شاتل چگونه کار می کند؟
شاتل در لغت به اتوبوس هایی اطلاق می شود که در یک مسیر مشخص رفت و آمد می نمایند. آنها اتوبوس هایی هستند که برای حمل انسان، محموله های فضایی و بردن ماهواره به فضا، توسط اداره هوانوردی و فضایی ملی ایالات متحده آمریکا (NASA) در دهه هفتاد میلادی طراحی شدند و ده ها ماموریت موفقیت آمیز انجام داده اند که منجر به دستاوردهای علمی عالی شده است. البته شکست هایی هم در انجام عملیات داشته اند.
شاتل ها از موشک ها و فضاپیمای قابل بازیابی کمک می گیرند. در گذشته در پرتاب موشک ها، قسمت های مختلف از موشک جدا شده و به زمین سقوط می کردند یا در فضا سرگردان می ماندند. اما امروزه تغییراتی اساسی رخ داده است.
در این مقاله شما می توانید با فناوری برنامه های شاتل آمریکا و ماموریت ها و تلاش های فوق العاده ناسا در ارتباط با پرواز شاتل ها آشنا شوید.
ساختار شاتل فضایی
برای پرتاب شاتل 2.5 میلیون کیلوگرمی به مدار 600 کیلومتری بالای زمین، از تجهیزات زیر استفاده می شود:
- دو موشک سوخت جامد (بالا برنده) یا Two Solid Rocket Boosters
- مخزن بزرگ سوخت بیرونی یا External Fuel Tank
- مدارگرد یا Orbiter
1) موشک های سوخت جامد
راکت های سوخت جامدی هستند که بیشترین سهم (71 درصد) را در تولید نیروی مورد نیاز برای بلند شدن شاتل فضایی از سکوی پرتاب را دارند. آنها همچنین تمام وزن شاتل و مخزن سوخت بیرونی را روی سکوی پرتاب تحمل می کنند. این دو موشک قادر هستند 1300 تُن جرم را رو به بالا بکشند و فقط صعود فضاپیما را سریع تر می کنند. هر کدام از این موشک ها 43 متر ارتفاع و در هنگام پُر بودن 60 تن وزن دارند.
یک موشک پرتاب کننده، نیروی رانشی معادل 1.5 میلیون کیلوگرم در هنگام پرتاب ایجاد می کند. دو دقیقه بعد از پرتاب، شاتل به ارتفاع تقریباً 45 کیلومتری، یعنی بالای ضخیم ترین لایه های جوی زمین می رسد. در این لحظه، سوخت های موشک های سوخت جامد تمام شده و از فضاپیما جدا می شوند و با چتر در اقیانوس (جایی که ناسا برای این کار پیش بینی کرده است.) سقوط تا بوسیله کشتی ها از آب گرفته و برای پرتاب بعدی استفاده شوند.
در انیمیشن زیر می توانید اجزای موشک های سوخت جامد را مشاهده نمایید.
2) مخزن (تانکر) سوخت بیرونی
طول مخزن سوخت بیرونی 48 متر و عرض آن حدود 8 متر است و با سوخت هیدرازین و نیتروکسید نیتروژن در کل 740 تن جرم دارد. این مخزن سوخت، 6 دقیقه پس از جدا شدن موشک های سوخت جامد و رساندن مدارگرد به ارتفاع مورد نظر از آن جدا می شود و طبق برنامه بر اثر برخورد با جو زمین می سوزد و از بین می رود.
در انیمیشن زیر می توانید اجزای مخزن سوخت بیرونی را مشاهده نمایید.
3) مدارگرد
مدارگرد تنها بخشی از شاتل است که وارد مدار خارج از جو می شود. طول مدارگرد 37 متر، عرض آن (از انتهای یک بال تا انتهای بال دیگر) 24 متر و ارتفاع آن در حالت ایستاده روی سکوی پرتاب 17 متر است. مدارگرد پس از پایان ماموریت به زمین باز می گردد و مانند هواپیمایی با سرعت 346 کیلومتر در ساعت بر باند ویژه فضاپیماها می نشیند. هر مدارگرد دست کم صد بار می تواند در مدار زمین قرار گیرد و هر بار مدت پرواز آن 5 تا حداکثر 30 روز است.
مدارگرد دارای سه بخش است:
- کابین فضانوردان
- اتاق بار
- موتورها
در انیمیشن زیر می توانید اجزای مدارگرد را مشاهده نمایید.
کابین فضانوردان در بخش جلویی شاتل قرار دارد و بطور میانگین گنجایش 7 نفر و در شرایط اضطراری 10 نفر را دارا است. اتاق بار نیز قسمتی است در طبقه عقبی پرواز که متخصصان فنی در آنجا می نشینند. منظور از بار، ماهواره یا تجهیزاتی است که فضاپیما با خود به مدار زمین یا ایستگاه بین المللی فضایی می برد.
در طراحی شاتل 51 موتور بکار رفته است. پس از جدا شدن موشک های سوخت جامد و نیز مخزن سوخت بیرونی؛ یعنی حدود 35 دقیقه بعد از پرتاب، موتور اصلی مدارگرد شروع به کار می کند و مدت سه دقیقه تمام کار می کند تا مدارگرد را در مدار نهایی که برایش در نظر گرفته شده است، قرار دهند. این موتورها نیروی لازم برای حرکت مدارگرد 170 تنی را تولید می کند.
