فضا درسیطره شاتل
پرواز، آرزوی دیرینه انسان بود اما تلاش و خلاقیت، درنهایت این آرزوی دست نیافتنی را برآورده کرد اما انسان با داشتن روحیه کمال طلبی، به پرواز قانع نبود و آرزوی سفر به ماه و فضا را در سر پرورانید و این بلند پروازی به ساخت فضاپیما منجر شد. اما دسترسي به فضا، بعنوان يكي از عجيب ترين كشفيات انسان، پيچيدگي و مشكلات خاص خود را داشت، چرا كه بايد بسياري از مشكلات را از سر راه خود بردارد، مثلا:
- وجود خلا در فضا
- مشكلات گرما و حرارت
- مشكل ورود مجدد به زمين
- مكانيك مدارها
- ذرات و باقي مانده هاي فضا
- تابش هاي كيهاني و خورشيدي
- طراحي امكانات براي ثابت نگه داشتن اشيا در بي وزني
برای رفع این مشکلات، انسان موفق شد فضاپیما و راکتی برای حمل آن طراحی کند که تاریخچه و مشخصات کلی آنها بشرح زیر است:
راکت
یکی از بزرگترين مشكلات سفر به فضا، ايجاد انرژي لازم براي بالا بردن فضاپيما از زمين بود که موجب پیدایش راکت گردید. راکت یک وسیله حمل و نقل فضایی، موشک یا فضاپیما است که در شاتلها وسفرهای فضایی که به جستجو و سیر در سیاره‌های دیگر مورد استفاده قرار میگیرد. راکت نیروی پیشران خود را از یک سیال که با فشار بیرون رانده می‌شود به‌دست می‌آورد و اساس کار راکت بر این مبنا استوار است که خروج گاز با فشار زیاد از یک طرف راکت موجب حرکت آن به طرف دیگر می شود. ورود راکت به صنعت فضانوردی به ابتدای قرن بیستم برمیگردد.
در اوایل قرن بیستم فردی روسی به نام تسیولکوفسکی این نظر را ارائه داد که مسافرت به فضا تنها با به کارگیری موشک امکانپذیر است. با این وجود ارزش واقعی این وسیله تنها به وسیله دانشمندان آلمانی شناخته شد. این دانشمندان به رهبری دانشمند جوانی به نام ورنر فون براوان با حمایت دولت آلمان به تولید موشکهایی برای ارتش پرداختند. معروفترین این موشکها یکی موشک V-1 (سلاح انتقام شماره 1) بود که در واقع می توان از آن به عنوان اولین موشک کروز یاد کرد و دومی موشک V-2 که اولین موشک بالستیک با سوخت مایع به شمار می رود و پس از پایان جنگ دوم جهانی دانش ساخت موشکهای نظامی پیشرفته توسط مهندسین آلمانی که به اسارت درآمده بودند به کشورهای پیروز در جنگ انتقال یافت. بروز جنگ سرد بین شوروی و آمریکا و تلاش برای انتقال کلاهکهای اتمی به نقاط دوردست و نیز مسابقه فضایی بین دو ابرقدرت شرق و غرب باعث پیشرفت سریعی در فناوری راکت در سالهای پس از جنگ شد و درنهایت مشکل انتقال فضاپیما به خارج از جو زمین مرتفع گردید.
فضاپیما
فضاپیما، اسپاش پیما، کیهان‌پیما یا سفینه فضایی وسیله نقلیه‌ای است که برای خروج از جو کره زمین طراحی شده‌است. فضاپیماها بر دو نوع سرنشین دار و بی‌سرنشین هستند. فضاپیماها برای منظورهای گوناگونی طراحی می‌شوند از جمله ماموریت‌های مخابراتی، دیدبانی ماهواره‌ای کره زمین، هواشناسی، ناوبری، اکتشاف سیارات، گردشگری فضایی و جنگ فضایی.
