مهندسی بی‌نهایت: شاتل فضایی؛ اولین فضاپیمای چندبارمصرف

• هنگام خروج از جو و جدا شدن از فضاپیما به اقیانوس انداخته شوند. (مانند مراحل اول موشک‌های ساترن ۵)
• وسط بیابان‌های خالی از سکنه سقوط کنند. (بوسترها و مراحل اول سایوز)
• هنگام ورود مجدد به جو زمین در آن بسوزند. (مرحله‌ی دوم به بالای اکثر موشک‌ها)
• یا به‌عنوان زباله‌ی فضایی در مدار زمین رها شوند. (مراحل آخر ساترن ۵)

حتی کپسول‌های حاوی فضانوردان که با چتر نجات روی آب یا خشکی فرود می‌آمدند و تنها قسمتِ نسبتا سالمی بودند که از فضا به زمین بازمی‌گشتند هم چندبارمصرف نبودند و پس از بازیابی فضانوردان رهسپار موزه‌های علمی می‌شدند.

بقایای سایوز در سیبری و بقایای ساترن ۵ در اعماق اقیانوس

به‌همین دلیل دسترسی به فضا برای انسان همواره بسیار گران تمام می‌شد و درنتیجه تنها در انحصار دولت‌ها بود. باوجود دراختیار داشتن بودجه‌های کلان، همین دسترسی نصفه‌ونیمه به فضا هم گاهی برای سازمان‌های دولتی بسیار گزاف به‌نظر می‌رسید. برای مثال بودجه‌ی سالانه‌ی ناسا در دهه‌ی ۶۰ میلادی و دوران اوج رقابت فضایی به ۵/۹ میلیارد دلار (معادل ۴۰ تا ۵۰ میلیارد دلار امروزی با احتساب نرخ تورم) می‌رسید؛ چیزی حدود ۴ درصد از کل بودجه‌ی فدرال آمریکا در آن زمان. هزینه‌ی برنامه‌های فضایی در قرن بیستم میلادی به‌قدری زیاد بود که بسیاری عقیده دارند یکی از دلایل ورشکستگی اقتصادی اتحاد جماهیر شوروی و درنتیجه فروپاشی آن، سرمایه‌گذاری‌های کلان آن رژیم در رقابت فضایی با آمریکا بود.

اواخر دهه‌ی ۳۰ میلادی، آلمان نازی پروژه‌ای با نام «بمب‌افکن آمریکا» را آغاز کرده بود. هدف از این پروژه ساخت هواپیمایی بود که بتواند از خاک آلمان بلند شود و با عبور از اقیانوس اطلس آمریکا را بمباران کند. درمیان طرح‌های پیشنهادی مهندسان آلمانی، طرح ایوگن سنگر با سایر طرح‌ها تفاوت اساسی داشت. طرح پیشنهادی سنگر با نام «سیلبر وگل» (پرنده‌ی نقره‌ای) عملا یک راکت بال‌دار بود. سیلور وگل که قرار بود چندبارمصرف باشد، پس از اوج گرفتن تا مرز فضا، دوباره به سمت زمین شیرجه می‌زد. در هنگام ورود به استراتوسفر، افزایش چگالی اتمسفر برای راکت بال‌دارِ سنگر نیروی لیفت ایجاد می‌کرد و آن را مجددا به ارتفاع بالاتر باز می‌گرداند. این فرایند تکرار می‌شد و درنهایت سیلبروگل با چندین بار شیرجه زدن و اوج گرفتن متوالی، از فراز اقیانوس می‌گذشت و به آمریکا می‌رسید. هرچند ساخت سیلبروگل هیچ‌گاه به سرانجام نرسید، اما با سقوط آلمان نازی، طرح‌های مفهومی آن به‌دست آمریکایی‌ها افتاد و تبدیل به مبنایی برای ساخت اولین موشک-هواپیمای آمریکا شد.

اولین طرح‌های مفهومی ناسا از فضاپیمای چندبارمصرف و شاتل فضایی

X-15 بین سال‌های ۱۹۵۹ تا ۱۹۶۸ در مجموع ۲۰۰ پرواز آزمایشی انجام داد که در برخی از آن‌ها توانست از خط کارمن (خط فرضی در ارتفاع ۱۰۰ کیلومتری از سطح دریا که رسما به‌عنوان مرز فضا تعریف می‌شود) عبور کند. جالب است بدانید X-15 با ثبت سرعت ۷۲۷۴ کیلومتر بر ساعت در سال ۱۹۶۷، همچنان رکورددار سریع‌ترین هواپیمای مجهز به پیشرانه‌ی موشکی است.

نیل آرمسترانگ درکنار هواپیما-فضاپیمای X-15

کمی بعد نیروی هوایی آمریکا کار روی «هواپیمای فضایی» X-20 را شروع کرد که از لحاظ ظاهری، بیشترین شباهت را با بخش مدارگرد شاتل داشت. هرچند X-15 هیچگاه جنبه‌ی کاربردی پیدا نکرد و ساخت X-20 هرگز عملی نشد، اما این دو هواپیما و طرح‌های مشابه، درنهایت مبنای طراحی شاتل فضایی شدند.

