az Endeavour. A csak földi tesztekre és légköri kísérleti repülésre tervezett Enterprise-szal öt repülést végeztek, mielőtt 1981. április 12-én a Columbia elstartolhatott Floridából az STS-1-es küldetésre. Összesen százharmincöt STS küldetés indult, az utolsót 2011. július 21-én az Atlantis-szal teljesítették. A program 30 éve alatt két űrrepülőgép semmisült meg, a Challenger 1986. január 28-án, felbocsátás közben (pótlására készült az Endeavour) és a Columbia, 2003. február 1-jén, visszatéréskor, a légkörbe lépés pillanataiban. Az űrrepülőgépes leszállás-szimulációk gyakorlására összesen négy Gulfstreamet használtak. A már említett első kettő után a harmadik (N944NA) 1984-től, a negyedik (N945NA) 1989-től segítette az űrhajósképzést. Az első két STA egyenesen a gyártótól érkezett, a harmadik és negyedik gépet viszont az üzleti repüléstől vette át a NASA. Az N945NA-t egy harmadik hajtóművel a szárnyán egy ideig hajtóműkísérletekhez is használták, mielőtt kiképzőgéppé átalakították. A négy gép segítségével kiképzett parancsnokok és pilóták közül 103-an vettek részt űrrepülésen – köztük három hölgy - és volt, aki többször is visszatért a világűrbe. A Gulfstream II-es jó választásnak bizonyult, jól tűrte az igénybevételt és a túlnyomásciklusok gyakori változását. A négy gép kivonását követően három példány alabamai, oregoni és texasi repülési és űrhajózási múzeumokba, egy pedig a NASA Neil A. Armstrong kísérleti központjába, a korábbi Dryden repülőkísérleti központba került.

***

A cikk nyomtatott változata az Aeromagazin 2025. augusztusi számában jelent meg. Fotó: NASA / Richard N. Clark, Jack Pfaller, Ben Smegelsky