تبیان، دستیار زندگی

شاتل فضایی، یك سامانه حمل و نقل فضایی سرنشین‌دار، قابل بازگشت و قابل استفاده مجدد است. امروزه ایالات متحده از این وسیله برای حمل فضانوردان، ماهواره‌ها، ایستگاه‌های فضایی و مواد و تجهیزات مورد نیاز ایستگاه‌های فضایی استفاده می‌كند. «شاتل» در زبان انگلیسی به معنای رفت وآمدكننده است.

تصویر 3- شاتل فضایی در حین پرتاب

تصویر 4- شاهدان عینی پرتاب شاتل فضایی

روس‌ها اگرچه پیشگامان عرصه فضا بودند، اما هرگز ایده استفاده از یك وسیله قابل بازگشت و استفاده مجدد را نپذیرفتند و آن را اقتصادی و بهینه نمی‌دانستند. البته آنها هم یك وسیله قابل استفاده مجدد موسوم به [بوران] را تولید كردند كه بسیار شبیه به شاتل فضایی آمریكایی‌ها بود، اما هرگز به مرحله عملیاتی شدن نرسید. (تصویر 5)

شاتل فضایی به [سامانه حمل و نقل فضایی یا اِس‌تی‌اِس] نیز معروف است. این وسیله توسط سه شركت  بزرگ هوافضای آمریكا یعنی: [بوئینگ]، [لاكهیدمارتین] و [راكوِل اینترنشنال] طراحی، ساخته و خدمات‌رسانی شده و مالكیت و عملیات آن بر عهده سازمان دولتی ناسا است .

صویر 5- فضاپیمای بوران روسیه كه توسعه آن در سال 1993 متوقف شد.

روند توسعه و تاریخچه شاتل فضایی

در اولین دهه از آغاز عصر فضا و حتی قبل از آن، طراحی و ساخت وسیله‌ای كه بتواند مانند هواپیما پرواز كرده، به فضا برود، بازگردد و مجدداً مورد استفاده قرار گیرد ذهن بسیاری از متخصصان را به خود مشغول كرده بود [2]. ایده به نظر خیلی ساده می‌آمد و عمده مزیت این طرح، كاهش چشمگیر هزینه‌ها بود [2]. مسلماً استفاده مجدد از یك وسیله می‌تواند به كم كردن هزینه‌ها بیانجامد. در دهه 60، مطالعات اولیه بر روی این ایده، ناسا را به این نتیجه رساند كه طرح باید حول یك وسیله شبیه هواپیما با [بدنه برآزا] دنبال شود [2] (تصویر 6). پس از تكمیل طرح اولیه، [ریچارد نیكسون]، رئیس جمهور وقت ایالات متحده، در پنجم ژانویه 1972 با امضای سندی، رسماً موافقت خود را با آغاز این پروژه ملی اعلام كرد [3].

تصویر 6- مدل شاتل در تونل باد

طراحان و مهندسان در طراحی مفهومی این پروژه به این نتیجه رسیدند كه قسمت رفت و برگشتی این سامانه (یا همان شاتل در تصور عموم) باید شبیه هواپیمایی با بال دلتا و بدنه نسبتاً پهن باشد كه قابلیت حمل فضانورد و انواع محموله‌ها و همچنین پهلوگیری در فضا را داشته باشد [2]. همچنین دو موتور راكتی پیشران جامد باید به عنوان بوستر در اولین مرحله پرتاب جهت تامین بیشتر نیروی پیشران ایفای نقش كنند. این دو موتور پس از خاموشی و سقوط در دریا قابل استفاده مجدد خواهند بود. تنها قسمت یكبار مصرف این سامانه، تانك پیشران مایع بزرگی است كه وظیفه تأمین سوخت و اكسیدكننده مایع را برای موتورهای راكتی شاتل در مراحل بالایی پرواز بر عهده دارد.

شركت راكول اینترنشنال كه در آن زمان [شركت راكول آمریكای شمالی] نام داشت، طی قراردادی شش ساله، به عنوان پیمانكار اصلی برای ساخت بخش مدارگرد بازگشتی انتخاب شد. ساخت موتور پیشران مایع اصلی نیز كه در قسمت عقب همین مدارگرد تعبیه می‌شد به یكی از زیرمجموعه‌های همین شركت، [راكت‌داین]، واگذار شد. ساخت بوسترهای پیشران جامد نیز به طور مشترك  به شركت‌های [تیوكول كِمیكال]، [مك‌دانل داگلاس] و [یونایتد اسپیس بوسترز] واگذار  شد. تیوكول طراحی و ساخت پیشران جامد را بر عهده داشت، مك‌دانل داگلاس موظف به توسعه سازه بوسترها بود و تست و مونتاژ هم بر عهده یونایتد اسپیس بود.

