همه چیز درباره شاتل های فضایی

[Sasha]

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.
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)

تصوير 18- مدارگرد در حال تقرب به باند فرود




تصوير 19- مدارگرد در لحظه فرود روي باند




تصوير 20- نمايي از داخل كابين مدارگرد





تصوير 21- نماي بيروني كابين مدارگرد كلمبيا



تصوير 22- بخش مياني مدارگرد


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 23- نماي داخلي قسمت مياني مدارگرد





تصوير 24- سه راكت انتهاي شاتل فضايي

تصوير 25- نماي موتورهاي راكتي شاتل فضايي

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:

• 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

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].

تصوير 26- اجزاي سازه‌اي و سامانه‌اي مدارگرد

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).

تصوير 27- بازوي رباتي جايگذاري از راه دور شاتل فضايي

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].

تصوير 28- كاشي‌هاي حرارتي زير مدارگرد




تصوير 29- كاشي‌هاي حرارتي دماغه و بخش زيرين مدارگرد

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).

تصوير 30- سقوط بوستر پيشران جامد شاتل در اقيانوس به كمك چتر






تصوير 31- از آب‌گيري بوستر پيشران جامد شاتل براي بازيافت مجدد


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 [7].

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.

در جدول مقابل، برخي از مشخصات بوسترهاي شاتل فضايي را مي‌توان مشاهده كرد [8].

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.
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 [9]. سازه مخزن به نوعي رابط و پشتيباني براي كل مجموعه است. (تصاوير 32 و 33)

تصوير 32- ساختار مخزن پيشران مايع خارجي شاتل فضايي




تصوير

33- حمل مخزن پيشران مايع خارجي شاتل فضايي

ساختماني سوله‌مانند در مركز فضايي كندي قرار دارد كه به [ساختمان مونتاژ وسيله يا وي‌اِي‌بي] معروف است (تصوير 34). سه بخش مختلف شاتل فضايي قبل از پرتاب در اين ساختمان مونتاژ مي‌شوند. سپس بر روي وسيله ترابري كه به [كراولر] معروف است، قرار داده شده و با سرعت 6/1 كيلومتر بر ساعت به سمت سكوي پرتاب حمل مي‌شود [4] (تصوير 35).

تصوير 34- ساختمان مونتاژ وسيله شاتل فضايي در مركز فضايي كندي




تصوير

35- حمل شاتل فضايي بر روي كراولر

در مركز فضايي كندي يك باند فرود ويژه براي مدارگرد در نظر گرفته شده است. طول اين باند 4575 متر بوده و از هر طرف نيز 305 متر باند اضافه (براي احتياط) دارد. عرض آن نيز 91 متر است. باند در راستاي شمال غربي به جنوب شرقي قرار دارد. مشابه چنين باندي در [پايگاه هوايي ادواردز] نيز وجود دارد كه در حدود 8 كيلومتر طول دارد [4].
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].
عمليات ارتباط و كنترل زميني شاتل فضايي نيز از مركز فضايي كندي انجام مي‌شود (تصوير 36).
iranian space
agency

تصوير 36- ايستگاه كنترل زميني شاتل فضايي واقع در مركز فضايي كندي

مراجع
[1] - www.wikipedia.org/Space_shuttle
[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] - Encyclopedia Astronautica
[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