نمونه‌هایی از فضاپیماها
آمریکا
فضاپیمای دیسکاوری
فضاپیمای گالیله
فضاپیمای جمینای
فضاپیمای آپولو
فضاپیماهای مارینر
شاتل فضایی
ویجر-۱
کاسینی-هویگنس
روسیه
فضاپیمای سایوز
ایستگاه فضایی میر
ایستگاه‌های فضایی سالیوت
فضاپیمای ونرا
فضاپیمای واسخود
فضاپیمای وستوک
فضاپیمای فوبوس-گرونت
فضاپیمای بوران
اروپا
فضاپیمای ترابری خودکار
فضاپیمای آرتمیس
فضاپیمای گوچه
تلسکوپ فضایی هرشل
فضاپیمای مارس اکسپرس
فضاپیمای روزتا
فضاپیمای ونوس اکسپرس
چین
فضاپیمای شنژو
بین المللی
ایستگاه بین‌المللی فضایی
شاتلهای فضایی (به انگلیسی: Space Shuttle)
پس از فضاپیماهای مرکوری، جمینی و آپولو (که ماه را فتح کرد)، آمریکایی‌ها به سراغ سفینه‌های با قابلیت رفت و برگشت رفتند و بدین سان، از ترکیب راکت و فضاپیما، شاتلهای فضایی متولد شدند. شاتل فضایی اولین فضاپیمای جهان است که قابلیت به کارگیری دوباره را دارد. شاتل همچون یک راکت پرتاب می‌شود، در مدار همچون یک فضاپیما حرکت می‌کند و همچون یک هواپیما به زمین می‌نشیند. شاتل تنها وسیله‌ای که می‌تواند تجهیزات بزرگ را به ایستگاه بین‌المللی ببرد و از آنجا به زمین بیاورد.
کلمبیا، اولین شاتلی بود که در سال 1981 به فضا پرتاب شد. شاتل نقش بسیار اساسی در کار ساخت و ساز ایستگاه بین‌المللی دارد. این فضاپیمای علاوه بر آن در پیشبرد پروژه تلسکوپ فضایی هابل نقش داشته است و بدون حضور آن پروژه‌های ارسال فضاپیما به مشتری، زحل و ... امکانپذیر نبود. همچنین درآزمایشگاه‌های درون شاتل صدها آزمایش انجام شده است که به دانشمندان، اطلاعات با ارزشی در مورد گرانش زمین داده است. در عرشه کنترل این فضاپیما 4 صندلی قرار دارد که با نشستن در هرکدام از آنها می‌توان فضاپیما را کنترل کرد؛ این حالت برای مواقع اظطراری در نظر گرفته شده است. در عرشه کنترل شاتل بیش از 2020 نشانگر و صفحه کنترل مجزا قرار دارد. از این نشانگر‌ها برای کنترل شاتل و بارگذاری آن درایستگاه بین‌المللی فضایی استفاده می‌شود. سه بخش اصلی آن مدارپیما، موشکهای تقویت کننده، و مخزن بیرونی سوخت می‌باشد. کاشی‌های ویژه مقاوم در برابر گرما مانع از سوختن مدارپیما به هنگام بازگشت به جو زمین می‌شوند. بازوی قابل کنترل از راه دور تعبیه شده در مخزن محموله مدارپیما، می‌تواند ماهواره‌ها را در فضا قرار دهد؛ و همچون سکویی ثابت برای کار فضانوردان عمل کند. شاتلها تا 7 مسافر و 25 تن تجهیزات را در خود جای می‌دهند و زمان طولانی‌تری را در مدار زمین به سر می‌برند. آنها همچنین به یک بازوی روباتیک مجهز هستند که به کمک آن می‌توانند ماهواره‌ها را به دام انداخته، اقدامات لازم را در مورد تعمیرات یا انتقال آن صورت دهند.