اهمیت هواپیماهای فضایی شبیه به شاتل، حتی قبل از فرود انسان روی ماه به‌خوبی درک شده بود. ورنر فون براون، مهندس موشکی آلمان نازی که پس از جنگ جهانی دوم به آمریکا آمده بود و نقش کلیدی در توسعه‌ی برنامه‌ی موشکی-فضایی آمریکایی‌ها داشت، پارادایمی ۴ مرحله‌ای برای برنامه‌های فضایی پیشنهاد کرده بود. مراحل پارادایم فون براون به ترتیب عبارت بودند از:

• ارسال انسان به فضا؛
• توسعه‌ی فضاپیمای چندبارمصرف برای آسان و ارزان‌تر شدن دسترسی به فضا؛
• ساخت ایستگاه فضایی با استفاده از فضاپیمای چندبارمصرف؛
• مسکونی کردن ایستگاه فضایی و استفاده از آن به‌عنوان پایگاهی برای ارسال انسان به مأموریت‌های فضایی در ماه و بعدها مریخ.

ورنر فون براون درحال توضیح دادن طرح مفهومی خود از فضاپیمای چندبارمصرف و ایستگاه فضایی

چشم‌انداز فون بروان به‌قدری جذاب و آینده‌نگرانه بود که ناسا در بدو تأسیس در اواخر دهه‌ی ۵۰ میلادی، آن را نقشه‌ی راه خود اعلام کرد. حال ممکن است این سؤال پیش بیاید که اگر ناسا از همان ابتدا اهمیت استفاده از فضاپیماهای چندبارمصرف را درک کرده بود، چرا برنامه‌ی فضایی آمریکا کوچک‌ترین شباهتی به پارادایم فون براون نداشت و ساخت شاتل فضایی تا سال ۱۹۷۲ به تعویق افتاد. پاسخ این پرسش «مسابقه‌ی فضایی» با شوروی است.

همین موضوع باعث شد تا برنامه‌ی آپولو با اولویت بالاتری شروع به کار کند و پارادایم فون براون نادیده گرفته شود. در این رقابت فضایی، سرعت از هرچیز دیگری مهم‌تر بود. به‌همین دلیل ناسا به‌دنبال استفاده از موشک‌های یک‌بارمصرف و بازگرداندن فضانوردان به‌وسیله‌ی کپسول و چتر نجات رفت؛ تکنولوژی‌هایی که تا آن زمان به‌خوبی پیشرفت کرده بودند و احتیاج به تحقیق و توسعه‌ی زمان‌بر در آن‌ها نسبت به شاتل فضایی به‌شدت کم‌تر بود.

رقابت فضایی با قدم‌گذاشتن نیل آرمسترانگ روی سطح ماه در سال ۱۹۶۹ به اتمام رسید و به‌تبع آن، برنامه‌ی آپولو چند سال بعد خاتمه یافت. پس از شکست دادن شوروی در مسابقه‌ی رسیدن به ماه، ناسا به‌دنبال هدف جدیدی برای خود می‌گشت. اوایل سال ۱۹۶۹، ریچارد نیکسون، رئیس جمهور وقت آمریکا کارگروهی برای مشخص کردن هدف بعدی ناسا تعیین کرد. در سپتامبر همان سال، کارگروه نیکسون در گزارش خود اعلام کرد که بهتر است ناسا بار دیگر به پارادایم فون براون بازگردد: شاتل؛ ایستگاه فضایی؛ ارسال انسان از ایستگاه به ماه؛ ارسال انسان از ایستگاه به مریخ.

جیمز فلچر، مسئول وقت ناسا، درحال توضیح دادن طرح شاتل فضایی برای ریچارد نیکسون

نیکسون از پیشنهاد کارگروه استقبال نکرد؛ چراکه به‌نظر او طرح پیشنهادی باتوجه به بودجه‌ی ناسا بسیار گران‌قیمت تمام می‌شد. تنها بخش از پارادایم فون براون که توانست نظر مساعد و موافقت نیکسون را جلب کند، ساخت شاتل فضایی بود. نیکسون در سال ۱۹۷۲ هنگام تشریح برنامه‌ی جدید ناسا برای مردم آمریکا گفت:

شاتل فضایی دسترسی آمریکا به فضا را مکرر و ارزان‌تر خواهد کرد و پیشرفت‌های بعدی به‌لطف این دو ویژگی، خودبه‌خود از راه خواهند رسید.

ایده‌ی اصلی ناسا از شاتل، موشکی دومرحله‌ای با قابلیت استفاده‌ی مجدد از هر دو مرحله بود. در طرح‌های ابتدایی ناسا مرحله‌ی اول موشک که مجهز به بال بود، مدارگرد شاتل را تا ارتفاع ۱۵ کیلومتری بالا می‌برد و پس از جداشدن از آن، در بازگشت به زمین مانند هواپیماهای معمولی روی باند فرود می‌آمد. درنهایت این ایده به‌دلیل مسائل مالی جامه‌ی واقعیت به‌خود نگرفت و شاتل به‌شکلی که امروزه آن را می‌شناسیم طراحی شد؛ دو تقویت‌کننده (بوستر) در دو سوی یک مخزن نارنجی، چسبیده به یک مدارگرد.

اگرچه نام رسمی برنامه‌ی شاتل، «سیستم حمل‌و‌نقل فضایی» (Space Transportation System) بود، اما درطول دوران حیات این برنامه، قسمت مدارگرد یا حتی کل مجموعه‌ی بوستر-مخزن-مدارگرد بین عموم به شاتل فضایی مشهور شد. در ادامه‌ی این متن نیز به‌منظور سهولت از نام شاتل برای اشاره به سیستم حمل‌و‌نقل فضایی استفاده خواهد شد.

