شاتل فضایی
شاتل فضایی
مقدمه:
یکی از عجیب ترین کشفیات انسان دسترسی به فضا است که پیچیدگی و مشکلات خاص خود را دارد. راه یابی به فضا پیچیده است، چرا که باید با بسیاری از مشکلات روبرو شد. مثلا
- وجود خلا در فضا
- مشکلات گرما و حرارت
- مشکل ورود مجدد به زمین
- مکانیک مدارها
- ذرات و باقی مانده های فضا
- تابش های کیهانی و خورشیدی
- طراحی امکانات برای ثابت نگه داشتن اشیا در بی وزنی
ولی بزرگترین مشکل ایجاد انرژی لازم برای بالا بردن فضاپیما از زمین است که برای درک این موضوع باید به بررسی طرز کار موتورهای موشک پرداخت.
در یک دیدگاه ساده، می توان موتورهای موشک را به آسانی و با هزینه ای نسبتا کم طراحی کرد و حتی آن را به پرواز درآورد اما اگر بخواهیم مسئله را در سطح کلان بررسی کنیم با مشکلات و پیچیدگی های بسیاری مواجه هستیم و این موتورهای موشک (و به خصوص سیستم سوخت آن ها) آنقدر پیچیده است که تا به حال تنها سه کشور توانسته اند با استفاده از این فناوری انسان را در مدار زمین قرار دهند.
نکات پایه ای:
عموما وقتی کسی درباره موتورها فکر می کند، خود به خود مطالبی درباره چرخش برایش تداعی می شود.برای مثال حرکت متناوب پیستون در موتور بنزینی که انرژی چرخشی برای به حرکت در آوردن چرخ ها را تولید می کند. و یا موتور الکتریکی که با تولید میدان الکتریکی که با تولید میدان مغناطیسی نیروی چرخشی برای پنکه یا سی دی رام تولید می کنند. موتور بخار هم به طور مشابه کار می کنند.
ولی موتور موشک از لحاظ ساختار متفاوت است. موتور موشک ها موتورهای واکنشی هستند.اساس کار موتور موشک برپایه ی قانون معروف نیوتون است که می گوید: “برای هر کنش واکنشی وجود دارد به مقدار مساوی ولی درجهت مخالف آن”. موتور موشک نیز جرم را در یک جهت پرتاب می کند و از واکنش آن در جهت مخالف سود می برد.
البته تصور این اصل (پرتاب جرم و سود بردن از واکنش) ممکن است در ابتدا کمی عجیب به نظر بیاید، چرا که در عمل بسیار متفاوت می نمایاند. انفجار، صدا و فشار چیزهایی است که در ظاهر باعث حرکت موشک می شود و نه “پرتاب جرم”.
بگذارید تا با بیان چند مثال بهتر از واقعیت را روشن کنیم:
اگر تابحال با اسلحه ی shot gun (به خصوص سایز بزرگ آن) شلیک کرده باشید، متوجه می شوید که ضربه ی بسیار قوی ای، با نیروی بسیار زیاد به شانه شما وارد می کند.
یک اسلحه مقدار ۱ انس فلز را به یک جهت و با سرعت ۷۰۰ مایل در ساعت شلیک می کند و در واکنش شما را به عقب حرکت می دهد.
همچنین اگر یک بادکنک را باد کنید و آن را رها کنید، بادکنک به پرواز در می آید، تا وقتی که هوای داخل آن به طور کامل خالی شود. پس می توان گفت که شما یکم موتور موشک ساخته اید. در این جا چیزی که به بیرون پرتاب می شود مولکول های هوای درون بادکنک هستند.
بسیاری از مردم فکر می کنند که مولکول های هوا اهمیتی ندارند، در حالی که اینطور نیست. هنگامی که شما به آن ها اجازه می دهید تا از دریچه بادکنک به بیرون پرتاب شوند، بر اثر واکنش به وجود آمده بادکنک به جهت مخالف پرتاب می شود.
در ادامه برای درک بهتر موضوع، به مثالی دقیق تر اشاره می کنیم:
سناریوی توپ بیسبال در فضا:
شرایط زیر را تصور کنید، مثلا شما لباس فضانوردان را پوشیده اید و در فضا در کنار فضاپیما معلق مانده اید و چندین توپ بیسبال در دست دارید. حال اگر شما توپ بیسبال را پرتاب کنید، واکنش آن بدن شما را به جهت مخالف توپ حرکت می دهد.
