کافه خوندنی

تصور کنید روی صندلی فضاپیمایی که هزاران تن سوخت قابل انفجار در موشک خود دارد، نشسته اید و در حالی که لباس مخصوص فضایی به تن دارید ناگهان صدای غرش بلندی را شنیده و ارتعاش شدیدی را احساس می کنید.

موتورهای اصلی نوبت به نوبت روشن شده اند و در عرض 6 ثانیه موتورهای تقویت کننده هم روشن می شوند. کابین به شدت تکان می خورد و شما از زمین بلند می شوید و در عرض 8.5 دقیقه شما در خارج از جو زمین خواهید بود. شاید ماموریت شما انتقال آب و غذا و اکسیژن به ایستگاه فضایی بین المللی یا قرار دادن یک ماهواره در مدار و یا تعمیر یک ماهواره در فضا باشد.

پرواز با شاتل فضایی اینگونه وصف شده است. ولی به راستی شاتل فضایی چیست؟ چگونه کار می کند و چه تفاوتی با فضاپیماهای دیگر دارد؟

تاریخچه شاتل فضایی

درانتهای ماموریت های فضایی آپولو، مقامات سازمان ناسا برنامه آینده فضایی ایالات متحده را بررسی می کردند. در آن زمان فضانوردان و تجهیزات فضایی توسط موشک های یکبار مصرف به فضا ارسال می شدند. آنها به وسیله ای مطمئن و در عین حال کم هزینه نیاز داشتند که بتوانند از آن چندین بار استفاده کنند. برای ارسال 2 میلیون کیلوگرم تجهیزات و فضانورد به مدار 185 تا 643 کیلومتری بالای سطح زمین، این فضاپیمای جدید نیاز به سه موتور اصلی و مخزن سوخت بیرونی و دو موشک جامد تقویت کننده و نیز سیستم مدیریت مقصد داشت. به این ترتیب ایده شاتل فضایی توسط مهندسان علوم فضایی مطرح گردید. ناسا شروع به مطالعه و طراحی شاتل فضایی کرد و بالاخره پس ازگذشت 9 سال تحقیق و آزمایش روی بخشهای مختلف، پنج فروند از این ناوها را که سامانه حمل و نقل فضایی یا شاتل فضایی نامیده شدند، به خدمت گرفت. فضاپیماهای اینترپرایز، کلمبیا، چلنجر، دیسکاوری و آتلانتیس،  به تدریج از اوایل دهه 1980 میلادی تحویل ناسا گردید. بعدها پس از انفجار چلنجر، یک فروند دیگر نیز با نام ایندیور به ناوگان فضایی ناسا افزوده شد. شاتل اینترپرایز تنها برای آموزش فضانوردان و آزمایش دستگاه های آن در شرایط پرواز زمینی به کار برده شد و هیچ گاه به فضا نرفت.

نخستین پرواز شاتل در تاریخ 12 آوریل سال 1981 میلادی، با شاتل کلمبیا و با خلبانی جان یانگ و رابرت کریمن با موفقیت انجام شد و بدین ترتیب شاتل های فضایی وارد عرصه برنامه های فضایی شدند.

بخش های اصلی شاتل

شاتل فضایی دارای سه بخش اصلی می باشد که عبارتند از:

1 - مدارگرد (واحد مستقر کننده در مدار که سرنشینان و بار را در خود جای می دهد).

2 - دو موشک تقویت کننده با سوخت جامد (که بیش ترین نیروی پیش ران را در دو دقیقه آغازین پرواز فراهم می نماید)

3 - مخزن سوخت بیرونی (که سوخت موتورهای اصلی را با خود حمل می کند).

• مدارگرد

مدارگرد بخش اصلی سامانه حمل و نقل فضایی را تشکیل می دهد. این بخش را معمولاً با نام شاتل می شناسیم. مدارگرد به مخزن بزرگ سوخت مایع نارنجی رنگ متصل است و از هیدروژن و اکسیژن مایع موجود در آن، برای بالا رفتن استفاده می کند.

