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.
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)
روند توسعه و تاريخچه شاتل فضايي در اولين دهه از آغاز عصر فضا و حتي قبل از آن، طراحي و ساخت وسيلهاي كه بتواند مانند هواپيما پرواز كرده، به فضا برود، بازگردد و مجدداً مورد استفاده قرار گيرد ذهن بسياري از متخصصان را به خود مشغول كرده بود [2]. ايده به نظر خيلي ساده ميآمد و عمده مزيت اين طرح، كاهش چشمگير هزينهها بود [2]. مسلماً استفاده مجدد از يك وسيله ميتواند به كم كردن هزينهها بيانجامد. در دهه 60، مطالعات اوليه بر روي اين ايده، ناسا را به اين نتيجه رساند كه طرح بايد حول يك وسيله شبيه هواپيما با [بدنه برآزا] دنبال شود [2] (تصوير 6). پس از تكميل طرح اوليه، [ريچارد نيكسون]، رئيس جمهور وقت ايالات متحده، در پنجم ژانويه 1972 با امضاي سندي، رسماً موافقت خود را با آغاز اين پروژه ملي اعلام كرد [3]. 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]. اولين پرواز آزمايشي شاتل فضايي، كه [انترپرايز] نام داشت، بر دوش يك هواپيماي بهينهسازي شده بوئينگ747، در اوت 1977 و در [مركز پروازهاي فضايي مارشال] انجام پذيرفت. شاتل در ارتفاع 23000 پايي زمين (حدود 7 كيلومتري) از هواپيماي بوئينگ رها شد و با موفقيت در باند مركز فرود آمد. ديگر آزمايشهاي پروازي نيز در همين مركز پيگيري شد [2] (تصوير 7). [شاتل فضايي كلمبيا] اولين پرواز فضايي آزمايشي اين سامانه را در 12 آوريل 1981، درست 20 سال بعد از سفر يوري گاگارين به فضا، به نمايش گذاشت. اين پرواز 54 ساعته كاملاً موفقيتآميز، حامل دو فضانورد به نامهاي [جان يانگ] و [رابرت كريپن] بود ( تصاوير 8 و 9). اين پرواز كه به اُاِفتي1 مشهور بود، اولين پرواز فضايي بشر بود كه طي آن فضاپيما به زمين بازميگشت و مانند يك هواپيما بر روي باند مينشست [2]. 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]. استياس5 اولين پرواز عملياتي اين سامانه فضايي بود كه در 11 نوامبر 1982 و توسط شاتل كلمبيا انجام شد. اين پرواز دو مشتري تجاري داشت: شركت [تلستات] و [ستلايت بيزينس سيستمز] كه خواهان پرتاب ماهوارههاي مخابراتيشان به مدار انتقالي زمينثابت از طريق شاتل فضايي بودند. در اين پرواز براي اولين بار چهار فضانورد داخل يك فضاپيما راهي فضا شدند [2].
ناسا تا تابستان 1984 سه شاتل فضايي عملياتي به نامهاي كلمبيا، [چلنجر] و [ديسكاوري] در اختيار داشت. پيش از اين، شاتل انترپرايز كه تنها به عنوان نمونه آزمايشي و بدون موتورهاي موشكي و سپر كامل حرارتي ساخته شد، بعد از آزمايشهاي پروازي زيرمداري بازنشسته شده بود. بعدها شاتل [آتلانتيس] و [انديور] (براي جايگزيني شاتل از دست رفته چلنجر) هم به اين مجموعه اضافه شدند. تا سال 1986، اين وسيله 24 پرواز موفقيت آميز را در كارنامه خود ثبت كرد و طي آنها توانست فضانورداني از آلمان غربي، كانادا، فرانسه، عربستانسعودي، هلند و مكزيك را نيز به فضا ببرد. عمده ماموريت شاتل در چهار سال اول عملياتي شدن، خدماترساني به ماهوارههاي موجود در مدار و آماده پرتاب بود [2]. ناسا با سرعت هرچه تمامتر به پروازهاي شاتل ادامه ميداد تا اينكه در 28 ژانويه 1986، وقوع يك فاجعه، جهان را شوكه كرد. شاتل فضايي چلنجر در پرواز 51-L، درست 73 ثانيه پس از پرتاب و در حالي كه حدود 9 مايل در جهت عمودي و 7 مايل در جهت افق به پيش رفته بود، ناگهان در هوا منفجر شد و هر 7 فضانورد آن كشته شدند (تصاوير 13 و 14). علت اين حادثه چند ماه بعد معلوم شد: به وجود آمدن نقص در يكي