شاتل فضایی | هوافضای جوان

شاتل فضایی

درسته که سیاره ی زمین مثل سیاره ی شازده کوچولو انقدر کوچیک نیست که بتونیم با جا به جا کردن صندلیمون هر چند بار که دلمون می خواد غروب خورشید رو تماشا کنیم اما بشر تونسته وسیله ای بسازه که انقدر سریع(حدود ۲۸۰۰ کیلومتر در هر ساعت) دور زمین می چرخه که مسافرای اون وسیله می تونند هر ۴۵ دقیقه یه بار غروب خورشید رو تماشا کنند! البته مسلما هدف سازنده ی این وسیله یعنی سازمان فضایی آمریکا(ناسا) دیدن غروب نبوده! هدف اونها از ساخت این وسیله که اسمش شاتل فضاییه قرار دادن ماهواره ها در مدارهاشون و یا برگردوندن اونها به زمین برای تعمیرات، بردن یا برگردوندنِ فضانوردها به ایستگاه فضایی برای تحقیقات و یا برای تعمیر ماهواره ها و…بوده. به عنوان یه مهندس هوافضا می خوایم ببینیم ویژگی های شاتل فضایی که نه تنها می تونه با این سرعت حرکت کنه بلکه به عنوان اولین فضاپیما می تونه سالم هم به زمین برگرده و ماموریت های دیگه ای انجام بده، چیه؟

به چهار عکس پایین خوب دقت کنید. این چهار عکس شاتل فضایی رو تو چهار موقعیت نشون می دن: ۱) زمان پرتاب۲) زمانی که تو مدار قرار داره۳) زمان فرود۴) زمانی که داره حمل می شه تا از محل فرود به محل پرتاب برده بشه.

SPACE-SHUTTLE/

شاتل در حال پرواز

شاتل در حال فرود

شاتل روی هواپیما

همونطور که می بینید برعکس یه هواپیما که در تمام طول ماموریتش شکل یکسانی داره، شاتل فضایی تو موقعیت های مختلف اجزا متفاوتی داره. در واقع شاتل فضایی مثلِ یه موشک پرتاب می شه، مثلِ یه فضاپیما دور زمین می چرخه، مثلِ یه هواپیما(یا دقیق تر بخوام بگم، گلایدر) فرود می یاد و با کمک یه هواپیما به محل پرتاب برده می شه.

تانک سوخت و راکت ها:

قسمت نارنجی رنگی که فقط تو شکل اول دیده می شه، تانکِ سوخته، که حاوی هیدروژن و اکسیژنِ مایعه، و بخشی از شاتلِ که دوباره از اون استفاده نمی کنند و در واقع بعد از رسوندن مدارپیما به ارتفاع ۱۱۳ کیلومتری و تموم شدن سوختش متلاشی می شه.

دوتا راکتی که اونها هم فقط تو شکل اول دیده می شوند، وظیفه ی تامین تراست در زمان پرتاب رو برعهده دارند و ۱۲۵۰۰ کیلو نیوتن یعنی حدود ۸۳% از تراست مورد نیاز رو تولید می کنند. راکت ها دو دقیقه بعد از پرتاب به وسیله ی چترهایی به زمین بر می گردند و برای ماموریت های بعدی آماده می شوند.

بعضی از ویژگی های تانک سوخت و راکت ها در جدول (۱) و (۲) نشون داده شدند.

تانک سوخت
۴۶.۹ m طول
۸.۴ m قطر
۲,۰۲۹ حجم سوخت
۲۶,۵۳۵ kg وزن خالی
۷۵۶,۰۰۰ kg وزن در زمان پرتاب
راکت ها
۴۵.۴۶ m طول
۳.۷۱ m قطر
۶۸,۰۰۰ kg وزن خالی
۵۷۱,۰۰۰ kg وزن در زمان پرتاب
۱۲,۵۰۰ KN تراست تولیدی هر یک از راکت ها در شرایط سطح دریا

مدارپیما:

در واقع قسمت اصلی شاتل، مدارپیماست که تو همه ی شکل ها دیده می شه. (شکل زیر)

5

وزن خالی اون ۲۸۰۰۰ کیلوگرمه و محل قرار گیری محموله و مسافرهاست. همونطور که می بینید مدارپیما شبیه یک هواپیماست و تقریبا تمام اجزا هواپیما رو داره. مثلا بال ها که وظیفه ی تولید لیفت رو بر عهده دارند، یا الون(elevon)ها که برای کنترل مدارپیما در راستای پیچ(بالا و پایین رفتن دماغه) و در جهت رل(چرخش هواپیما به طوری که یه بال پایین بره و بال دیگه بیاد بالا (شکل زیر)) از اون ها استفاده می شه.

6

البته باید توجه کنیم که اساس کار اجزایی که برای کنترل هواپیما قرار داده شدند، حرکت مولکولهای هوا روی اونهاست اما از اونجایی که مدارپیما اکثر زمان ماموریتش رو خارج از جو زمین سپری می کنه، باید سیستم کنترلی دیگه ای هم برای اون در نظر بگیریم. این سیستم موتورهای قرار داده شده در انتهای بدنه هستند و وظیفه ی رسوندن مدارپیما به مدار، تغییر مدار مدارپیما(در صورت لزوم) ، کم کردن سرعت مدارپیما زمانی که می خواد به جو زمین وارد بشه و … رو برعهده دارند.

تعدادی از مشخصات مدار پیما در جدول (۳) نشون داده شدند و برای نشون دادن تفاوت های مدارپیما و هواپیما مشخصات یه هواپیما ی ۶ تا ۸ نفره هم توی جدول نوشته شده.