طول مدارگرد در حدود 37 متر، عرض آن از انتهای یک بال تا انتهای بال دیگر 24 متر، وزن آن 68 تن و ارتفاع آن در حالت ایستاده روی سکوی پرتاب  17 متر می باشد. در بخش جلویی مدارپیما، کابین خدمه قرار دارد و به طور میانگین گنجایش 7 نفر و در شرایط اضطراری، 10 نفر را داراست. در قسمت میانی مدارپیما، محفظه باری با ابعاد 18 متر در 4.6 متر تعبیه شده که بیشتر حجم بدنه را به خود اختصاص داده است که درون آن تجهیزات و بازوی مکانیکی قرار دارد و وقتی مدارپیما به مدار مورد نظر رسید، دربهای بالای بدنه باز می شوند و تجهیزات توسط بازوی مکانیکی، در مدار قرار می گیرند. در دماغه مدارپیما هم دربهای مخصوصی قرار دارند تا خدمه بتوانند از آن بیرون بیایند و خارج از مدارپیما به کارهای نصب و تعمیرات ایستگاههای فضایی و ماهواره ها بپردازند.

بدنه مدارگرد از آلیاژ آلومینیوم، موتورهای اصلی از آلیاژ تیتانیوم و سطح زیرین آن از سرامیک ساخته شده است.

در قسمت دم مدارپیما، دو موتور و در دماغه آن 14 موتور جت کوچک قرار داده شده است که از این موتورها، برای قرار دادن مدارگرد در مدار نهایی و یا تغییر مکان آن از مداری به مدار دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. در درون این موتورها دو مخزن هلیم و اکسیژن مایع قرار دارد که در نبود اکسیژن در فضا، به راحتی با هم ترکیب شده و آتش می گیرند و بدین ترتیب نیروی لازم برای جهش مدارگرد در فضا را فراهم می کنند. مدارگرد قادر است بسته به ماموریت خود، به مدت 7 یا 8 روز و در شرایط اضطراری تا 14 روز در مدار باقی بماند.

• موشکهای جامد تقویت کننده

موشکهای جامد تقویت کننده، بیشترین نیرو (حدود 71%) را برای بلند کردن شاتل فضایی از سکوی پرتاب فراهم می کنند. سوخت این موشکها، معمولاً پودر آلومینیوم (به عنوان سوخت اصلی) و پرکلرات آمونیوم (به عنوان اکسید کننده آتش زا) می باشد. موشکهای جامد آخرین بخشی هستند که پس از اجازه پرتاب روشن می شوند، چون پس از آتش گرفتن دیگر قابل خاموش کردن نیستند. ارتفاع هر یک از این موشکها ۴۶ متر و وزن آنها همراه با سوخت به 600 تن می رسد. داخل هر یک از این موشکها، سوخت جامد، موتور احتراق، سیستم کنترل رها شدن از مدارپیما و چتر فرود (برای فرود سالم در اقیانوس و استفاده مجدد از موشکها) تعبیه شده است.

• مخزن سوخت بیرونی

مخزن سوخت بیرونی، سوخت مایع موتورهای اصلی را در خود ذخیره دارد. ارتفاع این مخزن 48 متر، وزن مخزن خالی 34 تن و قطر آن 8.4 متر می باشد و قادر است 2 میلیون لیتر سوخت (با نسبت اکسیژن یک و هیدروژن 6 واحد) را در خود نگاه دارد. سه موتور روی مدارپیما (هرکدام با ارتفاع 4.3 متر و عرض 2.3  متر) نصب شده اند که سوخت مخزن بیرونی را که شامل هیدروژن و اکسیژن مایع است را باهم ترکیب کرده و باقیمانده نیرو را (حدود ۲۹%) برای بلند کردن شاتل فراهم می کند. مخزن سوخت بیرونی نارنجی رنگ، باعث پایداری شاتل در طول پرتاب است و اتصال مدارگرد و بوسترهای سوخت جامد را فراهم می آورد. این بخش تنها بخش یکبار مصرف فضاپیمای شاتل را تشکیل می دهد. زمانی که موشکهای سوخت جامد در ارتفاعی نزدیک به 45 کیلومتری جدا شد، مدارگرد که هنوز با موتورهای اصلی خود در حال مصرف سوخت است، مخزن خارجی را تا ارتفاعی برابر با 113 کیلومتر بالا می برد و تنها 8.5 دقیقه پس از پرتاب، این مخزن در حالی که از سوخت خالی شده است، از شاتل جدا می شود و در جو سقوط می کند و آنچه که باقی می ماند روانه اقیانوس می گردد.