فضاپیماهای شاتل
فضاپیمای انترپرایز (آمریکا)، آزمایشی
فضاپیمای راه یاب (آمریکا)، آزمایشی
فضاپیمای دیسکاوری (آمریکا)
فضاپیمای آتلانتیس (آمریکا)
فضاپیمای اندور (آمریکا)
فضاپیمای کلمبیا (آمریکا)، از بین رفته
فضاپیمای چلنجر (آمریکا)، از بین رفته
بوران (روسیه)، بلا استفاده
تاکنون هشت شاتل به نام‌های انترپرایز، راه یاب (پث فایندر)، کلمبیا، چلنجر، دیسکاوری، آتلانتیس، اِندِور و بوران ساخته شده که دو شاتل نخست، ناکامل و برای آزمایش‌ها و بررسی‌ها ساخته شده‌اند. از میان پنج شاتل بعدی نیز، چلنجر و کلمبیا دچار سانحه شده و باعث کشته شدن 14 فضانورد و از دست رفتن دو فضاپیمای شاتل شد. به این ترتیب که چلنجر در سال 1986 و لحظاتی پس از پرتاب منفجر شد و کلمبیا در سال 2003 هنگام ورود دوباره به جو زمین متلاشی شد ودر حال حاضر، تنها سه شاتل دیسکاوری، آتلانتیس و اندیور مشغول فعالیت هستند و روسیه به دلیل اینکه شاتلهای فضایی بسیار هزینه‌بر هستند، به طوری که غیر از هزینه‌های نگهداری و تعمیرات، پرتاب آن فقط پانصد میلیون دلار هزینه در بر دارد از شاتل فضایی قدرتمند خود( بوران)، با امکانات ناوبری پیشرفته و قدرت حمل 30 تن تجهیزات، که یک سر و گردن بالاتر از همتای آمریکایی خود است صرف نظر کرد.
ظرفیت شاتلها
شاتل فضايي قادر است تا محموله 24400 كيلوگرمي را تا مدار 204 كيلومتري حمل كند. اگر محموله براي ايستگاه فضايي بين‌المللي باشد كه در ارتفاع حدود 400 كيلومتري قرار دارد، اين قابليت حمل به 12500 كيلوگرم كاهش مي‌يابد. براي مدار انتقالي زمين‌ثابت، قابليت حمل محموله به 3810 كيلوگرم مي‌رسد. اين آمار براي شاتل‌هاي بعد از سانحه چلنجرارائه شده است. تا قبل از چلنجر، قابليت حمل محموله حدود 15 درصد بيشتر بود كه بعد از آن در جهت افزايش ايمني عمليات‌ها اين قابليت حمل كاهش يافت . البته مدارگردهاي مختلف به لحاظ وزني مقدار اندكي با هم متفاوتند كه اين مساله مي‌تواند روي قابليت حمل محموله موثر باشد. همچنين در طول بيش از دو دهه برنامه شاتل فضايي، وزن قسمت‌هايي از اين وسيله مانند مخزن خارجي نيز چند بار كم شده است، كه اين مساله هم بر روي توانايي شاتل در حمل محموله موثر بوده است.
