رقيب روسي شاتل را بشناسيم

مقايسه اي كوتاه بين دو سرويس رفت و برگشت مداري، شاتل آمريكايي و بوران روسي
 

شاتل در لغت به اتوبوس هايي اطلاق مي شود كه در يك مسير مشخص رفت و آمد مي كنند. حال اگر مسير رفت و آمد بين زمين و فضا باشد. آن اتوبوس را در اصطلاح شاتل فضايي مي گويند! شاتل ها در حقيقت وسايل حمل و نقل قابل استفاده مجددي هستند (يا بهتر است بگوييم بودند!) كه براي حمل انسان، محموله هاي فضايي و بردن ماهواره به فضا، طراحي شده و به كار گرفته شدند. امتياز اصلي شاتل فضايي اين بود كه به عنوان يك موشك قابل استفاده مجدد و فضاپيماي قابل بازيابي مطرح شد، زيرا تا آن زمان در فناوري پرتاب فضايي با موشك، بخش هاي مختلف از موشك جدا شده و به زمين سقوط كرده و يا اينكه در فضا سرگردان مي ماندند! آن بخش ها كه بازيابي مي شدند با وجود هزينه هاي بسيار زيادي كه برايشان صرف شده بود بيشتر قابل استفاده در موزه ها بودند! آمريكا و روسيه تقريباً همزمان (دهه 1970) روي چنين وسايلي كار كردند و هر كدام هم نتايج قابل توجهي گرفتند؛ آمريكا روي شاتل هاي معروفش و روسيه روي بوران! آمريكا زودتر به نتيجه رسيد و بالاخره دوازدهم آوريل 1981 (اوايل دهه 1360) نخستين شاتل فضايي، كلمبيا، با كاميابي به فضا فرستاده شد تا فصل جديدي از تجسس هاي فضايي آغاز شود. روسيه هم پس ازچهار سال بوران را در يك پرواز آزمايشي موفق به فضا فرستاد! اگرچه بسياري از كارشناسان علوم و مهندسي اعتقاد دارند كه بوران داراي مزيت هاي بيشتري نسبت به شاتل هاي آمريكا بود ولي برنامه بوران به دليل كمبود بودجه در اوايل دهه 1990 رسماً تعطيل شد.
فضاپيماي بوران يكي از فضاپيماهاي شاتل اتحاد شوروي است. بوران تنها شامل شاتل فضايي شوروي بود. كه به طور كامل ساخته و در مدار زمين آزمايش شد. برنامه بوران همزمان با پروژه شاتل آمريكا در دهه 70 ميلادي در شوروي سابق آغاز شد. پس از مطالعات اوليه، در سال 1975ساخت آن آغاز شد و نخستين پرواز آزمايشي آن در سال 1985 انجام شد. با توجه به تمام مزيت هايي كه بوران نسبت به نمونه آمريكايي خود داشت، برنامه آن به علت كمبود بودجه لغو شد. در حقيقت بودجه بوران به ساخت و توسعه موشك هوا به هواي كوتاه برد مولينا اختصاص يافت. در كل، چهار مدل مختلف از بوران ساخته شد. دو مدل از آن، هيچ گاه تكميل نشد و دو مدل ديگر، تنها پروازهاي آزمايشي داشته اند. يكي از اين دو مدل، هم اكنون در پارك گوركي در مسكو روي زمين قرار گرفته و ديگري در پايگاه فضايي بايكونور قزاقستان قرار دارد.
نمونه هاي پيشين اجسام پرنده اي كه براي به پرواز درآوردن فضانوردان، آمد و شد و تحويل بار در ايستگاه مداري استفاده مي شدند ــ مانند واستوك ها و سايوزها ــ هريك تنها از عهده يكي از نقش هاي بوران برمي آيند و آن هم به صورت يك بار مصرف! آنها با يك موشك حامل نه چندان بزرگ (متوسط)، در مدار قرار مي گيرند و بارهاي خود را در مدار قرار مي دهند، سپس به صورت پرتابه اي با حركت بالستيك وارد جو زمين مي شوند و با نزديك شدن به زمين چتر نجات و فرود آنها باز مي شود تا فرودي آرام روي زمين داشته باشند. اين مسائل طراحان را وادار كرد تا براي سهولت رفت و آمد به مدار، بسياري از مسائل سخت و پيچيده را حل كنند. از سوي ديگر به دليل افزايش ترابري فضايي در خط «مدار ــ زمين» توسعه چنين وسايلي ــ كه داراي ظرفيت بالاي حمل بار هستند ــ امري اجتناب ناپذير شده بود و اكنون نيز هست. بوران تمام قابليت هاي نمونه هاي پيشين اجسام پرنده ياد شده را يكجا دارد.