اولین پرواز آزمایشی شاتل فضایی، كه [انترپرایز] نام داشت، بر دوش یك هواپیمای بهینه‌سازی شده بوئینگ747، در اوت 1977 و در [مركز پروازهای فضایی مارشال] انجام پذیرفت. شاتل در ارتفاع 23000 پایی زمین (حدود 7 كیلومتری) از هواپیمای بوئینگ رها شد و با موفقیت در باند مركز فرود آمد. دیگر آزمایش‌های پروازی نیز در همین مركز پیگیری شد  (تصویر 7).

صویر 7- شاتل انترپرایز بر دوش هواپیمای 747 ناسا

مشخصات شاتل فضایی

همان‌طور كه پیشتر نیز اشاره شد، شاتل فضایی یا سامانه حمل و نقل فضایی از سه قسمت اصلی تشكیل شده است:

• [وسیله مدارگرد (اُوی)] (بخش اصلی)
• [بوسترهای پیشران جامد (اس‌آربی)] (موتورهای راكتی جامد)
• [مخزن پیشران خارجی (ئی‌تی)] (مخزن خارجی)

مدارگرد، كه گاهی به تنهایی شاتل فضایی خوانده می شود، همان وسیله هواپیماشكلی است كه به زمین بازمی‌گردد و فرود می‌آید. بوسترهای پیشران جامد پس از فاز اولیه پرتاب جدا شده و در دریا سقوط می‌كنند تا دوباره مورد استفاده قرار گیرند. مخزن پیشران خارجی هم كه 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 24400 كیلوگرمی را تا مدار 204 كیلومتری حمل كند. اگر محموله برای ایستگاه فضایی بین‌المللی باشد كه در ارتفاع حدود 400 كیلومتری قرار دارد، این قابلیت حمل به 12500 كیلوگرم كاهش می‌یابد [5]. برای مدار انتقالی زمین‌ثابت، قابلیت حمل محموله به 3810 كیلوگرم می‌رسد [1]. این آمار برای شاتل‌های بعد از سانحه چلنجرارائه شده است. تا قبل از چلنجر، قابلیت حمل محموله حدود 15 درصد بیشتر بود كه بعد از آن در جهت افزایش ایمنی عملیات‌ها این قابلیت حمل كاهش یافت [5]. البته مدارگردهای مختلف به لحاظ وزنی مقدار اندكی با هم متفاوتند كه این مساله می‌تواند روی قابلیت حمل محموله موثر باشد. همچنین در طول بیش از دو دهه برنامه شاتل فضایی، وزن قسمت‌هایی از این وسیله مانند مخزن خارجی نیز چند بار كم شده است، كه این مساله هم بر روی توانایی شاتل در حمل محموله موثر بوده است.

مدارگرد شاتل

وظیفه اصلی مدارگرد حمل فضانوردان و محموله‌ها به فضا و بازگرداندن آنها به زمین است. این بخش شاتل شبیه به یك هواپیما با دو بال دلتا و دمی عمودی است. مدارگرد به هنگام بازگشت به زمین درست مانند یك هواسُر عمل می‌كند و بدون هیچ‌گونه نیروی پیشران بر روی باند فرود می‌آید. (تصاویر 18 و 19)

تصویر 18- مدارگرد در حال تقرب به باند فرود

تصویر 19- مدارگرد در لحظه فرود روی باند

تصویر 20- نمایی از داخل كابین مدارگرد

تصویر 21- نمای بیرونی كابین مدارگرد كلمبیا

مدارگرد از سه قسمت اصلی تشكیل شده است. در قسمت جلویی آن كابین كنترل و محل استقرار فضانوردان قرار دارد (تصاویر 20 و 21).

قسمت میانی مدارگرد با دارا بودن فضایی خالی با طول زیاد، بستری برای حمل محموله‌ها است (تصاویر 22 و 23).

در قسمت عقبی شاتل نیز سه موتور پیشران مایع قرار دارند كه در هنگام پرتاب از مخزن سوخت خارجی تغذیه شده و بخشی از نیروی رانش مرحله اول و تمام نیروی مرحله دوم پرتاب را تامین می‌كنند (تصاویر 24 و 25).

هر یك از این موتورها، نیروی رانشی معادل 1/2 میلیون نیوتن در خلاء و 67/1 میلیون نیوتن را در سطح دریا تامین می‌كنند. نسبت سوخت (هیدروژن مایع) به اكسیدكننده (اكسیژن مایع) در آنها 6 به 1 است.

تصویر 22- بخش میانی مدارگرد

تصویر 23- نمای داخلی قسمت میانی مدارگرد

تصویر 24- سه راكت انتهای شاتل فضایی

تصویر 25- نمای موتورهای راكتی شاتل فضایی