از عايقهاي حرارتي يكي از بوسترهاي پيشران جامد. ناسا بعد از اين سانحه كليه عملياتهاي فضايي سرنشيندار خود را به مدت دو سال تعطيل كرد [2]. مديران و مهندسان ناسا به تجديد نظر و بازنگري شاتل پرداختند و بسياري از طراحيها و نقشهها را عوض كردند. انتقادات بسيار فراواني به اين وسيله و نحوه اداره عمليات آن وارد شد ( بهويژه به نحوه عمليات شاتل چلنجر كه با چهار بار به تاخير افتادن پرتاب، روزهاي متمادي بر روي سكوي پرتاب ماند) اما اراده ايالات متحده به ادامه كار اين وسيله بعد از رفع نقايص استوار بود. از طرفي ايالات متحده قراردادي را براي ايجاد يك ايستگاه فضايي عظيم امضا كرده بود كه وجود شاتل ميتوانست كمك زيادي به انجام آن بكند. سرانجام در 29 سپتامبر 1988، شاتل ديسكاوري پروازي را با موفقيت به انجام رساند و اين وسيله دوباره به عمليات بازگشت، اما اينبار نه براي خدماترساني به ماهوارهها، بلكه براي ايفاي نقش در پيشبرد پروژه ايستگاه فضايي بينالمللي [3] (تصوير 15). در سال 2003 حادثه ديگري، اينبار به هنگام بازگشت شاتل كلمبيا به جوّ زمين، فاجعه ديگري را رقم زد كه اين مساله نيز به تعطيلي موقت فعاليتهاي فضايي سرنشيندار ناسا انجاميد، اما دو سال بعد با انجام تصحيحات و بازنگري، ماموريتهاي شاتل از سر گرفته شد و تا به امروز ادامه دارد. حادثه دوم شاتل شبهات جدي را در مورد ايمني اين سامانه مطرح كرد و حتي بازنشستگي شاتل فضايي هم به صورت جدي مطرح شد (تصاوير 16 و 17). شاتل بيشتر از هر پرتابگر ديگري پرواز کرده و از 1981 تا اواخر سال 2007 بيش از 120 ماموريت را با موفقيت به انجام رسانده و با اينکه بيش از 20 سال از شروع کار آن ميگذرد، به طور مداوم در حال تکامل و بهبود بوده است. ناسا تغييرات کلي و جزيي زيادي در قسمتهاي مختلف شاتل ايجاد کرده تا آن را ايمنتر، توانمندتر و قابل اعتمادتر کند. گفته ميشود که ناسا با انجام اين تغييرات توانسته است پروازها را نسبت به سال 1992 حدوداً سه مرتبه ايمنتر کند و مشکلات پروازي نيز بيش از 70 درصد کاهش پيدا کرده است [1]. ناسا در سال 2004 رسماً اعلام كرد كه قصد دارد تا سال 2010 شاتل فضايي را بازنشسته كرده و وسيله فضايي سرنشيندار بازگشتپذيري تحت عنوان [اوريون] را براي سفر به ماه و مريخ جايگزين آن نمايد. |
همانطور كه پيشتر نيز اشاره شد، شاتل فضايي يا سامانه حمل و نقل فضايي از سه قسمت اصلي تشكيل شده است:
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. در ادامه، مشخصات و توضيحاتي پيرامون هر يك از بخشهاي شاتل ارائه ميشود: |
وظيفه اصلي مدارگرد حمل فضانوردان و محمولهها به فضا و بازگرداندن آنها به زمين است. اين بخش شاتل 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. (تصاوير 18 و 19)
ناسا در پروژه شاتل فضايي، هفت فروند مدارگرد را توليد كرده است [6]. از اين 7 فروند، يك مدل غيرپروازي و يك فروند غيرعملياتي بودند و پنج فروند، ناوگان شاتل را تشكيل ميدادند كه تنها سه فروند از آنها باقي مانده 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 (تصوير 26). 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 [1]. 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 [4]. 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 (تصوير 27). 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) 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 [4]. |
بوسترهاي پيشران جامد (موتورهاي راكتي 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 (تصاوير 30 و 31).
|