معرفی شاتل فضایی

Space Shuttle

و ایستگاه فضایی بین المللی

International Space Station

تاریخچه

وقتی که جنگ سرد ما بین بلوك شرق و غرب به اوج خود رسیده بود و کشورهاي هر دو بلوك درصد بودند تا بیش از پیش مراقب یکدیگر باشند. یکی از سیاستمداران شوروي سابق پیشنهاد فعالیتهاي فضایی براي تحت نظر گرفتن طرفهاي مقابل را ارایه کرد. طبق طرح روسها یک وسیله فضاپیما به فضا پرتاب می شود به نوعی در مدار زمین قرار می گرفت و چون هیچ مانع فیزیکی ما بین این وسیله و زمین نبود به راحتی می شد بلوك غرب را تحت نظر گرفت. براي انجام این کار می بایستی از افراد واجد شرایط نیز استفاده می شد. اما در ابتدا که هنوزهیچکس از شرایط زیست محیطی و ادامه حیات موجودات زنده در خارج از جو مطمین نبود دانشمندان روسی تصمیم گرفتند تا یک سگ زنده را به فضا پرتاب کنند.

بنابراین سگی که بعدها به نام هاش پاییز(سگ بی سروصدا)

laika

معروف شد به وسیله یک سفینه کوچک به فضا پرتاب شد که پس از یک دور چرخیدن در مدار زمین به سلامت به زمین بازگشت. بنابراین نخستین موجودزنده در فضا لایکا بود که در 3 نوامبر سال 1957 میلادي با فضاپیماي روسی اسپوتنیک 2- به مدار زمین پرتاب شد.

در پی این آزمایش بسیار موفقیت آمیز روسها تصمیم گرفتند انسان را هم به فضا بفرستند. به دلیل اینکه وسیله فضاپیما به نوعی یک وسیله پرنده تلقی می شد شخصی که با این وسیله به فضا می رفت می بایستی خلبان باشد.

به این ترتیب فصل جدیدي در کشف ناشناخته ها گشوده شد. کشورهاي بلوك غرب نیز در پی آزمایشهاي موفقیت آمیز روسها تصمیم گرفتند اکتشافات فضایی خود را آغاز کنند.

فضاپیما

فضاپیما یا سفینه فضایی وسیله نقلیه اي است که براي خروج از جو کره زمین طراحی شدهاست. فضاپیماها بر دو نوع سرنشیندار و بیسرنشین هستند. فضاپیماها براي منظورهاي گوناگونی طراحی میشوند از جمله ماموریتهاي مخابراتی، دیدبانی ماهوارهاي کره زمین، هواشناسی، ناوبري، اکتشاف سیارات، گردشگري فضایی و جنگ فضایی.

نمونه هایی از فضاپیماها

سرنشیندار:

فضاپیماي دیسکاوري ·

فضاپیماي گالیله ·

فضاپیماي جمینی ·

فضاپیماي میر ·

فضاپیماي آپولو ·

شاتل فضایی ·

فضاپیماي سویوز ·

فضاپیماي شنژو ·

ایستگاه بین المللی فضایی ·

فضاپیماي وسخود ·

فضاپیماي وستوك ·

شاتل هاي فضایی:

در بین تمامی وسایلی که به فضا پرتاب شدهاند نام یکی از آنها بیشتر از بقیه به گوش ما خورده است، شاتل (Shuttle).

شاتل فضایی به سفینه هایی گفته میشود که براي ماموریتهاي فضایی ساخته میشوند. شاتلها را در اصطلاح Transportation System Space

به معنی سیستم حمل و نقل فضایی میگویند

شاتل در زبان انگلیسی به معناي رفت وآمدکننده است. طراحی و ساخت به گونه اي انجام میگیرد که حداقل انجام 100 ماموریت را بتواند انجام دهد.