مراحل پرتاب شاتل به فضا

پس از آنکه شاتل در سکوی پرتاب آماده پرتاب شد از 31 ثانیه قبل از پرتاب مراحل زیر اتفاق می افتد:

31 ثانیه قبل از پرتاب:

کامپیوترهای مرکزی تمام کنترل ها را بر عهده می گیرند.

6.6 ثانیه قبل از پرتاب:

موتورهای اصلی نوبت به نوبت روشن می شوند و به 90% قدرت خود می رسند.

3 ثانیه قبل از پرتاب:

موتورهای اصلی آماده پرتاب شاتل به فضا هستند.

لحظه پرتاب:

موشکهای جامد تقویت کننده آتش می گیرند.

20 ثانیه بعد از پرتاب:

شاتل به طور مستقیم به فضا پرتاب می شود.

60 ثانیه بعد از پرتاب:

موتورهای اصلی به 100% قدرت خود می رسند.

2 دقیقه بعد از پرتاب:

در ارتفاع 45 کیلومتری، موشکهای جامد تقویت کننده از شاتل جدا می شوند. (در این لحظه چتر نجات موشکهای جدا شده، باز می شوند تا ۲۰۰ کیلومتر دورتر و در اقیانوس آرام کشتی ها این موشکها را از آب بگیرند).

8.5 دقیقه بعد از پرتاب:

موتورهای اصلی خاموش می شوند.

9 دقیقه بعد از پرتاب:

مخزن سوخت بیرونی از شاتل جدا می شود و بخاطر برخورد با جو زمین، از بین می رود.

10.5 دقیقه بعد از پرتاب:

موتورهای سیستم مدیریت مقصد روشن می شوند تا شاتل را در مدار پایینی قرار دهند.

45 دقیقه بعد از پرتاب:

موتورهای سیستم مدیریت مقصد دوباره روشن می شوند تا شاتل را در مدار بالایی (ارتفاع 400 کیلومتری از سطح زمین) قرار دهند.

اکنون شاتل به یک مدارپیما تبدیل شده و در خارج از جو آماده ادامه ماموریت می باشد.

مرحله بازگشت شاتل به زمین

پس از اتمام ماموریت مدارپیما در مدار، نوبت به حساس ترین بخش سفر یعنی بازگشت به زمین می رسد. ابتدا مدارپیما باید 180 درجه گردش کرده، سپس تحت زاویه خاص (28 تا 36 درجه) بچرخد تا سطح زیرین آن با اتمسفر زمین برخورد کند. مدارپیما در این حالت با سرعت 28 هزار کیلومتر در ساعت از اتمسفر زمین عبور می کند و دمای سطح زیرین آن در این لحظه به بیش از 1000 درجه سانتیگراد می رسد (به همین دلیل است که سطح زیرین مدارپیما را با عایق های حرارتی که از جنس سرامیک می باشد، می پوشانند).

پس از اینکه مدارپیما از جو عبور کرد به ارتفاعی می رسد که غلظت هوا در آنجا زیاد است. از این به بعد مدارپیما مانند هواپیما با کمک بالهای خود، تحت زاویه 40  درجه و سپس 20 درجه به طرف زمین مانور می دهد تا سرعت سقوطش کم شود. پس از اینکه مدارپیما به باند فرود رسید، دماغه را بالا می آورد و سپس چتر سرعت گیر خود را باز می کند تا آرام روی باند توقف کند.