اجزای شاتل
مدار گرد
مدارگرد، كه گاهي به تنهايي شاتل فضايي خوانده مي شود، وظیفه حمل فضانوردان و محموله‌ها به فضا و بازگرداندن آنها به زمين را بر عهده دارد و شبيه به يك هواپيما با دو بال دلتا و دمي عمودي است. مدارگرد به هنگام بازگشت به زمين درست مانند يك هواسُر عمل مي‌كند و بدون هيچ‌گونه نيروي پيشران بر روي باند فرود مي‌آيد. مدارگرد از سه قسمت اصلي تشكيل شده است. در قسمت جلويي آن كابين كنترل و محل استقرار فضانوردان قرار دارد. قسمت مياني مدارگرد با دارا بودن فضايي خالي با طول زياد، بستري براي حمل محموله‌ها است. در قسمت عقبي شاتل نيز سه موتور پيشران مايع قرار دارند كه در هنگام پرتاب از مخزن سوخت خارجي تغذيه شده و بخشي از نيروي رانش مرحله اول و تمام نيروي مرحله دوم پرتاب را تامين مي‌كنند. هر يك از اين موتورها، نيروي رانشي معادل 1/2 ميليون نيوتن در خلاء و 67/1 ميليون نيوتن را در سطح دريا تامين مي‌كنند. نسبت سوخت (هيدروژن مايع) به اكسيدكننده (اكسيژن مايع) در آنها 6 به 1 است. تمام مدارگردها داراي ابعاد كاملاً يكساني هستند و تنها از نظر برخي ويژگي‌هاي سامانه‌اي با هم تفاوت دارند. مدل‌هاي جديدتر به لحاظ سازه‌اي سبك‌تر شده‌اند و بنابراين قابليت حمل سامانه و محموله آنها افزايش پيدا كرده است . همين تفاوت‌ها باعث مي‌شود تا به لحاظ قابليت ماموريت نيز تفاوت‌هايي داشته باشند. هر مدارگرد براي حمل 4 الي 7 فضانورد (كه دو نفر آنها حتماً خلبان هستند) طراحي شده است. گرچه ماموريت با 8 فضانورد نيز تجربه شده است. مدارگردها قادر هستند در موارد اضطراري تا 11 نفر را نيز با خود به زمين بازگردانند هر مدارگرد داراي سامانه‌اي موسوم به (مانور مداري) است كه براي مانورهاي مداري آن در فضا طراحي شده است. اين سامانه كه در قسمت عقب (كنار دم) مدارگرد تعبيه شده، از دو موتور پيشران مايع هر يك با نيروي رانش 26700 نيوتن تشكيل شده است. در كنار اين سامانه مداري، (سامانه كنترل عكس‌العملي) شامل 24 پيشرانه 3870 نيوتني وچهار موتور ورنيه نيز بكار گرفته شده است. علاوه بر همه اينها، 14 پيشرانه فضايي ودو موتور ورنيه نيز در قسمت دماغه شاتل وجود دارند. همه اين پيشرانه‌ها از پيشران مايع مونومتيل هيدرازين و تترا اكسيد نيتروژن استفاده مي‌كنند. سازه مدارگرد بيشتر از آلومينيوم ساخته شده است اما سازه‌هاي پشتيبان موتورهاي راكتي آن بيشتر از آلياژ تيتانيوم است. بازوي رباتي يا جايگذاري از راه دور نيز كه قبلاً توضيح داده شد، يكي از سامانه‌هاي جانبي مهم مدارگرد است كه در طول بستر بار آن قراردارد. يكي از مهم‌ترين و حساس‌ترين بخش‌هاي مدارگرد، كاشي‌هاي عايق حرارتي هستند كه در زير بدنه، بال و دماغه شاتل به‌صورت سرتاسري نصب مي‌شوند تا در هنگام ورود مجدد مدارگرد به زمين جلوي نفوذ حرارت چندين هزار درجه‌اي را به شاتل بگيرند. سانحه دوم شاتل فضايي به خاطر نقص به وجود آمده در يكي از همين عايق‌ها بود. طول دهانه بال مدارگرد 79/23 متر و طول بدنه آن 24/37 متر است. جنس سازه اصلي تشكيل دهنده مدارگرد عمدتا از آلومينيوم است اما سازه پشتيبان سامانه پيشرانش آن از آلياژ تيتانيوم ساخته شده است.