ناسا وظیفه‌ی خطیر ساخت قسمت مدارگرد شاتل (که فضانوردان را در خود جای می‌داد و شبیه به هواپیماهای متداول بود) را به راکوِل اینترنشنال (که بعدها در بویینگ ادغام شد) واگذار کرد. ازآنجایی‌که آماده‌سازی مجدد مدارگرد برای ارسال دوباره به‌فضا فرآیندی زمان‌بر است، راکول به‌سفارش ناسا در مجموع پنج مدارگرد با نام‌های کلمبیا، چلنجر، دیسکاوری، آتلانتیس و اِندوِر ساخت تا از این طریق بتواند فاصله‌ی زمانی بین هر پرتاب را کاهش بدهد. مدارگردهای شاتل با قابلیت ۱۰۰ بار استفاده‌ی مجدد و طول عمر ۱۰ سال طراحی شده بودند؛ هرچند درنهایت تعداد دفعات استفاده از هیچ‌کدام از مدارگردها به عدد ۱۰۰ نرسید، اما طول‌عمر آن‌ها از آنچه در ابتدا برنامه‌ریزی شده بود بسیار فراتر رفت.

اولین پرواز آزمایشی انترپرایز در سال ۱۹۷۷ و ازطریق سوار شدن روی هواپیمای بویینگ ۷۴۷ انجام شد. برخلاف باور عموم، فرود مدارگردهای شاتل، چندان هم شبیه به هواپیماهای مسافربری نیست. مدارگرد شاتل نه‌تنها مجهز به موتور جت نبود، بلکه هنگام بازگشت به زمین کاملا خالی از سوخت موشک بود و درنتیجه از موتورهای موشک خود هم نمی‌توانست استفاده کند. این موضوع باعث می‌شد مدارگرد در بازگشت از فضا توانایی تولید هیچ‌گونه نیروی پیشران نداشته باشد و مانند «گلایدر» پرواز کند. انترپرایز پس از انجام چند آزمایش گلاید دیگر بازنشسته و از قطعات آن برای ساخت سایر مدارگردها استفاده شد.

مدارگرد انترپرایز، سوارشده روی بویینگ ۷۴۷ برای تست گلاید

کلمبیا اولین مدارگرد کامل شاتل با قابلیت ارسال شدن به فضا بود و اولین پرواز خود را در سال ۱۹۸۱ انجام داد. چلنجر، دیسکاوری و آتلانتیس هم به‌ترتیب در سال‌های ۱۹۸۳، ۱۹۸۴ و ۱۹۸۵ به‌پرواز درآمدند. اندور، پنجمین و آخرین مدارگرد شاتل هم در سال ۱۹۹۲ جایگزین چلنجر شد. هنگامی که از جان یانگ، فرمانده اولین مأموریت شاتل با نام STS-1 پیش از اولین پرتاپ پرسیده شد که آیا مضطرب است، او در پاسخ گفت:

هرکسی که روی بزرگ‌ترین سیستم سوخت هیدروژن-اکسیژن جهان قرار بگیرد، بداند که قرار است انتهای سیستم مشتعل شود و ذره‌ای نگران نشود، کاملا شرایط را درک نکرده است.

قسمت اعظم بدنه‌ی مدارگردهای کلمبیا و چلنجر از آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم ساخته شده بود و وظیفه‌ی تحمل فشارهای آیرودینامیک روی پنجره‌ها را ورقه‌ای شفاف از جنس آلومینیوم سیلیکات با قطر ۳.۳ سانتی‌متر برعهده داشت. با پیشرفت‌های روزافزون علم‌مواد، ناسا هنگام ساخت مدارگردهای دیسکاوری، آتلانتیس و اندور تصمیم گرفت به‌منظور کاهش دادن وزن، فیبر کربن را جایگزین برخی قطعات آلومینیومی کند. 

مدارگردهای ۶۸ تنی شاتل با ۳۷ متر طول و ۱۷ متر ارتفاع قادر بودند ۶ تا ۸ فضانورد و ۲۵ تن بار را در هر پرتاب به فضا ارسال کنند. طول بال این مدارگردها به ۲۴ متر می‌رسید و مساحت آن‌ها برابر با ۲۵۰ متر مربع بود. یکی از چالش‌های بزرگ پیش روی مهندسان ناسا هنگام طراحی مدارگرد شاتل، یافتن ترفندی برای مقابله با حرارت فوق‌العاده بالای ایجاد شده براثر ورود مجدد به جو زمین بود. درنهایت راهکار مهندسان برای ساخت سپر حرارتی استفاده از هزاران قطعه (یا به‌اصطلاح کاشی) از جنش سرامیک بود. در ویدیوی زیر، توانایی عایقی فوق‌العاده‌ی کاشی‌های سیلیکایی شاتل به‌خوبی دیده می‌شود.

هر مدارگرد مجهز به سه موتور موشک RS-25D ساخت راکت داین معروف به «موتور اصلی شاتل فضایی» یا SSME برای قرارگرفتن در مدار بود. این موتورها که میراث‌دار موتور J-2 به‌کاررفته در مرحله‌ی دوم موشک‌های ساترن ۵ هستند، با داشتن تکانه‌ی ویژه‌ی برابر با ۴۵۲ ثانیه در خلاء و ۳۶۶ ثانیه در سطح دریا، هنوز هم بهینه‌ترین موتورهای موشک با سوخت مایع به‌شمار می‌روند. باوجود عملکرد بالا و ایجاد نیروی رانش برابر با ۱۸۶۰ کیلونیوتن در سطح دریا، موتورهای مدارگرد تنها ۱۷ درصد نیروی رانش شاتل را هنگام پرتاب تأمین می‌کردند و وظیفه‌ی اصلی بلندکردن فضاپیما از سطح زمین تا ارتفاع ۴۲ کیلومتری برعهده‌ی دو تقویت‌کننده‌ی سوخت جامد بود.

