I tre motori a razzo, chiamati SSME (Space Shuttle main engine), si trovano dietro l'orbiter e sono utilizzati insieme ai booster laterali a propellente solido per produrre la spinta necessaria a mettere la navetta in orbita. Questi motori a razzo a propellente liquido, una volta spenti non possono più essere riaccesi, ma hanno prestazioni che superano tutte le produzioni equivalenti passate e presenti. Ogni motore può generare circa 1,8 MN di spinta al decollo ed i tre motori possono generare un impulso specifico (Isp) di 453 secondi nel vuoto o 363 secondi a livello del mare, con velocità di scarico rispettivamente di 4 440 m/s e 3 560 m/s. In tutto un motore pesa circa 3,2 t. Dopo ogni missione i motori sono rimossi e trasportati allo Space Shuttle Main Engine Processing Facility per le ispezioni e le eventuali sostituzioni di componenti. Gli SSME sono progettati per accumulare 27 000 secondi di funzionamento (per un totale di 55 lanci con 8 minuti di funzionamento continuo), ma si stima che la sua vita operativa è di più di 15 000 secondi di funzionamento e 30 lanci. Questi motori traggono il loro carburante nel serbatoio esterno e non rivestono nessun'altra funzione nella durata della missione dopo che il serbatoio viene sganciato al termine della fase di ascesa. Se la spinta cumulativa risulta essere insufficiente per mettere l'orbiter nell'orbita corretta, può essere aggiunta anche la spinta dei due motori di manovra orbitale. I motori principali dello Shuttle sono stati oggetto di molti perfezionamenti per migliorare la affidabilità e aumentare la potenza. Ciò spiega come mai durante la procedura di lancio si possono sentire comandi curiosi, come Porta la potenza al 106%; questo non significa che i motori vengano portati oltre il limite: il valore del 100% è il livello di potenza dei motori principali originali. Attualmente, il contratto per la fornitura dei motori prevede un valore del 109%. I motori originali potevano arrivare al 102%; il 109% fu ottenuto nel 2001 con la fornitura Block II

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