بوستر سوخت جامد
دو بوستر پيشران جامد شاتل فضايي به رنگ سفيد بوده و در طرفين مخزن خارجي نصب مي‌شوند. اين دو بوستر نقش اصلي را در مرحله اول پرتاب شاتل فضايي بر عهده دارند. بوسترها پس از حدود 2 دقيقه و در ارتفاع حدود 45700 متري (150000 پايي) از سامانه جدا مي‌شوند و وسيله به كمك چتر در اقيانوس سقوط مي‌كنند و سپس به وسيله يدك‌كش‌هاي مخصوصي از آب گرفته شده و جهت بازيافت و استفاده مجدد مورد استفاده قرار مي‌گيرند. پيشران بوسترها از نوع جامد است. 16 درصد پودر آلومينيوم اتميزه شده به عنوان سوخت، 8/69 درصد پركلرات آلومينيوم به عنوان اكسيدكننده، 2/0 درصد اكسيد آهن به عنوان كاتاليزور، 12 درصد اسيد اكريلونيت به عنوان بايندر و 2 درصد اپوكسي به عنوان ماده مخصوص پخت، تركيبات اين پيشران را تشكيل مي‌دهند . هر بوستر در راستاي طولي از پنج قسمت مجزا تشكيل شده كه در هنگام آماده‌سازي براي پرتاب مونتاژ مي‌شوند. در قسمت نوك بوسترها چند موتور راكتي كوچك در جهت معكوس تعبيه شده كه در هنگام جدايش عمل مي‌كنند. بوسترها با استفاده از سامانه نازل متحرك خود، در كنترل كل شاتل در مرحله اول پرتاب نيز نقش ايفا مي‌كنند. علت اصلي بروز سانحه چلنجر، نقص در يكي از اورينگ‌هاي (واشر عايق حلقه‌اي) عايق بخش انتهايي يكي از بوسترها بود. بعد از اين حادثه، تغييرات زيادي به لحاظ مهندسي در سامانه بوسترها صورت پذيرفت.
مخزن پیشران خارجی
مخزن پيشران مايع خارجي، محفظه‌اي است براي نگهداري هيدروژن و اكسيژن مايع كه در موتورهاي راكتي پيشران مايع نصب شده در پشت مدارگرد، تزريق مي‌شوند. اين مخزن عظيم در اولين شاتلها سفيدرنگ بود. اما بعد از اين كه مشخص شد اين رنگ هيچ اثر مثبت مكانيكي بر روي مخزن ندارد، از رنگ زدن آن خودداري شد و بدين ترتيب، 272 كيلوگرم از وزن آن كاسته شد. رنگ نارنجي اين مخزن مربوط به رنگ پرايمر آن است . پس از جدايش بوسترها در انتهاي مرحله اول پرتاب و در ارتفاع 45 كيلومتري، مدارگرد با استفاده از پيشران موجود در اين مخزن، تا ارتفاع 113 كيلومتري بالا مي‌رود. حدود 5/8 دقيقه بعد از لحظه پرتاب (10 ثانيه بعد از خاموشي موتورهاي راكتي عقبي مدارگرد، اين مخزن جدا و در هوا متلاشي مي‌شود و برخي بقاياي آن در اقيانوس هند يا اطلس سقوط مي‌كنند. اين مخزن حاوي 5/1 ميليون ليتر اكسيژن مايع و 5/0 ميليون ليتر هيدروژن مايع در هنگام پرتاب است. پوسته مخزن با ضخامت 5/2 سانتي‌متر، پوششي از فومِ (پلي‌ايزو‌سيانورات) دارد. جنس مخازن هيدروژن و اكسيژن آن از آلومينيوم 2090 و 2195 است كه براي نگهداري مايعات (كرايژنيك) بسيار مناسب است. مخازن اكسيژن و هيدروژن آن به گونه‌اي طراحي شده است كه جلوي تلاطم مايعات داخل آنها را مي‌گيرند. طول اين مخزن 9/46 متر و قطر آن 4/8 متر است. وزن خالي آن بارها دستخوش تغيير شده اما حدوداً 26 تن است. سازه مخزن به نوعي رابط و پشتيباني براي كل مجموعه است.