ایالات متحده براي ماموریتهاي فضایی سرنشیندار خود از آن استفاده میکند. بیش از دو دهه از عملیاتی شدن این سامانه میگذرد.

شاتل مثل یک راکت موشک پرتاب شده و مانند هواپیما فرود میاید.

راه یابی به فضا پیچیده است، چرا که باید با بسیاري از مشکلات روبرو شد. مثلا

1.  وجود خلا در فضا

2.     مشکلات گرما و حرارت

3.     مشکل ورود مجدد به زمین

4.     مکانیک مدارها

5.     ذرات و باقی مانده هاي فضا

6.     تابش هاي کیهانی و خورشیدي

7.     طراحی امکانات براي ثابت نگه داشتن اشیا در بی وزنی

8.     ولی بزرگترین مشکل ایجاد انرژي لازم براي بالا بردن فضاپیما از زمین است که براي درك این موضوع باید به بررسی طرز کار موتورهاي موشک پرداخت.

تاریخچه ي شاتل هاي فضایی :

امریکایی ها به وسیله اي مطمئن و کم هزینه نیاز داشتند که بتوانند از آن چندین بار استفاده کنند. ، به این ترتیب ایده شاتل فضایی را بوجود آوردند. این یک کار بزرگ و پروژه اي طولانی مدت بود که براي ارسال 2 میلیون کیلوگرم تجهیزات و مسافربه مدار 185 تا 643 کیلومتري بالاي زمین طراحی می شد.. ناسا شروع به مطالعه وطراحی شاتل فضایی کرد و بالاخره پس از سالها آزمایش روي بخشهاي مختلف 4 شاتل کلمبیا، آتلانتیس، دیسکاوري و چالنجر آماده پرواز شدند. پرواز اول در سال 1980 شاتل کلمبیا با موفقیت انجام گرفت.

تا به حال شاتلهاي Discovery, Atlantis ,Endeavour ,Columbia, Challenger

جمعا 113ماموریت فضایی انجام داده اند و در مجموع توانسته اند 600 فضانورد را حمل کنند. فهرست این شاتلها تا به امروز این چنین است:

1.     Columbia اُوي: 102 اولین شاتل ساخته شده در سال 1979 به سفارش مرکز فضایی کندي ناسا

2.     Challenger اُوي 099 یا اس تی ای 099 : به سفارش KSC در جولاي 1982

3.     Discovery اُوي103 : در نوامبر 1983 ساخته شد.

4.     Atlantis اُوي 104 : در آوریل 1985 ساخته شد.

5.     Endeavour اُوي 105: در می 1991 براي جایگزینی سفینه Challenger - در فلوریدا ساخته شد.

شاتلهاي فضایی بسیار هزینه بر هستند، ارزش یک شاتل بیشتر از دو میلیون پوند است به طوري که پرتاب آن فقط پانصد میلیون دلار هزینه در بر دارد و این، غیر از هزینه هاي نگهداري و تعمیرات آن است.

شاتل فضایی در طول عمر عملیاتی خود رکوردهاي فضایی بیشماري را ثبت کرده است. تزریق ماهواره در مدار، تعمیر یا تغییر مداري ماهواره در فضا و پشتیبانی ایستگاههاي فضایی عمده ماموریتهایی بوده است که شاتل تاکنون انجام داده است.ماموریتها هر جایی در فضا میتوانند باشند در مدت زمانی بین 5 تا 16 روز. معمولا" در اولین پروازهاي شاتل آنها کمترین خدمه ( 2 نفر) را حمل میکنند و بیشترین تعداد افراد معمولا" 8 نفر اند. و طراحی وساخت آن یک کار فوق العاده تخصصی و حساس مهندسی است و در آن از انواع رشته هاي مهندسی،ریاضی، فیزیک، بعضی گرایشهاي شیمی و مهندسی سیستم استفاده میشود .