سه موتور اصلی شاتل حدود ۶ ثانیه پیش از پرتاب با فاصله‌ی زمانی ۱۲۰ میلی‌ثانیه از یکدیگر روشن می‌شدند

پیشرانه‌های ورنیر روی دماغه‌ی شاتل آتلانتیس

کابین خدمه‌ی مدارگرد شاتل از سه طبقه تشکیل می‌شد: عرشه‌ی پرواز، طبقه‌ی میانی و قسمت تجهیزات. عرشه‌ی پرواز، همان‌طور که از نامش پیدا است، فرمانده و خلبان شاتل را در خود جای می‌داد. این طبقه همچنین درصورت نیاز توانایی میزبانی از دو متخصص در قسمت پشتی فرمانده و خلبان را هم داشت. مغز الکترونیکی مدارگرد شاتل که در این طبقه قرار گرفته بود، از پنج کامپیوتر یکسان IBM AP-101 تشکیل می‌شد. اگرچه هرکدام از این کامپیوترها به‌تنهایی قابلیت کنترل کامل مدارگرد را داشتند، اما ناسا برای امنیت بیشتر تصمیم به استفاده از پنج کامپیوتر گرفته بود تا درصورت بروز نقص فنی برای یکی از آن‌ها، کامپیوتر دیگری به‌سرعت جایگزین آن شود.

طبقه‌ی میانی که زیر عرشه‌ی پرواز قرار می‌گرفت، محل استقرار سایر خدمه‌ی شاتل بود و ظرفیت آن به سه نفر می‌‌رسید. سرویس بهداشتی، آشپزخانه، محل خواب و هوابند ورود و خروج از شاتل هم در طبقه‌ی میانی قرار داشتند. درنهایت طبقه‌ی تحتانی مدارگرد با نام قسمت تجهیزات، مخازن آب‌و‌هوا و تجهیزات بازیافت دی‌اکسید کربن را در خود جای داده بود.

برای مشاهده‌ی تصویر در ابعاد اصلی روی آن کلیک کنید.

از کابین سه‌طبقه‌ی خدمه که بگذریم، به بزرگ‌ترین قسمت شاتل یعنی محفظه‌ی حمل بار یا Cargo Bay می‌رسیم. محفظه‌ی حمل بار که کاملا از کابین خدمه جدا بود، با ۱۸ متر طول و ۴.۶ متر قطر، بزرگ‌ترین قسمت بدنه‌ی مدارگرد شاتل را تشکیل می‌داد. ماهواره‌ها، قطعات سازنده‌ی ایستگاه بین‌المللی فضایی و دیگر محموله‌هایی که شاتل در طول عمرش با خود به فضا برد، همگی در این قسمت قرار داده می‌شدند.

آلبوم تصاویر مدارگرد (مدارپیما) شاتل فضایی

یکی از مهم‌ترین جنبه‌های برنامه‌ی شاتل فضایی، اسپیس‌لب (Spacelab) یا آزمایشگاه فضایی بود. پیش از ساخت ایستگاه بین‌المللی فضایی، مکان مناسبی برای انجام دادن آزمایش‌های علمی نسبتا طولانی در فضا وجود نداشت. ایستگاه فضایی اسکای‌لب آمریکا مدت‌ها قبل به مأموریت خود خاتمه داده بود و روس‌ها (و پیش از آن شوروی) علاقه‌ای به همکاری با اروپا در ایستگاه فضایی میر نداشتند. درنتیجه نیاز به آزمایشگاهی فضایی که امکان تحقیقات علمی در فضا را به کشورهای اروپایی و آمریکا می‌داد به‌شدت احساس می‌شد.

سال ۱۹۷۳ سازمان فضایی اروپا و ناسا تصمیم به ساخت آزمایشگاهی فضایی برمبنای شاتل گرفتند تا خلاء یک ایستگاه فضایی چندمنظوره را جبران کنند. اسپیس‌لب که توسط کنسرسیومی متشکل از ۱۰ کشور اروپایی ساخته می‌شد آزمایشگاهی ماژولار و چندبارمصرف بود که در محفظه‌ی بار شاتل قرار می‌گرفت. اسپیس‌لب درمجموع در ۲۹ مأموریت شاتل به‌پرواز درآمد و به‌لطف آن آزمایش‌های ارزشمندی در شرایط ریزگرانش انجام شد.

مخزن سوخت خارجی که با ۴۷ متر ارتفاع، ۸.۴ قطر و ۷۶۰ تن وزن، بزرگ‌ترین و سنگین‌ترین قسمت تشکیل‌دهنده‌ی شاتل محسوب می‌شد، در عین حال تنها قسمت شاتل بود که امکان استفاده‌ی مجدد از آن وجود نداشت. وظیفه‌ی اصلی مخزن خارجی شاتل، تأمین سوخت هیدروژن و اکسیژن مایع برای سه موتور اصلی مدارگرد شاتل بود. مخزن خارجی همچنین به‌عنوان ستون فقرات شاتل عمل می‌کرد و قسمت‌های دیگر مانند مدارگرد و تقویت‌کننده‌های جانبی به آن متصل می‌شدند.

از مجموع وزن ۷۶۰ تنی مخزن خارجی حدود ۶۲۹ تن مربوط‌به اکسیژن مایع، ۱۰۶ تن مربوط‌به هیدرژون مایع و تنها ۲۶/۵ تن مربوط‌به بدنه‌ی مخزن می‌شد. بااینکه وزن اکسیژن موجود در مخزن خارجی ۶ برابر بیشتر از هیدروژن بود، اما چگالی بسیار پایین هیدروژن مایع باعث می‌شد این سوخت تقریبا سه برابر بیشتر از اکسیژن فضا اشغال کند.