مدار گرد بوران قادر بود 30 تن بار را در مدار قراردهد و با 20 تن بار مفيد، به زمين بازگردد. اتاق ويژه حمل بار در اين وسيله ترابري فضايي، مي توانست اندازه هاي قابل توجهي را در خود جاي دهد. اين ويژگي سبب شده است ساخت سازه هاي بزرگ در ابعاد 17 متر و قطر 4/5 متر امكان پذير باشد. بوران مي توانست بين دو تا چهار خدمه داشته باشد كه اين تعداد در شرايط ويژه مي توانست تا شش نفر افزايش يابد.
فرود آزاد از مدار و از بين لايه هاي فشرده و متراكم جو، به استفاده اصولي از سامانه جديد سپرهاي گرمايي با قابليت به كارگيري مجدد بستگي دارد. اين سامانه براي محافظت از گرما در 100 پرواز طراحي شده بود. براي مدار گرد بوران، سه نمونه سامانه عايق گرمايي توسعه يافت.
1.مواد «كربن ــ كربن» كه بيشترين دماي عملياتي يعني 1650 درجه سانتي گراد را تحمل مي كند و براي بخش هايي كه بالاترين بار گرمايي را دارند، مانند دماغه بوران و لبه بال مورد استفاده قرار مي گرفت.
2.كاشي ها سراميكي براي قطعاتي كه تا 1250 درجه سانتي گراد گرم مي شوند.
3.مواد قابل انعطاف براي قطعات به كار رفته در سطوح كه دماي كاركرد آن 379 درجه سانتي گراد بالاتر نباشد.
اين سه سامانه به استحكام و دوام بيشتر مواد به كار رفته در ساختار بوران فضايي، منجر شده است. تقريبا هر 40 هزار كاشي سراميكي كه در سامانه عايق گرمايي به كار رفته اند، در پرواز شكل هندسي واقعي خود را حفظ كرده اند.

سنجش ها و اندازه گيري هاي هندسي واقعي از سطح ساختار زير هر كاشي در بين 100 محل انجام شد تا اطمينان حاصل شود كه كاشي ها كاملا با هم هماهنگ هستند. انجام دادن اين كار به صورت دستي غيرممكن بود. براي اين منظور روس ها يك نرم افزار ويژه را توسعه دادند. در نتيجه ساخت، توليد و نصب كاشي ها با استفاده از نقشه انجام شد. داده هاي اين بانك نرم افزاري بر اساس تعامل بين دفتر طراحي و كارخانه مونتاژ توليد مي شود و به تصويف شكل هندسي، پارامترها و مواد مورد استفاده مي پردازد.
در فرود بوران از يك مدار فضايي به زمين مانورهاي زيادي انجام مي گرفت تا پرنده بر زمين بنشيند. بوران، مانور خود را با سرعت ماوراي صوت با ماخ 25 آغاز مي كرد و تا زمان فرود كه سرعت آن به ماخ 20 مي رسيد، ادامه مي داد. اين گستره وسيع عدد ماخ، مستلزم طرح آيروديناميكي بدون دم افقي، با يك جفت بال پيچ خورده، با ترمز آيروديناميكي لاستيكي و زبانه اي براي متعادل كردن سفينه - همانند سطوح كنترلي هواپيماها- است. اين ساختار در طول آزمون هاي طولاني و بسيار پرهزينه تونل باد، توسعه يافته است و در پروازهاي مدل آزمايش شده است. اين پروازها را «بور-5» ناميده اند. در ابتدا نخستين بوران، براي بررسي مهم ترين مرحله پرواز - فرود و پيش فرود- ساخته شد و به پرواز درآمد. اين بوران اوليه، داراي چهار موتور توربوجت جهت برخاستن از فرودگاه به صورت مستقل بود و همين امر آن را از «مدارگرد فضايي بوران» متمايز مي كند. نمونه اوليه، 24 پرواز انجام داد كه 15 مورد آن، براي فرود در وضعيت خودكار، انجام گرفت. دو چرخش دورزمين بدون اين كه خلبان درون مدارگرد باشد، انجام شد. باند پرواز با دقت، مورد كنترل و نظارت قرار گرفت تا هيچ مورد مشكوكي هنگام فرود رخ ندهد. اين نخستين فرود خودكار سفينه فضايي بوران بود كه شاتل فضايي نمي توانست آن را انجام دهد. پرواز مدارگرد بوران، يك گام ارزشمند در پيشرفت مهندسي فضا بود. با يك نگاه به روش به كار رفته در پروژه بوران، مي توان به كاربرد گسترده مواد، فناوري ها، روش هاي طراحي يارانه اي و مولفه هاي تجهيزات جديد در شاخه هاي اقتصادي علوم فضايي پي برد.