ناسا با سرعت هرچه تمامتر به پروازهاي شاتل ادامه میداد تا اینکه در 28 ژانویه 1986 ، وقوع یک فاجعه، جهان را شوکه کرد. شاتل فضایی چلنجر در پرواز51- L ، درست 73 ثانیه پس از پرتاب و در حالی که حدود 9 مایل در جهت عمودي و 7 مایل در جهت افق به پیش رفته بود، ناگهان در هوا منفجر شد و هر 7 فضانورد آن کشته شدند). علت این حادثه چند ماه بعد معلوم شد: به وجود آمدن نقص در یکی از عایقهاي حرارتی یکی ازبوسترهاي پیشران جامد . ناسا بعد از این سانحه کلیه عملیاتهاي فضایی سرنشیندار خود را به مدت دو سال تعطیل کرد .تا سال 1986 ، این وسیله 24 پرواز موفقیت آمیز را در کارنامه خود ثبت کرد و طی آنها توانست فضانوردانی از آلمان غربی، کانادا، فرانسه، عربستان سعودي، هلند و مکزیک را نیز به فضا ببرد.

بعد از این حادثه شاتلهاي فضایی بازهم به کار خود ادامه دادند تا اینکه در روز شنبه 12 بهمن 1381 2003 در حدود ساعت 14 به وقت جهانی هفت فضانورد شاتل کلمبیا در پایان یک مأموریت 16 روزه علمی آماده میشدند که به زمین بازگردند، اما در کمال حیرت مردمان این فضا پیما در اثر یک مشکل در قسمت مخازن سوخت منفجر شد و ازبین رفت. این دومین بار در تاریخ فضانوردي بود که غم دیگري را براي آنها بناگذارد.

ناسا در سال 2004 رسماً اعلام کرد که قصد دارد تا سال 2010 شاتل فضایی را بازنشسته کرده و وسیله فضایی سرنشیندار بازگشتپذیري تحت عنوان اوریون را براي سفر به ماه و مریخ جایگزین آن نماید.

شاتل فضایی یا سامانه حمل و نقل فضایی از سه قسمت اصلی تشکیل شده است:

1.     وسیله مدارگرد بخش اصلی

2.     اس آربی ، موتورهاي راکتی جامد) موشکهاي جامد تقویت کننده)

3.     مخزن پیشران خارجی ، ئی تی یا مخزن سوخت بیرونی

مدار پیما:

مدارگرد، که گاهی به تنهایی شاتل فضایی خوانده می شود، همان وسیله هواپیماشکلی است که به زمین بازمیگردد و فرود میآید.

وظیفه اصلی مدارگرد حمل فضانوردان براي حمل 4 الی 7 فضانورد که دو نفر آنها حتماً خلبان هستند طراحی شده است. مدارگردها قادر هستند در موارد اضطراري تا 11 نفر را نیز با خود به زمین بازگردانند و محموله ها به فضا و بازگرداندن آنها به زمین است. این بخش شاتل شبیه به یک هواپیما با دو بال دلتا و دمی عمودي است.

مدارگرد به هنگام بازگشت به زمین بدون هیچگونه نیروي پیشران بر روي باند فرود میآید. بازگشت مدارپیما یکی از حساسترین مراحل سفر است. ابتدا مدارپیما باید 180 درجه گردش کند و سپس تحت زاویه خاص 28تا 36 درجه گردش کند تا سطح زیرین آن به اتمسفر برخورد کند. مدارپیما در این حالت با سرعت 28 هزار کیلومتر در ساعت از اتمسفر زمین عبور می کند و دماي سطح آن در این لحظه به 3000 درجه سانتیگراد میرسد. بعداز اینکه مدار پیما از جو عبور کرد به ارتفاعی می رسد که غلظت هوا در آنجا زیاد است. از این به بعد شکل ابتدا طرف زمین مانور میدهد تا سرعت سقوطش کم s مدار پیما مانند هواپیما با کمک بالها در یک ناحیه شود. پس از اینکه مدارپیما به باند فرود رسید چتر سرعت گیر را باز میکند تا آرام روي باند توقف کند .