ناسا همچنین با انجام دو بازنگری در طراحی مخزن خارجی و استفاده از آلیاژ آلومینیوم-منیزیم به‌جای آلیاژ آلومینیوم-مس توانست وزن خشک مخزن (وزن خالص بدون سوخت) را از ۳۵ تن به ۳۰ و سپس به ۲۶/۵ تن کاهش بدهد.

آلبوم تصاویر مخزن خارجی شاتل فضایی

مخزن خارجی پس از جدا شدن از مدارگرد، هنگام ورود مجدد به جو زمین متلاشی می‌شد و در اقیانوس هند یا آرام (بسته به مقصد نهایی شاتل و مسیر پرتاب آن) سقوط می‌کرد.

تقویت‌کننده‌های جانبی شاتل (SRBs)، اولین موتورهای موشک سوخت جامد بودند که توانستند اجازه‌ی استفاده در فضاپیماهای حمل‌کننده‌ی انسان را از ناسا کسب کنند. دلیل عدم استفاده از این نوع موشک‌ها در مأموریت‌های پیش از شاتل این بود که برخلاف موتورهای سوخت مایع، در موتورهای سوخت جامد قابلیت جهت‌دهی به نازل (گیمبال) بسیار محدود است و امکان کم و زیاد کردن قدرت موتور (Throttling) یا حتی خاموش کردن آن در میان پرواز وجود ندارد. درواقع موتورهای سوخت جامد شباهت زیادی به فشفشه‌هایی دارند که از آن‌ها در نورافشانی‌ها استفاده می‌شود؛ هنگامی که آن‌ها را روشن کنید، عملا دیگر کنترلی روی آن‌ها نخواهید داشت. به همین دلیل است که از این نوع موتورها و سوخت جامد، بیشتر در موشک‌های قاره‌پیمای بالستیک نظامی استفاده می‌شود، نه برنامه‌های فضایی.

بوسترهای شاتل پیش از اتصال به مخزن خارجی، هنگام جداشدن از شاتل در ارتفاع ۴۲ کیلومتری، فرود آمدن در اقیانوس با چتر نجات و بازیابی و برگشت به ساحل

بوسترهای شاتل با مجموع وزن یک میلیون و ۱۸۰ هزار کیلوگرمی خود، ۶۹ درصد از مجموع وزن شاتل فضایی هنگام برخاستن از زمین را به خود اختصاص می‌دادند. از میان مجموع ۲۷۰ بوستری که در طول برنامه‌ی شاتل فضایی استفاده شد، تمامی آن‌ها به‌جز ۴ عدد مورد بازیابی و استفاده‌ی مجدد قرار گرفتند. پس از هربار پرواز بیش از ۵۰۰۰ قطعه برای استفاده‌ی مجدد به اصطلاح «ریفربیش» یا نوسازی می‌شد. آخرین بوسترهای شاتل که از آن‌ها در مأموریت STS-135 استفاده شد حاوی قطعاتی از ۵۹ مأموریت پیشین از جمله قطعاتی از STS-1، یعنی اولین پرواز شاتل بود.

تمامی پروازهای شاتل از مرکز فضایی کندی (KSC) انجام می‌شدند. شاتل هم مانند دیگر موشک‌ها و حتی هواپیماها، نیازمند برقراری شرایط جوی مساعد برای پرتاب بود؛ با این تفاوت که برخلاف پروازهای تجاری، درصورت احتمال وقوع صاعقه مهندسان ناسا اجازه‌ی پرتاب به شاتل نمی‌دادند. هواپیماهای تجاری در طول عمر خود بارها مورد اصابت صاعقه قرار می‌گیرند و معمولا هیچ مشکلی برای آن‌ها پیش نمی‌آید؛ چراکه بار الکتریکی حاصل از صاعقه در بدنه‌ی رسانا پخش می‌شود و هواپیما اتصال به زمین ندارد. هرچند بدنه‌ی شاتل هم مانند هواپیماها از مواد رسانا ساخته شده بود و همچون قفس فارادی از افراد و تجهیزات داخل آن محافظت می‌کرد، اما در لحظات ابتدایی پس از پرتاب، بخار آب در ترکیب با دیگر فراورده‌های شیمیایی خارج شده از موتورهای شاتل، مانند پلی باعث اتصال الکتریکی شاتل به زمین می‌شدند.

آزمایش سیستم اطفای صوت شاتل. هنگام پرتاب شاتل بیش از یک میلیون لیتر آب ظرف مدت ۴۱ ثانیه به سمت سکوی پرتاب پاشیده می‌شد تا خسارت ناشی از امواج قدرتمند صوتی به حداقل برسد.

۶/۶ ثانیه قبل از پرتاب، سه موتور اصلی شاتل (SSME) با فاصله زمانی ۱۲۰ میلی‌ثانیه از یکدیگر روشن می‌شدند و ظرف سه ثانیه به ۹۰ درصد از توان نامی خود می‌رسیدند. ۳ ثانیه قبل از پرتاب، درصورت مطلوب تشخیص داده شدن عملکرد ۳ موتور اصلی، فرمان روشن کردن موتورهای سوخت جامد در T-0 ثانیه داده می‌شد. در لحظه‌ی پرتاب، ۸ پیچ انفجاری که موتورهای سوخت جامد را به سکو متصل می‌کردند با انفجار خود راه را برای جدا شدن شاتل از سکو هموار می‌کردند و ۰/۲۳ ثانیه پس از پایان شمارش معکوس، شاتل بالاخره از زمین بلند می‌شد. کمی پس از فاصله گرفتن از سکوی پرتاب، بسته به مسیر و مقصد نهایی مأموریت، شاتل چرخش در سه محور اصلی را آغاز می‌کرد؛ هرچند فارغ از مدار مورد نظر در مراحل نهایی صعود، شاتل از سوی زمین همیشه وارونه به‌نظر می‌رسید.