دو موتور جانبی مانور نیز فضاپیمای مدارگرد را قادر می سازند تا مدار خود را به دور زمین اصلاح کند و یا تغییر مسیر دهند. ارتفاع مدارهایی که مدارگرد در آنها قرار می گیرند از 185 تا 1110 کیلومتر (با توجه به ماموریت شان) تغییر می کند، اگرچه بیشتر اوقات به مدار 240 کیلومتری می روند. مدارگرد در آنجا هر 90 دقیقه یکبار دور زمین می گردد. به محض اتمام ماموریت و بازگشت به جو زمین، مدارگرد بدون هیچ نیروی بازدارنده موتوری مانند یک هواپیما در پایگاه فرود آمده و به نرمی می ایستد.
اگرچه شاتل ها برای حداکثر 20 سال کار طراحی می شوند، ولی دانشمندان و مهندسان همواره در حال ارتقاء سیستم آن هستند. بدون اغراق ناسا تاکنون هزاران تغییر و تحول کوچک و بزرگ اساسی در طراحی شاتل ها انجام داده است. در این مدت به خاطر کاهش وزن و ارتقاء سیستم، شاتل ها توانسته اند 8 تن بار بیشتر حمل کنند. لازم به ذکر است که توان موتورهای شاتل فضایی حین برخاستن 140 میلیون اسب بخار (یعنی معادل 5.1 میلیون ماشین پژو 206) است!
اصطکاک بدنه شاتل فضایی با جو زمین موجب می شود، دمای سطوح آن تا حد زیادی بالا برود. برای حل این مشکل، مهندسان ناسا سطح مدارگرد را با سرامیک مخصوص پوشانده اند.
طرح فعلی شاتل شامل 20548 قطعه سرامیک از جنس سیلیسیم کاربید است. هر قطعه طوری قرار گرفته است که دقیقاً قالب تمام زوایای فضاپیما باشد و بتواند دمایی برابر با 1260 درجه سانتیگراد را تحمل کند. کلاهک دماغه شاتل و لبه بال ها را که هنگام بازگشت شاتل به جو، با گرمای شَدیدی مواجه می شوند، با ماده ای پوشاندند که می توانند دمایی برابر 1649 درجه سانتیگراد را تحمل کند، دمایی که در آن حتی فلز فولاد نیز ذوب می شود.
انیمیشن زیر چرخه پرتابی شاتل ها را نشان می دهد که دو دقیقه پس از پرتاب شاتل، موشک های سوخت جامد و 6 دقیقه بعد مخزن سوخت بیرونی از شاتل جدا می شوند. در این حالت، از شاتل تنها بخش مدارگرد آن باقی مانده است. با روشن شدن موتورهای اصلی، مدارگرد در مدار مخصوص قرار می گیرد و با بازوی مکانیکی تعبیه شده در بدنه اش، بار یا تجهیزات مخابراتی را تحویل ایستگاه بین المللی می دهد. سپس مراحل مانور بازگشتش را آغاز می کند و با عبور از جو زمین، مانند یک هواپیما در باند فرودگاه به زمین می نشیند.
آینده شاتل فضایی
قرار بود شاتل ها ابزارهای ارزان قیمتی برای پرتاب فضانوردان به مدار باشند، اما در عمل هر پرتاب حدود سیصد میلیون دلار هزینه در بر دارد. جایگزین آینده شاتل ها احتمالاً چیزی مشابه هواپیمای ملی هوافضا خواهد بود که ناسا و نیروی هوایی آمریکا مشترکاً در حال ساخت آن هستند. این هواپیما که X33 نام دارد، مانند یک هواپیمای جت عادی از باند پرواز بلند می شود و با سرعت زیاد 22 ماخ (22 برابر سرعت صوت) خود را به مدار زمین می رساند و در بازگشت هم مانند یک هواپیمای معمولی فرود می آید. البته هر پرتاب هواپیمای X33 بیش از یک میلیون دلار هزینه خواهد داشت.
طرفداران این طرح مدعی هستند که می توان این هواپیما را یک روز و نیم پس از فرود، دوباره به فضا فرستاد (شاتل ها باید بین پروازها چندین ماه استراحت کنند) و از آنجایی که هواپیمای هوافضا بیشتر مانند یک جت عمل می کند تا یک موشک، پس می تواند در شرایط اضطراری دور بزند و به نقطه حرکتش بازگردد؛ قابلیتی که شاتل های فضایی ندارند.
در ساخت یک شاتل جدا از توجه به پرواز، قرار گرفتن آن در مدار مشخص و سازگاری با محیط آنجا، باید به محیط داخلی شاتل نیز توجه شود که محیطی شبیه به زمین از جمله غذا، هوا، درجه حرارت و… برای فضانوردان فراهم نماید. همچنین باید بتواند ضایعات بدن مانند دی اکسید کربن، ادرار، مدفوع و… را نیز از بین ببرد و از فضانوردان محافظت کند.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «شاتل چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
