شاتلهای فضایی؛ دستاوردی عظیم یا شکستی فاجعه‌بار؟

به گزارش ایسنا، شاتل فضایی که اولین بار در سال 1981 پرتاب شد، نخستین سفینه قابل استفاده مجدد جهان بود.

سه بخش اصلی آن مدارپیما، موشکهای تقویت کننده و مخزن بیرونی سوخت (تنها مخزن سوخت آن که بعد از هر مأموریت قابل استفاده نیست) است. 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.

پس از فضاپیماهای مرکوری، جمینی و آپولو (که ماه را فتح کرد)، آمریکایی‌ها به دنبال سفینه‌های رفت و برگشتی رفتند و به این ترتیب شاتل‌های فضایی متولد شدند.

شاتل‌ها تا هفت 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 رباتیک مجهز هستند که به کمک آن می‌توانند ماهواره‌ها را به دام انداخته، اقدام‌های لازم را درباره تعمیرات یا انتقال آن صورت دهند.

تاکنون هفت شاتل به نام‌های انترپرایز (Enterprise)، پث فایندر(Path Finder) ، کلمبیا (Columbia)، چلنجر (Challenger)، دیسکاوری (Discovery)، آتلانتیس (Atlantis) و اِندِور (Endeavour) ساخته شده که دو شاتل نخست، ناکامل و برای آزمایش‌ها و بررسی‌ها ساخته شده‌اند.

انترپرایز

از میان پنج شاتل آخر چلنجر و کلمبیا دچار سانحه شده‌اند و فقط سه شاتل دیسکاوری، آتلانتیس و اندیور تا سال 2010 مشغول کار بودند.

دیسکاوری

به دلیل دو سانحه که باعث کشته شدن 14 فضانورد و از دست رفتن 22 فضاپیمای شاتل شد، ناسا در سال 2010 میلادی شاتل را بازنشست کرد.

شاتل‌های فضایی بسیار هزینه‌بر هستند، به طوری که فقط پرتاب آن 500 میلیون دلار هزینه دربردارد و این، غیر از هزینه‌های نگهداری و تعمیرات آن است. همین هزینه‌های سنگین موجب شد تا روسیه از شاتل فضایی قدرتمند خود، "بوران" استفاده نکند.

اندور

"بوران" با قدرت حمل 30 تن تجهیزات و استفاده از امکانات ناوبری پیشرفته، یک سر و گردن بالاتر از همتای آمریکایی خود است؛ ولی به دلیل هزینه‌های بسیار بالا، روسیه از آن استفاده نکرده‌ است.

بوران

اجزای شاتل

مدارگرد شاتل

این قسمت که گاهی به تنهایی شاتل فضایی خوانده می‌شود، همان وسیله هواپیماشکلی است که به زمین بازمی‌گردد و فرود می‌آید.

تقویت‌کننده‌های پیشران جامد پس از فاز اولیه پرتاب جدا شده و در دریا سقوط می‌کنند تا دوباره مورد استفاده قرار گیرند.

مخزن پیشران خارجی هم که معمولاً در تصاویر با رنگ نارنجی مشخص است، پس از فاز نهایی پرتاب از مدارگرد جدا شده و در جو متلاشی می‌شود. شاتل فضایی قادر است تا محموله 24هزار و 400 کیلوگرمی را تا مدار 204 کیلومتری حمل کند. اگر محموله برای ایستگاه فضایی بین‌المللی باشد که در ارتفاع حدود 400 کیلومتری قرار دارد، این قابلیت حمل به 12هزار و 500 کیلوگرم کاهش می‌یابد. برای مدار انتقالی زمین‌ثابت، قابلیت حمل محموله به 3٬810 کیلوگرم می‌رسد. این آمار برای شاتل‌های بعد از سانحه چلنجر ارائه شده‌ است. تا قبل از چلنجر، قابلیت حمل محموله حدود 15 درصد بیشتر بود که بعد از آن در جهت افزایش ایمنی عملیات‌ها این قابلیت حمل کاهش یافت. البته مدارگردهای مختلف به لحاظ وزنی مقدار اندکی با هم متفاوتند که این مساله می‌تواند روی قابلیت حمل محموله مؤثر باشد. همچنین در طول بیش از دو دهه برنامه شاتل فضایی، وزن قسمت‌هایی از این وسیله مانند مخزن بیرونی نیز چند بار کم شده‌است که این مساله هم بر روی توانایی شاتل در حمل محموله مؤثر بوده‌است.

آتلانتیس
 

در ادامه با جزئیات اجزای شاتل آشنا میشویم.

