شاتل فضایی چیست؟
شاتل فضايي، وسيله هوافضايي منحصر به فردي است كه ايالات متحده براي ماموريت‌هاي فضايي سرنشين‌دار خود از آن استفاده مي‌كند. بيش از دو دهه از عملياتي شدن اين سامانه مي‌گذرد. اين وسيله به نوعي نمادي از فناوري هوافضاي آمريكاست. شاتل فضايي در طول عمر عملياتي خود ركوردهاي فضايي بي‌شماري را ثبت كرده است...
مقدمه
شاتل فضايي، يك سامانه حمل و نقل فضايي سرنشين‌دار، قابل بازگشت و قابل استفاده مجدد است. امروزه ايالات متحده از اين وسيله براي حمل فضانوردان، ماهواره‌ها، ايستگاه‌هاي فضايي و مواد و تجهيزات مورد نياز ايستگاه‌هاي فضايي استفاده مي‌كند. «شاتل» در زبان انگليسي به معناي رفت وآمدكننده است.
اگرچه تاكنون ده‌ها بار شاتل فضايي به فضا پرتاب شده و بازگشته است، اما هنوز هر ماموريت جديد آن هيجان بسيار زيادي دارد كه حجم زيادي از اخبار علمي جهان را به خود اختصاص مي‌دهد. در حال حاضر ماموريت‌هاي شاتل براي خدمات‌رساني و تكميل ايستگاه فضايي بين‌المللي انجام مي‌پذيرد. شاتل فضايي در طول عمر خود دو بار، يكبار در سال 1986 حين پرتاب و يكبار در سال 2003 حين بازگشت، دچار سانحه شد و در مجموع 14 فضانورد ناسا در ماوريت‌هاي شاتل جان خود را از دست دادند. همين مساله باعث شد تا ناسا در شاتل فضايي تغييرات زيادي را به وجود آورد. حتي در مواردي پيشنهاد شد كه شاتل فضايي از رده خارج شود.
روس‌ها اگرچه پيشگامان عرصه فضا بودند، اما هرگز ايده استفاده از يك وسيله قابل بازگشت و استفاده مجدد را نپذيرفتند و آن را اقتصادي و بهينه نمي‌دانستند. البته آنها هم يك وسيله قابل استفاده مجدد موسوم به [بوران] را توليد كردند كه بسيار شبيه به شاتل فضايي آمريكايي‌ها بود، اما هرگز به مرحله عملياتي شدن نرسيد. (تصوير 5)
طراحان و مهندسان در طراحي مفهومي اين پروژه به اين نتيجه رسيدند كه قسمت رفت و برگشتي اين سامانه (يا همان شاتل در تصور عموم) بايد شبيه هواپيمايي با بال دلتا و بدنه نسبتاً پهن باشد كه قابليت حمل فضانورد و انواع محموله‌ها و همچنين پهلوگيري در فضا را داشته باشد [2]. همچنين دو موتور راكتي پيشران جامد بايد به عنوان بوستر در اولين مرحله پرتاب جهت تامين بيشتر نيروي پيشران ايفاي نقش كنند. اين دو موتور پس از خاموشي و سقوط در دريا قابل استفاده مجدد خواهند بود. تنها قسمت يكبار مصرف اين سامانه، تانك پيشران مايع بزرگي است كه وظيفه تأمين سوخت و اكسيدكننده مايع را براي موتورهاي راكتي شاتل در مراحل بالايي پرواز بر عهده دارد [2].
شركت راكول اينترنشنال كه در آن زمان [شركت راكول آمريكاي شمالي] نام داشت، طي قراردادي شش ساله، به عنوان پيمانكار اصلي براي ساخت بخش مدارگرد بازگشتي انتخاب شد. ساخت موتور پيشران مايع اصلي نيز كه در قسمت عقب همين مدارگرد تعبيه مي‌شد به يكي از زيرمجموعه‌هاي همين شركت، [راكت‌داين]، واگذار شد. ساخت بوسترهاي پيشران جامد نيز به طور مشترك به شركت‌هاي [تيوكول كِميكال]، [مك‌دانل داگلاس] و [يونايتد اسپيس بوسترز] واگذار شد. تيوكول طراحي و ساخت پيشران جامد را بر عهده داشت، مك‌دانل داگلاس موظف به توسعه سازه بوسترها بود و تست و مونتاژ هم بر عهده يونايتد اسپيس بود [3].
