Nella foto il prototipo M2-F1 mentre esegue uno dei tanti voli di prova  nel 1966.

I Booster - I razzi recuperabili sono sistemati ai lati del grande serbatoio sotto la pancia della navetta. Chiamati dai tecnici SRB (solid rocket booster), costruiti dalla Thiokol ed alti circa 45 metri essi sono i più grandi razzi a propellente solido che abbiano mai volato. Vengono accesi al momento 0 del conto alla rovescia (T-0) e bruciano per 123 secondi, dopo di che si spengono a circa 50 chilometri di quota e vengono sganciati dal serbatoio principale. L’apertura di paracadute ne frena l’impatto con l’Oceano e qui vengono recuperati per poter essere riutilizzati fino anche a 20 volte.

Il serbatoio esterno - I tre motori principali della navetta hanno bisogno per funzionare di un’ingente quantità di idrogeno ed ossigeno liquidi entrambi stivati nel grande serbatoio attaccato alla navetta stessa e chiamato ET (External Tank, serbatoio esterno). Costruito dalla Martin Marietta è alto 48 metri ed è in lega di alluminio. Purtroppo questo è l’unico elemento del sistema di trasporto spaziale che va perduto ad ogni missione. Infatti consumate le 704 tonnellate di propellenti che contiene, a 103 chilometri di altezza viene sganciato dalla navetta e precipita con una traiettoria stabilita sull’Oceano Indiano dove brucia all’attrito con l’atmosfera.

L’Orbiter - Ma la vera meraviglia dello shuttle sono i tre motori principali dell’orbiter chiamati SSME (Shuttle Spacecraft Main Engine, motori principali astronave), infatti oltre ad essere fra i più potenti motori ad idrogeno ed ossigeno liquidi mai costruiti hanno la capacità di poter essere riutilizzati circa 50 volte. Un’altra capacità è quella di poter essere orientati e la loro potenza regolata dal 50 al 109 per cento. Quando, dopo 8 minuti dal lancio, i tre grandi motori SSME vengono spenti la navetta non è ancora collocata definitivamente nella sua orbita. L’ultimo lavoro di inserzione orbitale viene compiuto da altri motori sistemati in coda all’orbiter di fianco a quelli principali. Questi sono gli OMS (Orbital Maneuvering Subsystem, sottosistema di manovra orbitale) e sono costruiti dalla McDonnell Douglas. Il loro ruolo nella missione è rilevante perché oltre all’inserimento orbitale permettono di rendere circolare l’orbita , consentono dei trasferimenti su orbite diverse e il randez-vous con altri mezzi spaziali e per ultimo rendono possibile l’uscita dall’orbita ed il rientro a Terra. Anche gli OMS sono progettati per poter compiere circa 100 missioni. Per ultimi troviamo i piccoli motori di manovra chiamati RCS (Reaction Control System, sistema di controllo a reazione) , sono una quarantina e sono posti nel muso e nella coda dell’orbiter e servono per tutte le manovre più precise e delicate compresi i randez-vous.

La struttura della navetta è divisa in cinque sezioni principali: una è la parte anteriore che ospita la zona abitata dagli astronauti, poi c’è la parte intermedia costituita dall’enorme stiva di carico coperta da due portelloni apribili e nella zona posteriore i cinque motori (3 SSME e 2 OMS). A questo va poi aggiunto il timone verticale e le due tozze ali a delta.

La navetta non potrebbe resistere al calore sviluppato al momento del rientro con l’attrito dell’atmosfera e quindi tutto il suo scafo è rivestito da migliaia di mattonelle in materiale siliceo. Solo con questo modo si è riusciti a far si che l’orbiter riesca a sopravvivere ai circa 1500° centigradi che raggiungono alcuni suoi punti dello scafo al rientro.

A bordo l’energia necessaria per manovrare le valvole dei motori, far uscire i carrelli, muovere le superfici aerodinamiche viene fornita da tre unità che usano l’idrazina e sono chiamate APU mentre i computer, il braccio robotizzato e tutta l’energia elettrica di cui c’è bisogno a bordo viene fornita da tre celle a combustibile che funzionano grazie ad una reazione chimica e danno come sottoprodotto acqua che può essere bevuta dagli astronauti. Sono ben cinque i computer di bordo che permettono di poter controllare questa straordinaria macchina ed anche con uno solo funzionante il rientro a Terra è possibile. Le comunicazioni radio con la navetta vengono tenute, oltre che dalla rete fissa a Terra di antenne, anche grazie ai satelliti TDRS posti in orbita geostazionaria a 36.000 chilometri dal pianeta e permettono di poter essere in contatto costantemente.