طی فرایند اوج گرفتن موشک‌ها برای خروج از جو زمین، همواره نقطه‌ای از مسیر پرتاب وجود دارد که در آن باتوجه‌به سرعت موشک و غلظت جو زمین، بیشترین فشار آئرودینامیک به وسیله وارد می‌شود. این نقطه که به مکس کیو (Max Q) مشهور است، یکی از سرنوشت‌سازترین لحظات در همه‌ی برنامه‌های فضایی به‌شمار می‌رود. اگر موشک بتواند از پس فشارها و استرس وارده در این نقطه برآید، در ادامه‌ی مسیر کار چندان سختی پیش رو نخواهد داشت. در پروفایل پرتابی شاتل، مکس کیو ۳۰ ثانیه پس از بلندشدن مدارگرد از سکو رخ می‌داد و طی آن سه موتور اصلی شاتل قدرت خود را به ۷۲ درصد کاهش می‌دادند تا نیروهای آئرودینامیک وارد روی مدارگرد را به حداقل برسانند. با رقیق‌تر شدن جو و پس از اینکه کامپیوترهای شاتل تأیید می‌کردند که مدارگرد با موفقیت مکس کیو را پشت سر گذاشته است، قدرت موتورها دوباره به حداکثر مقدار خود بازمی‌گشت.

شاتل آتلانتیس در نقطه‌ی مکس کیو با سرعت ۱/۳ ماخ

۱۲۶ ثانیه پس از پرتاب پیچ‌های انفجاری متصل کننده‌ی بوسترهای سوخت جامد فعال می‌شدند و چند پیشرانه‌ی کوچک آن‌ها را از سایر قسمت‌های شاتل جدا می‌کردند. بوسترها با چتر نجات در اقیانوس فرود می‌آمدند تا بعد از بازیابی و تعمیر، مجددا مورد استفاده قرار بگیرند. هنگام جداشدن بوسترها، شتاب شاتل چیزی حدود ۰/۹ g (شتاب گرانش زمین) بود. هفت دقیقه پس از پرتاب، با سبک‌تر شدن مخزن براثر مصرف سوخت، شاتل توان موتورهای خود را کاهش می‌داد تا حداکثر شتاب وارده به مدارگرد و فضانوردان را به ۳g (شتاب معادل رسیدن از ۰ تا ۱۰۰ کیلومتر بر ثانیه در کمتر از یک ثانیه) محدود کند.

 ازآنجایی‌که که بیشتر مأموریت‌های شاتل در ارتفاع مداری پایین (LEO) و نزدیک به ایستگاه بین‌المللی فضایی انجام می‌شدند، مدار شاتل تقریبا دایره‌ای با ارتفاع متوسط کمتر از ۴۰۰ کیلومتر از سطح زمین بود. در این ارتفاع سرعت گردش مدارگرد شاتل به دور زمین به بیش از ۲۷ هزار کیلومتر بر ساعت معادل ۲۳ ماخ (۲۳ برابر سرعت صوت در سطح دریا) می‌‌رسید.

در طول عمر برنامه‌ی شاتل فضایی، ناسا همواره ترجیح می‌داد تا مدارگرد شاتل را در مرکز فضایی کندی فرود بیاورد. درصورت مساعد نبودن شرایط جوی، شاتل می‌توانست فرود خود را به تأخیر بیندازد یا در یکی از ده‌ها فرودگاهی که در اقصی نقاط جهان برای شرایط اضطراری درنظر گرفته شده بودند فرود بیاید. تقریبا تمام فرایند ورود مجدد شاتل به زمین، به جز بازکردن چرخ‌ها و ارابه‌ی فرود، به‌صورت خودکار و تحت کنترل کامپیوترهای شاتل انجام می‌شد؛ هرچند امکال کنترل تمام دستی شاتل در شرایط اضطراری وجود داشت.

شبیه‌سازی‌های CFD ناسا از گرما و جریان هوا در اطراف مدارگرد شاتل هنگام ورود مجدد به جو زمین

اولین اثرات برخورد شاتل با جو زمین در ارتفاع ۱۲۰ کیلومتری و در سرعت ۲۵ ماخ اتفاق می‌افتاد. در این لحظات دماغه‌ی فضاپیما در زاویه‌ی ۴۰ درجه‌ای نسبت به افق قرار داشت. با ورود به قسمت‌های چگال‌تر جو، شاتل رفته‌رفته از فضاپیما به هواپیما تبدیل می‌شد و زاویه‌ی ۴۰ درجه‌ای دماغه با ایجاد نیروی لیفت قابل‌توجه باعث می‌شد مدارگرد مجددا اوج بگیرد. برای جلوگیری از این مسئله شاتل مسیری مارپیچ با زاویه‌ی بَنک ۷۰ درجه‌ای را طی می‌کرد. درنهایت با کامل شدن روند گذار مدارگرد از فضاپیما به هواپیما، شاتل با پایین آوردن دماغه به محل فرود نزدیک می‌شد.

نسبت لیفت به درگ مدارگرد شاتل در طول پروفایل پروازی مقدار ثابتی نبود و از ۱:۱ در سرعت‌های ابرصوتی (بیش از ۵ ماخ) تا ۲:۱ در سرعت‌های مافوق صوت و ۴/۵:۱ در سرعت‌های کم‌تر از صوت تغییر می‌کرد. در لایه‌های پایینی جو زمین، شاتل بیشتر شبیه به یک گلایدر معمولی پرواز می‌کرد؛ با این تفاوت که نرخ کاهش ارتفاع آن به ۵۰ متر بر ثانیه (۱۸۰ کیلومتر بر ساعت) می‌رسید.