ناسا هر پرواز فضايي شاتل را با يك كد نشان مي‌دهد. در چهار ماموريت اول از اختصار [اُاِف‌تي] به معناي آزمايش پرواز مداري استفاده مي‌شد. بعداً با نامگذاري اين وسيله با عنوان سامانه حمل و نقل فضايي، از اختصار اس‌تي‌اس به جاي اُاِف‌تي استفاده مي‌شد [2]. اين روش كدگذاري تا سال 1983 (اس‌تي‌اس9) ادامه داشت. از آن به بعد، كد مشخصه هر عمليات فضايي شاتل يك اختصار سه مولفه‌اي بود. اولين مولفه عددي بود كه به سال پرتاب اشاره داشت. دومين مولفه پايگاه فضايي مورد استفاده در پرتاب را نشان مي‌داد (عدد 1 براي پايگاه كيپ كاناورال و 2 براي پايگاه [واندنبرگ]) و مولفه سوم كه يك حرف الفباي انگليسي بود، بيانگر چندمين پرتابي بود كه در آن سال و از آن پايگاه انجام مي‌شد. به عنوان نمونه، 41-B، يعني دومين پرتاب (B) از پايگاه فضايي كيپ كاناورال (1)، در سال 1984 (4) [2]. البته بايد توجه داشت كه هنوز هم در بسياري از مراجع كدگذاري اس‌تي‌اس رايج است.
پرواز اس‌تي‌اس4 در ژوئن 1982، آخرين پرواز فضايي آزمايشي شاتل بود كه با موفقيت انجام شد. شاتل در اين پرواز براي اولين بار يك محموله نظامي را حمل مي‌كرد. البته اين پرواز محموله‌هاي آزمايشي ديگري هم داشت. صحت عملكرد بسيار عالي و بيش از حد انتظار [بازوي جايگذاري از دور] كه توسط كانادايي‌ها ساخته شده بود نيز در همين پرواز به اثبات رسيد [2]. اين بازو كه 16 متر طول و 38 سانتي‌متر قطر دارد، مي‌تواند قطعات فضايي به جرم حداكثر 30 تن را در فضا گرفته و جابجا نمايد [4].
مشخصات شاتل فضایی
همان‌طور كه پيشتر نيز اشاره شد، شاتل فضايي يا سامانه حمل و نقل فضايي از سه قسمت اصلي تشكيل شده است:
-
[وسيله مدارگرد (اُوي)] (بخش اصلي)
-
[بوسترهاي پيشران جامد (اس‌آربي)] (موتورهاي راكتي جامد)
-
[مخزن پيشران خارجي (ئي‌تي)] (مخزن خارجي)
مدارگرد، كه گاهي به تنهايي شاتل فضايي خوانده مي شود، همان وسيله هواپيماشكلي است كه به زمين بازمي‌گردد و فرود مي‌آيد. بوسترهاي پيشران جامد پس از فاز اوليه پرتاب جدا شده و در دريا سقوط مي‌كنند تا دوباره مورد استفاده قرار گيرند. مخزن پيشران خارجي هم كه معمولاً در تصاوير با رنگ نارنجي مشخص است، پس از فاز نهايي پرتاب از مدارگرد جدا شده و در جو متلاشي مي‌شود. 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 [5]. براي مدار انتقالي زمين‌ثابت، قابليت حمل محموله به 3810 كيلوگرم مي‌رسد [1]. 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 [5]. 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.
مدارگرد از سه قسمت اصلي تشكيل شده است. در قسمت جلويي آن كابين كنترل و محل استقرار فضانوردان قرار دارد (تصاوير 20 و 21).
قسمت مياني مدارگرد با دارا بودن فضايي خالي با طول زياد، بستري براي حمل محموله‌ها است (تصاوير 22 و 23).
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 (تصاوير 24 و 25).
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.
