Come si orientava lo space shuttle nello spazio? Aveva qualche sistema di navigazione particolare? Come a bordo gli astronauti capivano in che direzione stavano andando non avendo riferimenti visivi?

Non è esatto dire che a bordo dello Space Shuttle (e di ogni altro veicolo orbitale) gli astronauti non abbiano riferimenti visivi: il globo terrestre è un riferimento molto preciso su dove sia il "sopra" e il "sotto" e alcuni corpi celesti come Luna e Venere sono facilmente distinguibili.

Questo chiaramente fornisce solo dei riferimenti vaghi, che danno un’indicazione di massima del punto dell’orbita nel quale ci si trova e della direzione del moto, ma sono insufficienti per manovrare una navetta spaziale.
Per controllare e manovrare lo Space Shuttle, esso era dotato di un sistema di controllo d’assetto dotato di molti e diversi sensori, ciascuno adatto in una serie di circostanze.

La posizione e il vettore velocità erano forniti principalmente da un sistema GPS: dal momento che l’orbita dello Space Shuttle era di poche centinaia di km sopra la superficie terrestre, l’intera orbita era ben coperta dal sistema GPS (i cui satelliti orbitano a circa 20000 km di altezza dalla superficie terrestre) e forniva la posizione con sufficiente accuratezza per la maggior parte delle manovre. Inoltre la navetta era dotata di tre sistemi di navigazione inerziale a giroscopi, in grado di trasmettere al computer di bordo l’orientamento della navicella rispetto al centro della terra e alla direzione del moto.

Siccome questi sistemi a giroscopi tendono ad accumulare un errore nel corso della missione, vi erano inoltre due star-tracker, in pratica delle telecamere in grado di riconoscere le stelle inquadrate e confrontarle con cataloghi stellari, in modo da capire in che direzione è rivolta la telecamera.
Vi erano inoltre un radar a microonde, un sistema di osservazione visivo e due telemetri laser da usare durante le manovre di rendez-vous con altri veicoli spaziali e con la ISS.
Infine alcuni link radar con le stazioni di terra (sistema TACAN).

Durante il rientro in atmosfera, lo Shuttle si serviva inoltre di altimetri sia barometrici che laser e link a microonde con la base di atterraggio.

La maggior parte di questi sistemi passava attraverso il sistema FDIR (Fault Detection, Identification and Recovery) dei computer di bordo, che in pratica metteva a confronto i dati dai vari sistemi per capire se uno o più sensori erano guasti o fornivano dati errati, e in base a ciò escluderli dal controllo d’assetto.

Noti posizione, direzione di moto e assetto della navicella, lo Shuttle poteva compiere sia cambi d’assetto (ruotare su se stesso in tutte le direzioni) che cambi di orbita.
Per quanto riguarda il cambio d’assetto era dotato di un sistema chiamato RCS (Reaction Control System) costituito da una serie di razzetti a idrazina posti sia in testa che in coda. Per i cambi d’orbita si serviva dei sistema di manovra orbitale (OMS) formato da motori di medie dimensioni montati accanto ai motori principali usati durante l’ascesa.

Per un approfondimento sul sistema di guida e controllo dello Space Shuttle suggerisco la descrizione dal sito della NASA.