جنس سازه اصلی تشکیل دهنده مدارگرد عمدتا از آلومینیوم است اما سازه پشتیبان سامانه پیشرانش آن از آلیاژ تیتانیوم ساخته شده است

مدارگرد از سه قسمت اصلی تشکیل شده است. در قسمت جلویی آن کابین کنترل و محل استقرار فضانوردان قرار دارد . قسمت میانی مدارگرد با دارا بودن فضایی خالی با طول زیاد، بستري براي حمل محموله ها است . در قسمت عقبی کنار دم مدارگرد نیز سه موتور پیشران مایع قرار دارند که در هنگام پرتاب از مخزن سوخت خارجی تغذیه شده و بخشی از نیروي رانش مرحله اول و تمام نیروي مرحله دوم پرتاب را تامین میکنند.

بازوي رباتی یا جایگذاري از راه دور نیز یکی از سامانه هاي جانبی مهم مدارگرد است که در طول بستر بار آن قراردارد . وقتی مدارپیما به ایستگاه مورد نظر رسید دربهاي بالاي بدنه باز شده و تجهیزات توسط بازوي مکانیکی که درون آن تعبیه شده به ایستگاه تحویل می شود.

یکی از مهمترین و حساسترین بخشهاي مدارگرد، کاشیهاي عایق حرارتی هستند که در زیر بدنه، بال و دماغه شاتل بهصورت سرتاسري نصب میشوند تا در هنگام ورود مجدد مدارگرد به زمین جلوي نفوذ حرارت چندین هزار درجه اي را به شاتل بگیرند. سانحه دوم شاتل فضایی به خاطر نقص به وجود آمده در یکی از همین عایقها بود.

اس آربی- موتورهاي راکتی جامد یا دو موشک جامد تقویت کننده

موتورهاي راکتی جامد شاتل فضایی به رنگ سفید بوده و در طرفین مخزن خارجی نصب میشوند. این دو نقش اصلی را در مرحله اول پرتاب شاتل فضایی بر عهده دارند. بدین ترتیب که فراهم کننده بیشترین نیرو حدود 71% براي بلندکردن شاتل فضایی از سکوي پرتاب هستند. موشکهاي جامد آخرین بخشی هستند که پس ازاجازه پرتاب روشن می شوند. چون پس از آتش گرفتن دیگر قابل خاموش کردن نیستند.

پس از حدود 2 دقیقه و در ارتفاع حدود 45700 متري پس از پرتاپ شاتل از سامانه جدا میشوند و و به کمک چتر در اقیانوس سقوط میکنند و سپس به وسیله یدك کشهاي مخصوصی از آب گرفته شده و جهت بازیافت و استفاده مجدد مورد استفاده قرار میگیرند.

مخزن پیشران مایع خارجی یا مخزن سوخت بیرونی

مخزن پیشران مایع خارجی، محفظهاي است براي نگهداري هیدروژن و اکسیژن مایع که در موتورهاي راکتی پیشران مایع نصب شده در پشت مدارگرد، تزریق میشوند. قادر است 2 میلیون لیتر سوخت را در خود نگاه دارد.

سه موتور روي مدار پیما که سوخت مخزن بیرونی را که شامل اکسیژن و هیدروژن است را با هم ترکیب می کنند و باقیمانده نیرو را حدود % 29 براي بلند کردن شاتل فراهم می کنند. آب حاصل از ترکیب اکسیژن وهیدروژن بخاطر گرماي فوق العاده سریع بخار می شود و می توان بخار حاصله را به هنگام بلند شدن شاتل مشاهده کرد..

پس از جدایش موشکهاي جامد مدارگرد با استفاده از پیشران موجود در این مخزن، تا ارتفاع 113 کیلومتري بالا میرود . حدود 8 دقیقه بعد از لحظه پرتاب این مخزن جدا و در هوا متلاشی میشود و برخی بقایاي آن در اقیانوس هند یا اطلس سقوط میکنند.