تصوير 22- بخش مياني مدارگرد
تصوير 23- نماي داخلي قسمت مياني مدارگرد
تصوير 24- سه راكت انتهاي شاتل فضايي
تصوير 25- نماي موتورهاي راكتي شاتل فضايي
-
شاتل فضايي [پت‌فايندر] - [اُوي098] (فقط يك مدل غيرپروازي)
-
شاتل فضايي چلنجر - اُوي099 يا اس‌تي‌اِي099
-
شاتل فضايي انترپرايز – اُوي101 (فقط براي آزمايش‌هاي زيرمداري)
-
شاتل فضايي كلمبيا - اُوي102
-
شاتل فضايي ديسكاوري - اُوي103
-
شاتل فضايي آتلانتيس - اُوي104
-
شاتل فضايي انديور - اُوي105
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. (تصاوير 28 و 29)
بوسترهای پیشران جامد (موتورهای راکتی جامد)
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 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 [9].
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 [10])، اين مخزن جدا و در هوا متلاشي مي‌شود[9] و برخي بقاياي آن در اقيانوس هند يا اطلس سقوط مي‌كنند [10].
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.
ترجيح آن است كه مدارگرد بر روي باند فرود مركز فضايي كندي فرود آيد، اما در صورت اضطرار (مثلاً نامناسب بودن آب و هوا) فرود بر روي پايگاه‌هاي ديگري نظير پايگاه ادواردز نيز انجام مي‌شود و بعد شاتل بر پشت يك هواپيماي بوئينگ747 بهينه‌سازي شده به مركز فضايي كندي منتقل مي‌شود [4].
[2] - Millbrooke A., "Aviation History", Jeppesen Sanderson Training Products, First Edition, 1999.
[3] - Gatland K., "Illustrated Encyclopedia of Space Technology", Salamander Books, 1981.
[4] - Williamson M., "Cambridge Dictionary of Space Technology", Cambridge University Press, First Edition, 2001.
[5] - www.astronautix.com
[6] - www.wikipedia.org/Orbiter_Vehicle_Designation
[7] - www.nasa.gov/system_SRB
[8] - "MSFC-DOC-1622", Marshal Space Flight Center Standard Doc.
[9] - www.nasa.gov/system_ET
[10] - www.wikipedia.org/Space_Shuttle_external_tank
11 آبان ماه 1403
لباس فضایی چیست؟ چرا فضانوردان به لباس فضایی نیاز دارند؟
22 شهریور ماه 1403
مخازن سوخت هواپیما
22 شهریور ماه 1403
سوخت هواپیما چیست و انواع آن کدام است؟ (+کد سوخت)
7 فروردین ماه 1403
چگونه هواپیمای شخصی بخریم؟
7 فروردین ماه 1403
چگونه می‌توان فضانورد شد؟
23 دی ماه 1402
تأثیر فزاینده چاپ سه‌بعدی بر صنعت هوانوردی و هوافضا
-
مجید | سلام
از گستردگی مطالب شما لذت بردم و از آن در مطالب قابل ارائه استفاده می کنم
اگر در زمینه متالورژی مطلبی خواستید به من پیام بدهید.
مجید غفوری - نعمت اله قاضی | به امید ایرانی فراتر از خیال،سپاس از اطلاعات کامل شما
- ناشناس | ممنون مطالب فوق العاده خوب و کامل بودند باتشکر
-
عباس صدری | برایم بسیار جالب بود. واقعا هوشمندی وتلاش تلاشگران ستودنی است.
این کار یک نمونه ی عالی برای پیشبرد واقعی علم است. هرچند بعد از 55 سال تدریس دیگر توانی برایم نمانده است اما هنوز عاشق علم وپیشرفت های واقعی آنم. - مسیح رجایی | ازتون سپاس گذارم بخاطر زحمات گران قدرتون برای جمع آوری این مطالب مفید
-
abed | 11 خرداد ماه 1399
با ابنکه الان، یعنی سال 99 خوندم، بینهایت ذوق کردم و لذت بردم -
ناشناس | 15 آذر ماه 1400
شاتل های فضایی حدود یک دهه است که از دور خارج شدند از سال ۲۰۱۱ دیگه پروازی نبوده🤔🤔🤔