Emberaer phenom 100 مدار پیما
۱۲.۸ m ۳۷.۲۳۷ m طول
۱۲.۳ m ۲۳.۷۹ m اسپن بال(wingspan)
۴.۴ m ۱۷.۲۵ m ارتفاع
۳,۲۳۵ kg ۷۸,۰۰۰ kg وزن خالی
۴,۷۵۰ kg ۱۱۰,۰۰۰ kg وزن در زمان پرتاب
۵۹۵ KG ۲۵,۰۶۰ kg بیشترین وزن محموله
۲۰۰ m/s ۷,۷۴۳ m/s سرعت

چگونگی ورود به جو زمین(Re-entery)

ماده ی اصلیِ سازنده ی شاتل، مثلِ بسیاری از هواپیماها، آلیاژ آلمینیومه (آلمینیوم با مقدار کمی از دیگر فلزات). آلمینیوم به دلیل وزن کم و استحکام بالا بهترین انتخاب برای ساخت وسایل پرنده ایه که سرعتشِ کمتر از دو برابر سرعته صوته؛ اما سرعت بالای شاتل در هنگام ورود به اتمسفر زمین که چندین برابرِ سرعتِ صوته باعث می شه آلمینیوم تنها ماده ی سازنده ی اون نباشه. در این سرعت هم به دلیل اصطکاک سطح با مولکول های هوا و هم به دلیل پدیده ای به نام گرمایش آیرودینامیکی (تبدیل انرژی جنبشی زیاد جریان هوا به گرما، بعد از برخورد به سطح زیرین فضاپیما) به شدت دما بالا می ره و آلمیینیوم با دمای ذوب ۶۶۰ درجه ی سانتی گراد نمی تونه در مقابل این دما مقاومت کنه. سازندگان شاتل برای رفع این مشکل از سیستمی برای محافظت حرارتی(Space Shuttle Thermal Protection System(TPS)) از شاتل استفاده کردند به این صورت که در هر بخش از شاتل با توجه به دمایی که قراره در طول سفر باهاش مواجه بشه، از آلیاژهای فلزات مختلف استفاده کردند. شکل پایین جنس مواد قسمت های مختلف رو نشون می ده.

shuttlediagram

 از جمله ویژگی های آلیاژهای استفاده شده دمای ذوب بالا، رساناییِ حرارتی پایین و مقاومت بالا در برابر گرمایش ایرودینامیکه.

چگونگی فرود:

در زمان فرود مدارپیما، اول از همه چرخ های عقب زمین رو لمس می کنند و بعد چتر  باز می شه. در واقع این چتر درگ رو افزایش می ده. با افزایش درگ مسافت فرود کوتاه شده و کار ترمز ها راحت تر می شه. چون در زمان فرود موتوری روشن نیست، می تونیم بگیم که مدارپیما مثل یه گلایدر فرود می یاد. بعد از فرود اگه مدارپیما تو سایت اصلی خودش(یعنی جایی که تیک-آف اجرا می شه) فرود نیومده باشه، اونو با یه هواپیما به محل پرتاب می برند.

سوانح:

سازمان فضایی آمریکا، ۶ شاتل به نام های اینترپرای، کلمبیا، چلنجر، انداوور، دیسکاوری و آتلانتیس رو ساخت. شاتل اول یعنی اینترپرایز برای اجرای تست های پرتاب و فرود ساخته شده بود و ماموریتی در مدار انجام نداد. شاتل آخر هم الان در موزه قرار داره و دیگه از اون استفاده نمی شه اما نقطه ی تاریکِ تاریخ سی ساله ی شاتل، سوانحی بود که برای کلمبیا و چلنجر رخ داد (به فاصله حدود ۱۸ سال) و ۱۴ تا از فضانوردان ناسا کشته شدند. یکی از وظایف مهندس هوافضا اینه که وقتی سانحه ای برای یک هواپیما، ماهواره بر یا هر وسیله ی پرنده ی دیگه ای اتفاق می یفته، علت سانحه رو پیدا کنه تا از تکرار دوبارش جلوگیری کنه. برای همین ناسا هم بعد از سانحه ی چلنجر مجبور شد حدود سه سال پروژه ی شاتل رو به حالت تعلیق دربیاره تا علت رو پیدا کنه. علت منفجر شدن چلنجر به طور خلاصه خرابی یک “بست” به نام ” او-رینگ (o-ring) در هنگام پرتاب و در راکت سمت راست بود که باعث نشت گاز داغ و فشار بالای درون راکت به بیرون و انفجار راکت و تانک سوخت شده بود؛ اما شاتل کلمبیا بعد از سفر ۱۸ روزه ی خودش و در هنگام برگشت منفجر شد. علت منفجر شدن کلمبیا به طور خلاصه این بود که قسمتی از تانک سوخت هنگام پرتاب جدا شده و باعث سوراخ شدن محافظ حرارتی روی بال شده بود. قبلا هم این اتفاق برای شاتل های دیگه افتاده بود اما نکته ی قابل توجه اینجاست که مهندسین ناسا متوجه شده بودند که این بار سانحه جدی تر از دفعات قبلِه اما روسای ناسا با این توجیه که فضانوردان نمی تونند بال رو تعمیر کنند اجازه ی بررسی بیشتر رو نداده بودند. بعد از هر سانحه تغییراتی برای جلوگیری از تکرار اون سانحه انجام می شه و یا بندهایی به استانداردهای هوایی اضافه می شه مثلا بعد از سانحه کلمبیا مقصد همه ی سفرهای بعدی شاتل ( به جز یکی از اونها) ایستگاه فضایی بود تا در صورت بروز مشکل فضانوردها بتونند از اون به عنوان پناهگاه استفاده کنند.

مطالب مرتبط:

 


8 دیدگاه در ”شاتل فضایی

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.