انفجار شاتل چلنجر

در 28 ژانویه سال 1986، قرار بود که شاتل چلنجر بیست و پنچمین ماموریت خود را انجام دهد که متاسفانه تنها 73 ثانیه پس از پرتاب در ارتفاع  15 هزار پایی منفجر شد و هر هفت خدمه آن جان باختند. در بین خدمه این فضاپیما، معلمی با نام کریستا مک آلیف حضور داشت که طبق برنامه قرار بود به عنوان اولین معلم به فضا سفر کند. این حادثه غم انگیز در حالی اتفاق افتاد که میلیون ها دانش آموز در سراسر دنیا از طریق تلویزیون شاهد آن بودند.

این حادثه در سواحل فلوریدا و بر فراز اقیانوس اطلس در ساعت 11:39 صبح به وقت محلی، به علت نقص واشر حلقه ای بوستر سمت راست شاتل رخ داد. نقص واشر در محل اتصال آن، شکافی در بوستر ایجاد کرده بود. این شکاف باعث نفوذ شعله به بیرون راکت، رسیدن آن به تجهیزات اطراف و مخزن خارجی سوخت و در نهایت جدا شدن بوستر سمت راست و شکست ساختار مخزن شد. با انفجار مخزن، شاتل منهدم شد و هر هفت سرنشین آن کشته شدند.

انفجار شاتل چلنجر، برای برنامه های فضایی ایالات متحده پایان ناخوشایندی را رقم زد. قطعات متلاشی شده فضاپیما طی عملیات بازیافت از کف اقیانوس جمع آوری شدند.

انفجار شاتل کلمبیا

شاتل فضایی کلمبیا، اول فوریه سال 2003 میلادی، در مرحله بازگشت به جو زمین، کمی پیش از آنکه بیست و هشتمین ماموریت خود را به پایان رساند بر فراز ایالت تگزاس، در ارتفاع 200 هزار پایی بالای سطح زمین منفجر شد و هر هفت سرنشین آن جان باختند. این حادثه ناگوار، پس از تراژدی چلنجر در سال 1986، بدترین حادثه فضایی ایالات متحده محسوب می شود. پیش از کلمبیا، ناسا هیچ یک از فضاپیماهای خود (اعم از سرنشین دار یا بی سرنشین) را در مرحله بازگشت به زمین از دست نداده بود.

این انفجار به دلیل نقصی بود که هنگام پرتاب در عایق کاری مخزن خارجی سوخت ایجاد شده بود بدین صورت که قطعه کوچکی از فوم های عایق کاری به اندازه یک کیف جیبی تحت نیروهای آیرودینامیکی پرتاب، از مخزن اصلی سوخت جدا شده و به لبه بال سمت چپ شاتل در محل سفال های عایق کاری برخورد و به سامانه حفاظت حرارتی شاتل آسیب وارد کرده بود. البته پیش از آن نیز در بسیاری از پرتاب های شاتل ضربه خرده فوم های جدا شده از مخزن سوخت، بدنه شاتل را زخمی کرده بودند اما این موضوع هیچگاه سبب بروز آسیبی چنین جدی نشده بود. این بار نواحی خسارت دیده باعث شده بودند در طول بازگشت به جو گازهای داغ به داخل ساختار فضاپیما نفوذ کنند و موجب در هم ریختن سازه بال و در نهایت سبب از بین رفتن فضاپیما در هنگام فرود شوند. پس از وقوع حادثه، بقایای خدمه و قطعات فضاپیما در تگزاس لوئیزیانا و آرکانزاس پیدا شد.

در سال 2004، ناسا اعلام کرد ناوگان شاتل های فضایی در سال 2010 بازنشسته خواهد شد و فضاپیمای جدیدی به نام اوریون جای آن را خواهد گرفت.