مدارگرد

وظیفه اصلی مدارگرد شاتل حمل فضانوردان و محموله‌ها به فضا و بازگرداندن آنها به زمین است. این بخش شاتل شبیه به یک هواپیما با دو بال دلتا و دمی عمودی است. مدارگرد به هنگام بازگشت به زمین درست مانند یک هواسُر عمل می‌کند و بدون هیچ‌گونه نیروی پیشران بر روی باند فرود می‌آید.

مدارگرد از سه قسمت اصلی تشکیل شده‌است. در قسمت جلویی آن کابین کنترل و محل استقرار فضانوردان قرار دارد.

قسمت میانی مدارگرد با دارا بودن فضایی خالی با طول زیاد، بستری برای حمل محموله‌ها است.

در قسمت عقبی شاتل نیز سه موتور پیشران مایع قرار دارند که در هنگام پرتاب از مخزن سوخت خارجی تغذیه شده و بخشی از نیروی رانش مرحله اول و تمام نیروی مرحله دوم پرتاب را تأمین می‌کنند. هر یک از این موتورها، نیروی رانشی معادل 1/2 میلیون نیوتن در خلاء و 67/1 میلیون نیوتن را در سطح دریا تأمین می‌کنند. نسبت سوخت (هیدروژن مایع) به اکسیدکننده (اکسیژن مایع) در آنها 6 به 1 است. تمام مدارگردها دارای ابعاد کاملاً یکسانی هستند و تنها از نظر برخی ویژگی‌های سامانه‌ای با هم تفاوت دارند. مدل‌های جدیدتر به لحاظ سازه‌ای سبک‌تر شده‌اند و بنابراین قابلیت حمل سامانه و محموله آنها افزایش پیدا کرده‌است. همین تفاوت‌ها باعث می‌شود تا به لحاظ قابلیت مأموریت نیز تفاوت‌هایی داشته باشند. هر مدارگرد برای حمل چهار تا هفت فضانورد (که دو نفر آنها حتماً خلبان هستند) طراحی شده‌است. گرچه مأموریت با هشت فضانورد نیز تجربه شده‌است.

مدارگردها قادر هستند در موارد اضطراری تا 11 نفر را نیز با خود به زمین بازگردانند.

هر مدارگرد دارای سامانه‌ای موسوم به سامانه مانور مداری است که برای مانورهای مداری آن در فضا طراحی شده‌است. این سامانه که در قسمت عقب (کنار دم) مدارگرد تعبیه شده، از دو موتور پیشران مایع هر یک با نیروی رانش 26 هزار و 700 نیوتن تشکیل شده‌است.

در کنار این سامانه مداری، سامانه کنترل عکس‌العملی شامل 24 پیشرانه 3870 نیوتنی و چهار موتور ورنیه نیز بکار گرفته شده‌است. علاوه بر همه اینها، 14 پیشرانه فضایی و دو موتور ورنیه نیز در قسمت دماغه شاتل وجود دارند.

همه این پیشرانه‌ها از پیشران مایع مونومتیل هیدرازین و تترا اکسید نیتروژن استفاده می‌کنند. سازه مدارگرد بیشتر از آلومینیوم ساخته شده‌است، اما سازه‌های پشتیبان موتورهای راکتی آن بیشتر از آلیاژ تیتانیوم است.

بازوی رباتی یا جایگذاری از راه دور نیز که پیشتر توضیح داده شد، یکی از سامانه‌های جانبی مهم مدارگرد است که در طول بستر بار آن قراردارد.

یکی از مهم‌ترین و حساس‌ترین بخش‌های مدارگرد، کاشی‌های عایق حرارتی هستند که در زیر بدنه، بال و دماغه شاتل به‌صورت سرتاسری نصب می‌شوند تا در هنگام ورود مجدد مدارگرد به زمین جلوی نفوذ حرارت چندین هزار درجه‌ای را به شاتل بگیرند. سانحه دوم شاتل فضایی به خاطر نقص به وجود آمده در همین عایق‌ها بود.

طول دهانه بال مدارگرد 79/23 متر و طول بدنه آن 24/37 متر است. جنس سازه اصلی تشکیل دهنده مدارگرد عمدتاً از آلومینیوم است؛ اما سازه پشتیبان سامانه پیشرانش آن از آلیاژ تیتانیوم ساخته شده‌است.