شاتل، پير شد اما كامياب!
 

در انتهاي برنامه آپولو، مقامات ناسا برنامه آينده فضايي ايالات متحده را بررسي كردند. در آن زمان فضانوردان و تجهيزات توسط موشك هاي يكبار مصرف به فضا ارسال مي شد و هزينه ها بسيار بالا رفته بود، آنها به وسيله اي مطمئن و كم هزينه نياز داشتند تا بتوانند از آن چندين بار استفاده كنند. به اين ترتيب بود كه طرح شاتل فضايي را ارائه دادند. ناسا شروع به مطالعه و طراحي شاتل فضايي كرد و بالاخره پس از سال ها آزمايش روي بخش هاي مختلف، چهار شاتل كلمبيا، آتلانتيس، ديسكاوري و چلنجر آماده پرواز شدند. نخستين پرواز در سال 1980 شاتل كلمبيا با خلباني جان يانگ و رابرت کريمن با موفقيت انجام داد. در سال 1986 به خاطر ايجاد شعله در مخزن سوخت بيروني شاتل چلنجر منفجر شد و تمام خدمه آن در راه فضا از بين رفتند. برنامه سفر با شاتل ها جهت رفع اشكالات فني چند سال به تعويق افتاد. پس از اين حادثه شاتل هاي فضايي باز هم به كار خود ادامه دادند تا اينكه حدود يك دهه پيش يك بار ديگر و در حالي كه هفت فضانورد شاتل كلمبيا در پايان يك مأموريت 16 روزه علمي در حال بازگشت به زمين بودند، در كمال حيرت مردم، اين فضاپيما در اثر يك مشكل در قسمت مخازن سوخت منفجر شد و از بين رفت. مأموريت شاتل هاي فضايي معمولا هفت يا هشت روزه بود. شاتل هاي آمريكايي قادر بودند بسته به مأموريت هاي محموله تا 20 روز هم پرواز كنند. اجزاي حركتي شاتل عمدتاً عبارتند از: دو موشك بوستر سوخت جامد، مخزن سوخت بيروني، سه موتور اصلي نصب شده روي مدارپيما و سامانه مديريت مقصد در فضا نصب شده روي مدارپيما! موشك هاي بوستر سوخت جامد، فراهم كننده بيشترين نيرو (حدود 71 درصد) براي بلندكردن شاتل فضايي از سكوي پرتاب بودند. اين موشك ها آخرين بخشي بودند كه پس از اجازه پرتاب روشن مي شدند، زيرا پس از شروع احتراق ديگر قابل خاموش كردن نيستند. ارتفاع هريك از اين موشك ها 46 متر و وزن آنها همراه سوخت جامد به 600 تن مي رسيد. داخل هر يك از اين موشك ها سوخت جامد- موتور احتراق- سامانه كنترلي جدايش و چتر فرود (براي فرود سالم در اقيانوس و استفاده مجدد از موشك ها) تعبيه مي شد. مخزن سوخت بيروني سوخت مايع موتورهاي اصلي را در خود ذخيره داشت. سوخت مخزن بيروني كه شامل اكسيژن و هيدروژن بود با هم تركيب شده و باقيمانده نيرو (حدود 29 درصد) براي بلندكردن شاتل فراهم مي شد. موتورها قادر بودند حجم عظيمي از سوخت مخزن بيروني را با سرعت و قدرت بسوزانند (معادل حجم يك استخر بزرگ در عرض 10 ثانيه). آب حاصل از تركيب اكسيژن و هيدروژن به خاطر گرماي فوق العاده سريع بخار مي شد. دو موتور سامانه مديريت مقصد هم در بخش عقب مدارپيما روي دم هاي آن قرار داشتند. اين موتورها براي قراردادن شاتل در مدار نهايي و تغيير مكان شاتل از مداري به مدار ديگر و كم كردن سرعت شاتل هنگام فرود تعبيه شده بودند. داخل اين موتورها دو مخزن هليم و اكسيدايزر قرار داشت. خاصيت اين مواد در اين است كه در نبود اكسيژن مي تواند با هم تركيب شده و فوراً آتش بگيرند. در ضمن روي دماغه هم 14 موتور جت كوچك نصب شده بودند كه از همين نوع سوخت استفاده مي كردند.
در بخش مياني مدارپيما تجهيزات و بازوي مكانيكي و در بخش پيشاني مركز فرماندهي و محل استقرار خدمه و مخازن هوا و غذا قرار داشت. وقتي مدارپيما به ايستگاه مورد نظر مي رسيد درهاي بالاي بدنه باز شده و تجهيزات توسط بازوي مكانيكي كه درون آن تعبيه شده به ايستگاه تحويل مي شد. پس از آنكه ماموريت مدارپيما به اتمام رسيد، نوبت بازگشت به زمين بود. بازگشت مدارپيما يكي از حساس ترين مراحل سفر بود. ابتدا مدارپيما بايد 180 درجه گردش مي كرد و سپس دوباره تحت زاويه خاص (28 تا 36 درجه) گردش مي كرد تا سطح زيرين آن به اتمسفر برخورد كند. مدارپيما در اين حالت با سرعت 28 هزاركيلومتر بر ساعت از اتمسفر زمين عبور مي كرد و دماي سطح آن در اين لحظه به 3000 درجه سانتيگراد مي رسيد. به همين دليل سطح مدارپيما از مواد خاص (تركيبات سخت كربن) ساخته اند تا در برابر حرارت شديد مقاوم باشد. پس از اينكه مدارپيما از جو عبور كرد به ارتفاعي مي رسيد كه غلظت هوا در آنجا زياد است. از اين به بعد مدارپيما مانند هواپيما با كمك بال ها در يك ناحيه S شكل ابتدا تحت زاويه 40 درجه و سپس 20 درجه به طرف زمين مانور مي داد تا سرعت فرودش كم شود. پس از اينكه مدارپيما به باند فرود رسيد دماغه را بالا مي آورد و سپس چتر سرعت گير را باز مي كرد تا آرام روي باند توقف كند.