سرعت شما پس از پرتاب توپ به وزن توپ و شتاب وارده بستگی دارد. همانطور که می دانیم حاصلضرب جرم در شتاب برابر نیرو است، یعنی:
F=m.a
همچنین میدانیم که هر نیرویی که شما به توپ وارد کنید، توپ نیز نیرویی مساوی ولی در جهت مخالف به بدن شما وارد میکند که همان واکنش است. پس می توان گفت:
m1.a=m2.a
حال فرض می کنیم که توپ بیسبال ۱ کیلو گرم وزن داشته باشد و وزن شما و لباس فضایی هم ۱۰۰ کیلوگرم باشد. پس با این حساب اگر شما توپ بیسبال را با سرعت ۲۱ متر در ساعت پرتاب کنید. یعنی شما با دست خود به یک توپ بیسبال ۱ کیلو گرمی، شتابی وارد کرده اید که سرعت ۲۱ متر در ساعت گرفته است. واکنش آن روی بدن شما تاثیر می گذارد، ولی وزن بدن شما ۱۰۰ برابر توپ بیسبال است. پس بدن شما با ۱۰۰/۱ سرعت توپ بیسبال (یا ۰/۲۱ متر بر ساعت) به عقب حرکت می کند.
حال اگر شما می خواهید از توپ بیسبال خود قدرت بیش تری بگیرید، شما دو انتخاب دارید: افزایش جرم یا افزایش شتاب وارده
شما می توانید یا یک توپ سنگین تر پرتاب کنید و یا اینکه شما می توانید توپ بیسبال را سریع تر پرتاب کنید (شتاب آن را افزایش دهید)، و این دو تنها کارهایی است که می توانید انجام دهید.
یک موتور موشک نیز به طور کلی جرم را در قالب گازهای پرفشار پرتاب می کند؛ موتور گاز را در یک جهت به بیرون پرتاب می کند تا از واکنش آن در جهت مخالف سود ببرد. این جرم از مقدار سوختی که در موتور موشک می سوزد بدست می آید.
عملیات سوختن به سوخت شتاب می دهد تا از دهانه خروجی موشک با سرعت زیاد بیرون بیاید.
وقتی سوخت جامد یا مایع می سوزد و به گاز تبدیل می شود، جرم آن تغییر نمی کند بلکه تغییر در حجم آن است. یعنی اگر شما مقدار یک کیلو سوخت مایع موشک را بسوزانید مقدار یک کیلو جرم با حجمی بیشتر، از دهانه خروجی موشک با دمای بالا و سرعت زیاد خارج می شود. عملیات سوختن، جرم را شتاب می دهد.
بیایید تا بیش تر درباره ی نیروی پرتاب بدانیم:
نیروی پرتاب:
قدرت موتور یک موشک را نیروی پرتاب آن می گویند. نیروی پرتاب در آمریکا به صورت پوند (ponds of thrust) و در سیستم متریک با واحد نیوتون شناخته شده است هر ۴/۴۵ نیوتون نیروی پرتاب برابر است با ۱ پوند نیروی پرتاب
هر یک پوند نیروی پرتاب (۴/۴۵ نیوتون) مقدار نیروی است که می تواند یک شی ۱ پوندی (۴۵۳/۵۹ گرم) را در حالت ساکن مخالف نیروی جاذبه زمین نگه دارد.
بنابر این در روی زمین شتاب جاذبه ۲۱ متر در ساعت در ثانیه (۳۲ فوت در ثانیه در ثانیه) است.
تاریخچه ی شاتل های فضایی :
در انتهای برنامه آپولو هنگامی که مقامات ناسا برنامه آینده فضایی ایالات متحده رابررسی می کردند. در آن زمان فضانوردان و تجهیزات توسط موشک های یکبار مصرف به فضا ارسال می شد و آنها به وسیله ای مطمئن و کم هزینه نیاز داشتند کهبتوانند از آن چندین بار استفاده کنند. به این ترتیب ایده شاتل فضایی را بوجود آوردند. این یک کار بزرگ و پروژه ای طولانی مدت بود که برای ارسال ۲ میلیون کیلوگرم تجهیزات و مسافربه مدار ۱۸۵تا۶۴۳ کیلومتری بالای زمین طراحی می شد. این شاتل نیاز به سه موتور اصلی و مخزن سوخت بیرونی و دو موشک جامد تقویت کننده و نیز سیستم مدیریت مقصد داشت. ناسا شروع به مطالعه و طراحی شاتل فضایی کرد و بالاخره پس از سالها آزمایش روی بخشهای مختلف ۴ شاتل کلمبیا، آتلانتیس، دیسکاوری و چالنجرآماده پرواز شدند. پرواز اول در سال ۱۹۸۰ شاتل کلمبیا با خلبانی جان یانگ و رابرت کریمن با موفقیت انجام گرفت. در سال ۱۹۸۶ بخاطر ایجاد شعله در مخزن سوخت بیرونی شاتل چالنجر منفجر شد و تمام خدمه آن درراه علم از بین رفتند و این غمی بزرگ برای دوستداران فضا نوردی بود. برنامه سفر با شاتل ها جهت رفع اشکالات فنی چند سال به تعویق افتاد.