Profilo di una missione – L’orbiter viene portato, dopo il rientro, nell’OPF (Orbiter Processing Facility, edificio in cui viene controllato e preparato per la nuova missione) e poi trasferito nell’enorme edificio, il VAB (Vertical Assembly Building), in cui venivano assemblati i giganteschi vettori Saturno. Qui viene posto in posizione verticale ed unito al serbatoio esterno ed ai due booster. A questo punto comincia il viaggio verso la rampa utilizzando un gigantesco trattore e dopo 24 ore di countdown avviene il lancio. A T-3 secondi si accendono gli SSME ed a T-0 i due SRB. Lo shuttle decolla e dopo un breve tratto verticale inclina la sua traiettoria ed arrivato a 50 chilometri e trascorsi due minuti e 24 secondi dal lancio i due SRB si distaccano ricadendo nell’Oceano Atlantico a 260 chilometri dalla base di lancio appesi a tre giganteschi paracadute. La navetta con la sua grande riserva di propellente prosegue la sua corsa ed allo scadere degli otto minuti e 39 secondi spegne i tre SSME e sgancia l’ET. A questo punto l’orbiter viaggia a 28.000 chilometri l’ora e due accensioni di un minuto dei due OMS permetteranno di rendere l’orbita circolare ed una quota fra i 250 e 500 chilometri a seconda della missione. A questo punto i due grandi portelloni della stiva vengono aperti permettendo ai radiatori posti su di essi di raffreddare i vari componenti elettronici della navetta e per esporre il carico utile, che può essere composto da satelliti da immettere in orbita o esperimenti, al vuoto dello spazio.

Qui inizia la seconda fase del rientro, la più difficile per certi aspetti, perché è a tale altezza che inizia "ufficialmente" l’atmosfera. La navetta volando alla velocità di 28 mila chilometri orari possiede una grande energia. Incontrando quindi gli strati atmosferici a tale velocità, la resistenza aerodinamica che si sviluppa è altissima e si trasforma in calore, che può raggiungere la temperatura di 1540° centigradi in alcuni punti dello scafo. La ionizzazione dell’aria crea uno scudo intorno alla navetta che impedisce il collegamento radio per circa 12 minuti. Quando esce dal silenzio radio lo shuttle è a circa 12 minuti dall’atterraggio (touchdown) e ad un’altezza di 55 chilometri, a 885 dalla pista e vola alla velocità di 13 mila chilometri orari. Una serie di ampie virate ad otto riescono a ridurre la velocità però lo shuttle scende ancora a circa 3000 metri al minuto e con un’inclinazione del muso verso l’alto di circa 20°. Quattordici secondi prima di toccare la pista scendono i carrelli e finalmente lo shuttle atterra ad una velocità di circa 350 chilometri orari e dopo pochi secondi si apre un paracadute che lo frena ulteriormente. Dopo circa 3000 metri di pista la navetta è ferma, il volo spaziale terminato.

Nella foto lo shuttle Columbia si appresta ad atterrare sulla pista di White Sands (New Mexico) al rientro dal suo primo storico volo. E' il 14 aprile 1981.

Immediatamente dopo l’arresto la navetta è circondata dagli automezzi specializzati nella pulizia dei motori dai quali vengono rimossi eventuali residui di propellente che potrebbero causare incidenti. Dopo circa 20 minuti l’equipaggio può scendere dallo shuttle con una scaletta come fosse un normale aereo di linea. A questo punto se l’atterraggio è avvenuto al Kennedy Space Center l’orbiter viene riportato direttamente nell’ OPF ma se la missione si è conclusa ad Edwards (California) o White Sands (Nuovo Messico) la navetta dovrà sobbarcarsi un costoso viaggio di rientro aggrappata ad uno speciale Jumbo 747 adattato allo scopo. Questo è uno dei motivi per cui la pista preferita di rientro si trova nello stesso luogo da dove lo shuttle decolla.