مرحله‌ی پایانی فرود مدارگرد در ارتفاع ۳ کیلومتری و با فاصله‌ی ۱۲ کیلومتر از باند فرود شروع می‌شد. در این مرحله خلبان‌های شاتل با اعمال کردن ترمز آئرودینامیک سرعت مدارگرد را از ۶۸۲ به ۳۴۶ کیلومتر بر ساعت در لحظه‌ی به زمین نشستن کاهش می‌دادند. برای مقایسه سرعت هواپیماهای مسافربری هنگام نشستن تنها ۲۶۰ کیلومتر بر ساعت است. علاوه‌بر ترمز آئرودینامیک، شاتل از یک چتر ۱۲ متری هم برای کاهش سرعت خود تا ۱۱۰ کیلومتر بر ساعت استفاده می‌کرد.

پس از فرود آمدن، مدارگرد شاتل چندین ساعت روی باند فرود باقی می‌ماند تا خنک شود. چندین تیم در اطراف مدارگرد به‌دنبال آثار هیدروژن، هیدرازین، نیتروژن تتراکسید و آمونیا (سوخت‌ها و فراورده‌های جانبی سیستم RCS شاتل) می‌گشتند. درصورت پیدا شدن اثری از این مواد، با اعلام حالت اضطراری مدارگرد خاموش می‌شد و تمامی پرسنل محوطه را ترک می‌کردند. سپس کاروانی از ۲۵ خودروی مخصوص حامل ۱۵۰ مهندس و تکنسین آموزش‌دیده به مدارگرد نزدیک می‌شدند و تمام خطوط و لوله‌های سوخت‌رسانی سیستم RCS را از مواد سمی پاک می‌کردند.

پس از پاکسازی، پزشکِ پرواز وارد مدارگرد می‌شد تا خدمه‌ی شاتل را مورد معاینات مقدماتی پزشکی قرار دهد. درصورت مطمئن شدن پزشک از سلامت خدمه، مدارگرد تخلیه و در اختیار مرکز فضایی کندی قرار داده می‌شد.

سپس سه موتور اصلی مدارگرد از بدنه‌ی آن جدا می‌شدند تا ۵۰ هزار قطعه‌ی به‌کار رفته در آن‌ها مورد ارزیابی قرار بگیرد و درصورت نیاز تا ۷ هزار قطعه (که عمر محدودی داشتند) جایگزین شوند. دو بوستر جانبی هم که شاتل را تا ارتفاع ۴۵ کیلومتری بالا می‌بردند از اقیانوس اطلس بازیابی و پس از تکه تکه شدن از فلوریدا به یوتا انتقال داده می‌شدند؛ سفری که ازطریق ۴ خط ریلی انجام می‌شد و تا سه هفته طول می‌کشید.

فرایند آماده‌سازی مجدد شاتل برای پرتاب، از لحاظ زمان، هزینه و پیچیدگی به هیچ‌وجه با بازرسی مختصری که هواپیماهای مسافربری پیش از هر بار پرواز به آن احتیاج دارند قابل قیاس نیست. اگرچه هنگام بررسی تاریخچه‌ی برنامه‌ی شاتل فضایی یکی از جذاب‌ترین موضوعات فرایند آماده‌سازی مجدد آن است، متأسفانه به‌دلیل گستردگی زیاد توانایی پرداختن بیشتر به این بخش در این مقاله مقدور نیست. درصورت علاقه به این مبحث می‌توانید این مقاله‌ی جامع ناسا را مطالعه کنید.

برنامه‌ی شاتل فضایی در طول عمر خود شاهد دو سانحه‌ی مرگبار بود که هر دو منجر به مرگ تمامی سرنشینان شاتل شدند. اولین سانحه‌ی فاجعه‌بار شاتل در سال ۱۹۸۶ درجریان مأموریت STS-51-L برای مدارگرد چلنجر اتفاق افتاد. ۷۳ ثانیه پس از پرتاب چلنجر در ۲۸ ژانویه ۱۹۸۶، فضاپیما بر اثر نقص فنی یکی از بوسترها متلاشی شد و هر هفت فضانورد سوار بر مدارگرد جان خود را از دست دادند.

ازآنجایی که مأموریت STS-51-L قرار بود کریستا مک‌اولیف، یک معلم دبیرستانی معمولی را به‌عنوان اولین معلم به فضا بفرستد، ۱۷ درصد از جمعیت آمریکا پرتاب چلنجر را به‌صورت زنده تماشا می‌کردند. از فاجعه‌ی چلنجر به‌عنوان درسی مهم در مطالعات ایمنی مهندسی و اخلاق سازمانی یاد می‌شود.

دومین سانجه‌ی مرگبار شاتل اول فوریه‌ی ۲۰۰۳، بیش از ۱۶ سال پس از سانحه‌ی چلنجر اتفاق افتاد. شاتل کلمبیا که از مأموریت STS-107 باز‌می‌گشت، این بار هنگام ورود مجدد به جو زمین متلاشی شد و هر ۷ سرنشین آن جان خود را از دست دادند. نقص منجر به از دست رفتن کلمبیا اما چند روز پیش از سانحه هنگام صعود آن در جو، براثر جدا شدن تکه‌ای فوم عایق از مخزن خارجی و برخورد آن با بال چپ مدارگرد رخ داده بود.