تفاوت هاي اساسي
 

بوران، يكي از انعطاف پذيرترين فضاپيماهاي ساخته شده در دنيا به حساب مي آيد. اين شاتل فضايي به علت وزن كمتر و داشتن موتورهاي جت توانايي پرواز مستقيم از روي باند به مدار زمين را داشت يا مي توانست توسط يك هواپيماي آنتونوف 225 به ارتفاعات بالا منتقل و از همان جا به سمت مدار زمين پرتاب شود. در صورتي كه شاتل هاي آمريكايي با كمك بوسترهاي سوخت جامد به صورت عمودي يا يك ارتفاعي بالا مي رفتند و پس از جدا شدن بوسترها و سپس مخزن سوخت مايع در ارتفاع خاص به حركت خود به سوي مدار ادامه مي دادند! در كنار اين مساله،ارتفاع كمتر بوران، ميدان ديد بيشتري را به خلبان مي داد. ميزان بار حمل شده توسط بوران حدود چهار تن بيشتر از شاتل هاي آمريكايي بود و به علت كمتر بودن قطعات تعويضي در هر پرواز، هزينه كمتري را براي پرتاب بعدي تحميل مي كرد. همچنين برخلاف شاتل هاي آمريكايي، فضاپيماي بوران امكان پرتاب، پرواز مداري و بازگشت و فرود كاملا خودكار و بدون نياز به سرنشين را دارد.

تفاوت ها در يك نگاه:
 

- فرود خودكار بوران از مدار در فرودگاه زميني
- استفاده نكردن از موتور بوران به عنوان موتور اصلي جهت بالابردن موشك حامل آن (انرگيا)، موتور اصلي در بخش مياني موشك حامل انرگيا قرار دارد كه مي توانست با داشتن 120 تن بار مفيد در برابر 30 تن بار مفيد شاتل فضايي، به مدار پرتاب شود.
- ميزان بالاي نيروي برآ به پسا. اين نسبت براي سفينه فضايي بوران 6/5 است و براي شاتل، 5/5.
- بوران 20 تن بار مفيد را از مدار به فرودگاه برمي گرداند ولي شاتل، فقط 10 تن را مي تواند به زمين منتقل كند.
- الگوي چيدمان كاشي هاي سپر گرمايي بوران، بهينه است و شكاف طولي كمربندها نسبت به خط جريان، عمود است. زاويه هاي تند در كاشي ها وجود ندارد و كمربندهاي كاشي در دماغه و باله ها درموقعيت بهينه هستند.
منبع: دانستنيها، شماره 28.