بعد از این حادثه شاتلهای فضایی بازهم به کار خود ادامه دادند تا اینکه در روز شنبه ۱۲ بهمن ۱۳۸۱ در حدود ساعت ۱۴ به وقت جهانی هفت فضانورد شاتل کلمبیا در پایان یک مأموریت ۱۶ 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 فضانوردی بود که غم دیگری را برای آنها بناگذارد. اما ناسا به تحقیقات خود ادامه داد و توانست جایگاه خود را بازیابد. امروزه شاتل های فضایی قادرند تا ۱۰۰ پرواز به فضا را به راحتی انجام دهند. ماموریت شاتل های فضایی ۷یا ۸ روزه است. ولی قادرند بسته به ماموریت هایی که دارند تا ۲۰ روز هم پرواز کنند.
اجزای حرکتی شاتل عمدتا عبارتند از:
۱/دو موشک جامد تقویت کننده
۲/مخزن سوخت بیرونی
۳/سه موتور اصلی نصب شده روی مدار پیما
۴/سیستم مدیریت مقصد در فضا نصب شده روی مدار پیما
موشکهای جامد تقویت کننده فراهم کننده بیشترین نیرو ( حدود ۷۱%) برای بلندکردن شاتل فضایی از سکوی پرتاب هستند. موشکهای جامد آخرین بخشی هستند کهپس از اجازه پرتاب روشن می شوند. چون پس از آتش گرفتن دیگر قابل خاموشکردن نیستند. ارتفاع هر یک از این موشکها ۴۶ متر و وزن آنها همراه سوخت جامد به ۶۰۰ تن می رسد. داخل هر یک از این موشکها سوخت جامد- موتور احتراق- سیستم کنترلی رها شدن ( جدا شدن از شاتل ) و چتر فرود ( برای فرود سالم در اقیانوس و استفاده مجدد از موشکها ) تعبیه شده است.
مخزن سوخت بیرونی سوخت مایع موتورهای اصلی را در خود ذخیره دارد. ارتفاع این مخزن ۴۸ متر و قطر آن ۴/۸ متر می باشد وقادر است ۲ میلیون لیتر سوخت ( با نسبت: اکسیژن یک و هیدروژن ۶ واحد) را در خود نگاه دارد. سه موتور روی مدار پیما ( هر کدام با ارتفاع ۳/۴ متر و عرض ۳/۲ متر) نصب شده اند. که سوخت مخزن بیرونی را که شامل اکسیژن و هیدروژن است را با هم ترکیب می کنند و باقیمانده نیرو را ( حدود ۲۹%) برای بلند کردن شاتل فراهم می کنند. موتورها قادرند حجم عظیمی از سوخت مخزن بیرونی را با سرعت و قدرت بسوزانند( معادل حجم یک استخر بزرگ در عرض ۱۰ ثانیه). آب حاصل از ترکیب اکسیژن و هیدروژن بخاطر گرمای فوق العاده سریع بخار می شود و می توان بخار حاصله را به هنگام بلند شدن شاتل مشاهده کرد. دو موتور سیستم مدیریت مقصد هم در بخش عقب مدارپیما روی دم های آن قرار دارند. این موتورها برای قرار دادن شاتل در مدار نهایی و تغییر مکان شاتل از مداری به مدار دیگر و کم کردن سرعت شاتل به هنگام فرود تعبیه شده اند. داخل این موتورها دو مخزن هلیم و اکسیدایزر قرار دارد. خاصیت این مواد در این است که در نبود اکسیژن می توانند با هم ترکیب شده و فوراً آتش بگیرند. در ضمن روی دماغه هم ۱۴ موتور جت کوچک نصب شده اند که از همین نوع سوخت استفاده می کنند.
مراحل پرتاب شاتل به فضا:
پس از آنکه شاتل در سکوی پرتاب آماده پرتاب شد از ۳۱ ثانیه قبل از پرتاب مراحل زیر اتفاق می افتد:
۳۱ ثانیه قبل: کامپیوترهای مرکزی تمام کنترل ها را بر عهده می گیرند.