بقایای کلمبیا هنگام ورود مجدد به جو زمین

شاتل آتلاتنیس آماده‌ی پرتاب برای مأموریت تعمیر تلسکوپ هابل، درکنار شاتل اندور آماده‌ی پرتاپ برای عملیات نجات آتلانتیس درصورت وقوع حادثه

پس از سانحه، شاتل بار دیگر به مدت بیش از دو سال زمین‌گیر و ادامه‌ی ساخت ایستگاه بین‌المللی فضایی متوقف شد. برای جلوگیری از وقوع سوانح مشابه، سیستم عایق حرارتی شاتل در هر مأموریت در مدار به‌طور کامل مورد بازرسی قرار می‌گرفت. همچنین با هر بار پرتاب شاتل، یک مأموریت دیگر روی زمین آماده‌ی پرتاب بود تا درصورت وقوع شرایط اضطراری فضانوردان را نجات بدهد.

هنگام بررسی تاریخچه‌ی شاتل، با دو سؤال اساسی رو‌به‌رو می‌شویم: آیا برنامه‌ی شاتل فضایی موفق بود و آیا برنامه‌های مشابه هم به سرنوشت شاتل دچار خواهند شد؟

برای پاسخ به سؤال اول، نخست باید اهداف برنامه‌ی شاتل را بار دیگر مرور کنیم. شاتل آمده بود تا دسترسی به فضا را آسان و ارزان کند. در سال ۱۹۶۹ هزینه‌ی پرتاب هر موشک ساترن ۵ که انسان را به ماه برد چیزی حدود ۱۸۵ تا ۳۷۵ میلیون دلار بود. ناسا قصد داشت با ساخت شاتل این هزینه را تا حد امکان کاهش دهد. این درحالی است که برآوردها نشان می‌دهد، هزینه‌ی پرتاب هر شاتل برای ناسا چیزی بین ۴۵۰ تا ۱/۵ میلیارد دلار (بسته به درنظرگرفتن هزینه‌ی تحقیق و توسعه) تمام می‌شد. موضوع برای ناسا وقتی خجالت‌آورتر می‌شود که بدانید ظرفیت ارسال بار شاتل به مدارهای پایینی زمین (LEO) حدود ۲۷ تن بود و اصلا قابلیت ارسال محموله به ماه نداشت؛ درحالی‌که ساترن ۵ می‌توانست ۱۴۰ تن به مدارهای پایینی و تا ۴۸ تن بار به ماه ارسال کند.

در سوی مقابل، بسیاری با اشاره به قابلیت‌های منحصر‌به‌فرد شاتل، آن را درمجموع برنامه‌ای موفق می‌خوانند. به‌عنوان نمونه، سرویس و تعمیر تلسکوپ فضایی هابل در مدار و بسیاری از مأموریت‌های دیگر بدون شاتل ممکن نبود. همچنین درست مانند سفر انسان به ماه، در جریان توسعه‌ی شاتل فضایی هم فناوری‌های متعددی در رشته‌های مختلف علمی و مهندسی توسعه داده شدند که امروزه علاوه‌بر فضا، روی زمین هم بسیار پرکاربرد و مفیدند.

موشک در دست توسعه‌ی ناسا با نام SLS که قرار است جایگزین شاتل شود، بدون مدارگرد و یکبارمصرف است

فارغ از موفق یا ناموفق دانستن برنامه‌ی شاتل فضایی، نمی‌توان منکر هزینه‌ی بالا و نواقص مرگبار آن شد. حال این سؤال مطرح می‌شود که آیا شرکت‌ها و برنامه‌های فضایی جدیدی که قصد دارند بار دیگر شانس خود در استفاده از فضاپیماها و موشک‌های چندبارمصرف را بیازمایند موفق خواهند شد؛ یا قدم در راه پرخطر تبدیل شدن به شاتلی دیگر می‌گذارند؟

رندر موشک استارشیپ اسپیس‌ایکس (راست) و موشک نیوگلن بلو اوریجین (چپ). موشک‌های چندبارمصرف جدید شباهت چندانی به شاتل فضایی ندارند

موشک‌های چندبارمصرف جدید از جمله فالکون ۹ و استارشیپ اسپیس‌ایکس، موشک نیو گلن بلو اوریجین و دیگر موشک‌های چندبارمصرف در دست توسعه (که فهرست کامل آن‌ها را می‌توانید از اینجا مشاهده کنید) از لحاظ ساختاری قابل قیاس با شاتل نیستند. از طرفی تمامی این موشک‌ها از ۴۰ سال پیشرفت بیشتر تکنولوژی نسبت به شاتل بهره می‌برند و برخلاف ناسا که نمونه‌ای مشابه برای تقلید و آموختن در اختیار نداشت، شرکت‌های فضایی جدید از تاریخچه‌ی شاتل درس می‌گیرند تا اشتاباهات ناسا را تکرار نکنند. ازاین‌رو مقایسه‌ی موشک‌های جدید با شاتل نه‌تنها غیر منطقی به‌نظر می‌رسد، بلکه شاید ناعادلانه نیز باشد.

شاید بهترین توصیف شاتل را باید از زبان ایلان ماسک شنید:

از شاتل فضایی معمولا به‌عنوان مثالی برای [نشان دادن] اینکه چرا نباید چیزی را چندبارمصرف ساخت استفاده می‌شود؛ اما یک آزمایش ناموفق، هدف نهایی را از اعتبار ساقط نمی‌کند. اگر چنین بود، هرگز [حتی] موفق به اختراع لامپ هم نمی‌شدیم.

نظر شما درباره‌ی شاتل فضایی و موشک‌های چندبارمصرف چیست؟ آیا آینده‌ی این نوع موشک‌ها را روشن می‌بینید؟ نظرات خود را با ما و کاربران زومیت در میان بگذارید.