پرتاپ شاتل

شاتل فضایی حتی به نوعی در فرهنگ عامه مردم جهان نیز وارد شده است. کودکان سراسر جهان در رویاهاي خود سوار شدن بر شاتل را تصور میکنند و بزرگترها در کنار عباراتی نظیر آپولو هوا کردن، از این نماد آمریکایی، به عنوان ضرب المثلی براي تشبیه کارهاي بسیار سخت، پیچیده و غیرممکن استفاده میکنند. دیدن منظره پرتاب شاتل فضایی، همواره گردشگران زیادي را به اطراف مرکز فضایی کندي یا کیپ کاناورال درایالت فلوریدا میکشاند.

اگرچه تاکنون دهها بار شاتل فضایی به فضا پرتاب شده و بازگشته است، اما هنوز هر ماموریت جدید آن هیجان بسیار زیادي دارد که حجم زیادي از اخبار علمی جهان را به خود اختصاص میدهد.

مراحل پرتاب شاتل به فضا:

پس از آنکه شاتل در سکوي پرتاب آماده پرتاب شد از 31 ثانیه قبل از پرتاب مراحل زیر اتفاق می افتد:

31 ثانیه قبل: کامپیوترهاي مرکزي تمام کنترل ها را بر عهده می گیرند.

6/6 ثانیه قبل: موتورهاي اصلی نوبت به نوبت روشن می شوند و به % 90 قدرت خود می رسند.

لحظه پرتاب: موشکهاي جامد تقویت کننده آتش می گیرند.

2 دقیقه بعد: در ارتفاع 45 کیلومتري موشکهاي جامد تقویت کننده از شاتل جدا می شوند. در این لحظه چترنجات موشکها ي جدا شده باز می شوند تا 200 کیلومتر دورتر و در اقیانوس آرام فرود آیند. بوسیله تیم ناسا از آب گرفته میشوند تا به مرکز برده شوند وبراي پرتاب بعدي استفاده شوند.

9 دقیقه بعد: مخزن سوخت بیرونی از شاتل جدا می شود و بخاطر برخورد با سرعت بالا به مولکولهاي هوا در جو زمین می سوزد

10 دقیقه بعد: موتورهاي سیستم مدیریت مقصد روشن می شوند تا شاتل را در مدار پایینی قرار دهند.

45 دقیقه بعد: موتورهاي سیستم مدیریت مقصد دوباره روشن می شوند تا شاتل رادر مدار بالا یی ارتفاع 400کیلومتري از سطح زمین قرار دهند.

اکنون شاتل به یک مدار پیما تبدیل شده و خارج از جو آماده ادامه ماموریت است.

ایستگاه فضایی بین المللی

(International Space Station:ISS)

یک ایستگاه فضایی است که با مشارکت بیش از 15 کشور ساخته میشود. این ایستگاه فضایی در مدار زمین و در ارتفاع 350 کیلومتري ازسطح زمین در حرکت است. سرعت آن در مدار معادل 27.700 کیلومتر بر ساعت است، که به این ترتیب روزي 15 بار به دور سیاره زمین گردش میکند. ساخت این ایستگاه فضایی هنوز ادامه دارد و تکمیل آن براي سال 2010 پیشبینی شده است. پس از تکمیل، ایستگاه فضایی بین المللی 450 تُن وزن خواهد داشت، و 1200 مترمکعب فضاي کار، پژوهش و زندگی براي فضانوردان فراهم خواهد آورد.