تقویت‌کننده سوخت جامد

دو تقویت‌کننده پیشران جامد شاتل فضایی به رنگ سفید بوده و در طرفین مخزن خارجی نصب می‌شوند. این دو ‌تقویت‌کننده نقش اصلی را در مرحله اول پرتاب شاتل فضایی بر عهده دارند. آنها پس از حدود 2 دقیقه و در ارتفاع حدود 45 هزار و 700 متری (150 هزار پایی) از سامانه جدا می‌شوند و به کمک چتر در اقیانوس سقوط می‌کنند و سپس به وسیله یدک‌کش‌های مخصوصی از آب گرفته شده و جهت بازیافت و استفاده مجدد مورد بهره قرار می‌گیرند.
پیشران این تقویت‌کننده از نوع جامد است.

هر تقویت‌کننده در راستای طولی از پنج قسمت مجزا تشکیل شده که در هنگام آماده‌سازی برای پرتاب مونتاژ می‌شوند.

در بخش نوک آنها چند موتور راکتی کوچک در جهت معکوس تعبیه شده که در هنگام جدایش عمل می‌کنند. تقویت‌کننده‌ها با استفاده از سامانه نازل متحرک خود، در کنترل کل شاتل در مرحله اول پرتاب نیز نقش ایفا می‌کنند. علت اصلی بروز سانحه چلنجر، نقص در یکی از واشر عایق حلقه‌ای (O-Ringg) عایق بخش انتهایی یکی از بوسترها بود. بعد از این حادثه، تغییرات زیادی به لحاظ مهندسی در سامانه تقویت‌کننده‌ها صورت پذیرفت.

مخزن پیشران خارجی

مخزن پیشران مایع خارجی، محفظه‌ای است برای نگهداری هیدروژن و اکسیژن مایع که در موتورهای راکتی پیشران مایع نصب شده در پشت مدارگرد، تزریق می‌شوند. این مخزن عظیم در اولین شاتل‌ها سفیدرنگ بود. اما بعد از این که مشخص شد این رنگ هیچ اثر مثبت مکانیکی بر روی مخزن ندارد، از رنگ زدن آن خودداری شد و بدین ترتیب، 272 کیلوگرم از وزن آن کاسته شد. رنگ نارنجی این مخزن مربوط به رنگ پرایمر آن است.

پس از جدایش بوسترها در انتهای مرحله اول پرتاب و در ارتفاع 45 کیلومتری، مدارگرد با استفاده از پیشران موجود در این مخزن، تا ارتفاع 113 کیلومتری بالا می‌رود.

این مخزن حاوی 5.1 میلیون لیتر اکسیژن مایع و پنج میلیون لیتر هیدروژن مایع در هنگام پرتاب است. پوسته مخزن با ضخامت 5.2 سانتی‌متر، پوششی از فومِ [پلی‌ایزوسیانورات] دارد. جنس مخازن هیدروژن و اکسیژن آن از آلومینیوم 2090 و 2195 است که برای نگهداری مایعات کرایژنیک بسیار مناسب است.
مخازن اکسیژن و هیدروژن آن به گونه‌ای طراحی شده‌است که جلوی تلاطم مایعات داخل آنها را می‌گیرند.

فاجعه‌های شاتل فضایی

فاجعه چلنجر
در 28 ژانویه سال 1986 میلیون‌ها بیننده تلویزیون در سراسر جهان با وحشت شاهد انفجار شاتل فضایی چلنجر در کمتر از 2 دقیقه بعد از پرتابش بودند؛ این شاتل کاملاً منهدم شد و همه هفت فضانورد آن کشته شدند. یکی از آن فضانوردان به نام "کریستیا مک‌آلیف" اولین معلمی بود که به فضا سفر می‌کرد. بررسی درباره این فاجعه آشکار کرد که عایق میان 2 بخش موشکهای تقویت کننده جدا شده، باعث نشت گاز و آتش‌گیری سفینه شده بود. پس از این رویداد برنامه فضایی شاتل به مدت سه سال متوقف شد تا ایمنی آن بهبود یابد.

فاجعه کلمبیا
در سال 2003 میلادی، شاتل کلمبیا هنگام بازگشت به زمین به خاطر آسیب دیدگی یکی از بال‌ها منفجر شد و تمامی هفت فضانورد آن کشته شدند.

بازنشستگی
پس از 2 سانحه مرگبار، ناسا فضاپیماهای شاتل را در سال 2010 بازنشست کرد. امروزه فضاپیماهای سایوز روسی تنها وسیله اعزام فضانوردان به فضا هستند.
هزینه‌ای که ناسا برای استفاده از شاتل‌ها پرداخت کرده است، غیر قابل تصور است و بیشترین هزینه به خاطر فضانوردانی است که جان خود را در سفر با شاتل‌ها از دست دادند.