۶/۶ ثانیه قبل: موتورهای اصلی نوبت به نوبت روشن می شوند و به ۹۰% قدرت خود می رسند.
۳ ثانیه قبل: موتورهای اصلی آماده پرتاب شاتل به فضا هستند.
لحظه پرتاب: موشکهای جامد تقویت کننده آتش می گیرند.
۲۰ ثانیه بعد: شاتل به طور مستقیم به فضا پرتاب می شود.
۶۰ ثانیه بعد: موتورهای اصلی به ۱۰۰ % قدرت خود می رسند.
۲ دقیقه بعد: در ارتفاع ۴۵ کیلومتری موشکهای جامد تقویت کننده از شاتل جدا می شوند. در این لحظه چتر نجات موشکها ی جدا شده باز می شوند تا ۲۰۰ کیلومتر دورتر و در اقیانوس آرام فرود آیند.
۵/۸ دقیقه بعد: موتورهای اصلی خاموش می شود.
۹ دقیقه بعد: مخزن سوخت بیرونی از شاتل جدا می شود و بخاطر برخورد با سرعت بالا به مولکولهای هوا در جو زمین می سوزد
۵/۱۰ دقیقه بعد: موتورهای سیستم مدیریت مقصد روشن می شوند تا شاتل را در مدار پایینی قرار دهند.
۴۵ دقیقه بعد: موتورهای سیستم مدیریت مقصد دوباره روشن می شوند تا شاتل رادر مدار بالا یی ( ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری از سطح زمین ) قرار دارند.
اکنون شاتل به یک مدار پیما تبد یل شده و خارج از جو آماده ادامه ماموریت است.
مدار پیما:
در بخش میانی مدارپیما تجهیزات و بازوی مکانیکی و در بخش پیشانی مرکزفرمانده ای و محل اسقرار خدمه و مخازن هوا و غذا قرار دارد. وقتی مدارپیما به ایستگاه مورد نظر رسید دربهای بالای بدنه باز شده و تجهیزات توسط بازویمکانیکی که درون آن تعبیه شده به ایستگاه تحویل می شود. هرگاه لازم باشد که مدارپیما جابجا شود ( مثلا” برای تنظیم کردن تلسکوپ یا عکس برداری از زمین) موتورهای کوچکی که روی دماغه تعبیه شده اند برای چند لحظه روشن می شوند تا مدار پیما به راحتی بچرخد یا دور بزند. در دماغه مدارپیما هم دربهای مخصوصی قرار دارند تا خدمه بتوانند از آن بیرون بیایند و خارج از مدارپیما به کارهای نصب و تعمیرات ایستگاهای فضایی و ماهواره ها رسیدگی کنند.
پس از آنکه ماموریت مدارپیما به اتمام رسید نوبت بازگشت به زمین می رسد. دراول فوریه سال ۲۰۰۳ قدیمی ترین مدارپیمای ناسا ( کلمبیا) در ارتفاع ۲۰۰ هزار پایی بالای سطح زمین منفجر شد و تمامی خدمه آن جان باختند. بازگشت مدارپیما یکی از حساسترین مراحل سفر است. ابتدا مدارپیما باید ۱۸۰ درجه گردش کند و سپس تحت زاویه خاص ( ۲۸ تا ۳۶ درجه) گردش کند تا سطح زیرین آن به اتمسفر برخورد کند. مدارپیما در این حالت با سرعت ۲۸ هزار کیلومتر در ساعت از اتمسفر زمین عبور می کند و دمای سطح آن در این لحظه به ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد می رسد. به همین دلیل سطح مدارپیما را از مواد خاص (ترکیبات سخت کربن ) می سازند تا در برابر حرارت شدید مقاوم باشد پس از اینکه مدار پیما از جو عبور کرد به ارتفاعی می رسد که غلظت هوا در آنجا زیاد است. از این به بعد مدار پیما مانند هواپیما با کمک بالها در یک ناحیه s شکل ابتدا تحت زاویه ۴۰ درجه و سپس ۲۰ درجه به طرف زمین مانور میدهد تا سرعت سقوطش کم شود. پس از اینکه مدارپیما به باند فرود رسید دماغه را بالا می آورد وسپس چتر سرعت گیر را باز میکند تا آرام روی باند توقف کند .
بن نوشت :
موفق و پیروز باشید
یا علی
Sparrow