این ایستگاه محصول همکاري مشترك سازمان ناسا،سازمان فضایی روسیه، سازمان فضایی اروپا، سازمان فضایی ژاپن، و سازمان فضایی کانادا است. سازمان فضایی برزیل از طریق همکاري با ناسا با این برنامه مشارکت میکند. سازمان فضایی ایتالیا، هم به عنوان یک عضو فعال در سازمان فضایی اروپا، و هم بطور مستقل در برنامه ایستگاه فضایی مشارکت میکند. سازمان فضایی چین نیز علاقه خود را براي پیوستن به جمع مشارکت کنندگان، به ویژه از طریق همکاري با سازمان فضایی روسیه اعلام داشته است.

این ایستگاه در حالت عادي ظرفیت سه سرنشین دائمی را دارا است، اگرچه هنگام اتصال فضاپیماها و ورود اردوهاي جدید، تعداد فضانوردان درون ایستگاه بطور موقت تا 10 نفر هم افزایش مییابد. پس از تکمیل ایستگاه در سال 2010 ، ظرفیت عادي آن به 7 نفر خواهد رسید، که این تعداد براي انجام تمام پژوهشها و آزمایشهاي برنامه ریزي شده ضروري است.

تخمین زده میشود که جمع هزینه هاي این ایستگاه از آغاز ساخت تا پایان حدود 100 میلیارد یورو باشد. به این ترتیب، ایستگاه فضایی بین المللی پرهزینه ترین دستگاه ساخته شده در طول تاریخ بشر است.

ویژگیها و اهداف

کاربردهاي اصلی ایستگاه فضایی بین المللی عبارتند از:

آزمایشگاه فضایی براي انجام پژوهشهاي نوین، پژوهشها و آزمایشهایی که انجام آنها روي زمین به علت وجود جاذبه ممکن نیست یا با دشواريهایی همراه است؛

رصدخانه دائمی در مدار زمین، براي رصد کردن زمین، خورشید، منظومه شمسی و کیهان؛ ·

مرکز حمل و نقل مداري: که میتوان در آن فضاپیماها، بار و قطعات گوناگون را گردآوري کرد، و پس از مونتاژ و تنظیم، آنها را به مقصد مورد نظر فرستاد؛

مرکز سرویس : براي تعمیر، نگهداري، و تنظیم فضاپیماها و ماهواره ها در مدار زمین؛ ·

مرکز ساخت و ساز : براي مونتاژ و نصب سازههاي بزرگ فضایی؛ ·

مرکز همکاري پژوهشی : با بخش خصوصی در زمینه مهندسی هوافضا با هدف پیشبرد فنآوري فضایی و تشویق بیشتر بخش خصوصی به سرمایه گذاري در آن.

 اولین بخش ایستگاه یاسنگ بناي ایستگاه فضایی بین المللی، بخش زاریا نام دارد و ساخت روسیه است. پرتاب زاریا در روز 29 آبان 1377  20 نوامبر 1998توسط موشک پروتون از پایگاه فضایی بایکونور به مدارزمین، ایستگاه فضایی عملاً متولد شد.

ایستگاه فضایی بین المللی در شب بصورت ستارهاي متحرك با چشم غیرمسلح قابل رؤیت است.

منبع اصلی تأمین نیرو در ایستگاه فضایی بین المللی، انرژي خورشیدي است.

کنترل هواي قابل تنفس اتمسفر داخل ایستگاه فضایی بین المللی مهمترین وظیفه این سامانه است. وظیفه تولید اکسیژن در ایستگاه به عهده دستگاهی موسوم به الکترون است. الکترون نه تنها هواي درون ایستگاه را تصفیه میکند، بلکه با روش الکترولیز اکسیژن و هیدروژن را از آب مصرف شده در ایستگاه جدا کرده، اکسیژن را به اتمسفر ایستگاه برمیگرداند و هیدروژن را در فضا تخلیه مینماید.

در کنار آن، تمام آب مصرف شده در ایستگاه ذخیره و بازیابی میشود. فاضلاب ایستگاه داخل ایستگاه

جمع آوري شده، پس از تصفیه مجدداً آب خالص از آن بازیافته میشود و مورد استفاده قرار میگیرد.