تبلیغات
همه چیز درباره ی فیزیک - شاتل فضایی.:.
شنبه 12 آذر 1390  05:02 ب.ظ

                               

شاتل فضایی (به انگلیسی: Space Shuttle) آمریکا که اولین بار در سال ۱۹۸۱ پرتاب شد. نخستین سفینه قابل استفاده مجدد جهان بود. سه بخش اصلی آن مدارپیما، موشکهای تقویت کننده، و مخزن بیرونی سوخت (تنها مخزن سوخت آن که بعد از هر مأموریت قابل استفاده نیست) می‌باشد. کاشی‌های ویژه مقاوم در برابر گرما مانع از سوختن مدارپیما به هنگام بازگشت به جو زمین می‌شوند. بازوی قابل کنترل از راه دور تعبیه شده در مخزن محموله مدارپیما، می‌تواند ماهواره‌ها را در فضا قرار دهد؛ و همچون سکویی ثابت برای کار فضانوردان عمل کند.

پس از فضاپیماهای مرکوری، جمینی و آپولو (که ماه را فتح کرد)، آمریکایی‌ها به سراغ سفینه‌های رفت و برگشتی رفتند و بدین سان، شاتل‌های فضایی متولد شدند. شاتل‌ها تا ۷ مسافر و ۲۵ تن تجهیزات را در خود جای می‌دهند و زمان طولانی‌تری را در مدار زمین به سر می‌برند. آن‌ها همچنین به یک بازوی روباتیک مجهز هستند که به کمک آن می‌توانند ماهواره‌ها را به دام انداخته، اقدامات لازم را در مورد تعمیرات یا انتقال آن صورت دهند.

تاکنون هفت شاتل به نام‌های انترپرایز، راه یاب (پث فایندر)، کلمبیا، چلنجر، دیسکاوری، آتلانتیس و اِندِور ساخته شدهفضانوردان ماموریت STS-۱۱۸ که دو شاتل نخست، ناکامل و برای آزمایش‌ها و بررسی‌ها ساخته  شده‌اند. از میان پنج شاتل بعدی نیز چلنجر و کلمبیا دچار سانحه  شده‌اند و فقط سه شاتل دیسکاوری، آتلانتیس و اندیور مشغول  فعالیت هستند. به دلیل دو سانحه که باعث کشته شدن ۱۴ فضانورد و  از دست رفتن ۲ فضاپیمای شاتل شد، ناسا اعلام کرده که ناوگان  شاتل  را تا سال ۲۰۱۰ میلادی بازنشست خواهد کرد.

شاتل‌های فضایی بسیار هزینه‌بر هستند، به طوری که پرتاب آن فقط   پانصد میلیون دلار هزینه در بر دارد و این، غیر از هزینه‌های نگهداری و   تعمیرات آن است. همین هزینه‌های سنگین موجب شد تا روسیه از   شاتل فضایی قدرتمند خود، بوران، استفاده نکند. بوران با قدرت حمل   ۳۰ تن تجهیزات، و استفاده از امکانات ناوبری پیشرفته، یک سر و گردن     بالاتر از همتای آمریکایی خود است؛ ولی به دلیل هزینه‌های بسیار   بالا، روسیه از آن استفاده نکرده است.

اجزای شاتل



مدارگرد، كه گاهی به تنهایی شاتل فضایی خوانده می شود، همان وسیله هواپیماشكلی است كه به زمین بازمی‌گردد و فرود می‌آید. بوسترهای پیشران جامد پس از فاز اولیه پرتاب جدا شده و در دریا سقوط می‌كنند تا دوباره مورد استفاده قرار گیرند. مخزن پیشران خارجی هم كه معمولاً در تصاویر با رنگ نارنجی مشخص است، پس از فاز نهایی پرتاب از مدارگرد جدا شده و در جو متلاشی می‌شود. شاتل فضایی قادر است تا محموله 24400 كیلوگرمی را تا مدار 204 كیلومتری حمل كند. اگر محموله برای ایستگاه فضایی بین‌المللی باشد كه در ارتفاع حدود 400 كیلومتری قرار دارد، این قابلیت حمل به 12500 كیلوگرم كاهش می‌یابد. برای مدار انتقالی زمین‌ثابت، قابلیت حمل محموله به 3810 كیلوگرم می‌رسد . این آمار برای شاتل‌های بعد از سانحه چلنجرارائه شده است. تا قبل از چلنجر، قابلیت حمل محموله حدود 15 درصد بیشتر بود كه بعد از آن در جهت افزایش ایمنی عملیات‌ها این قابلیت حمل كاهش یافت [5]. البته مدارگردهای مختلف به لحاظ وزنی مقدار اندكی با هم متفاوتند كه این مساله می‌تواند روی قابلیت حمل محموله موثر باشد. همچنین در طول بیش از دو دهه برنامه شاتل فضایی، وزن قسمت‌هایی از این وسیله مانند مخزن خارجی نیز چند بار كم شده است، كه این مساله هم بر روی توانایی شاتل در حمل محموله موثر بوده است.

  • مدار گرد

وظیفه اصلی مدارگرد حمل فضانوردان و محموله‌ها به فضا و بازگرداندن آنها به زمین است. این بخش شاتل شبیه به یك هواپیما با دو بال دلتا و دمی عمودی است. مدارگرد به هنگام بازگشت به زمین درست مانند یك هواسُر عمل می‌كند و بدون هیچ‌گونه نیروی پیشران بر روی باند فرود می‌آید. مدارگرد از سه قسمت اصلی تشكیل شده است. در قسمت جلویی آن كابین كنترل و محل استقرار فضانوردان قرار دارد. قسمت میانی مدارگرد با دارا بودن فضایی خالی با طول زیاد، بستری برای حمل محموله‌ها است. در قسمت عقبی شاتل نیز سه موتور پیشران مایع قرار دارند كه در هنگام پرتاب از مخزن سوخت خارجی تغذیه شده و بخشی از نیروی رانش مرحله اول و تمام نیروی مرحله دوم پرتاب را تامین می‌كنند. هر یك از این موتورها، نیروی رانشی معادل 1/2 میلیون نیوتن در خلاء و 67/1 میلیون نیوتن را در سطح دریا تامین می‌كنند. نسبت سوخت (هیدروژن مایع) به اكسیدكننده (اكسیژن مایع) در آنها 6 به 1 است. تمام مدارگردها دارای ابعاد كاملاً یكسانی هستند و تنها از نظر برخی ویژگی‌های سامانه‌ای با هم تفاوت دارند. مدل‌های جدیدتر به لحاظ سازه‌ای سبك‌تر شده‌اند و بنابراین قابلیت حمل سامانه و محموله آنها افزایش پیدا كرده است . همین تفاوت‌ها باعث می‌شود تا به لحاظ قابلیت ماموریت نیز تفاوت‌هایی داشته باشند. هر مدارگرد برای حمل 4 الی 7 فضانورد (كه دو نفر آنها حتماً خلبان هستند) طراحی شده است. گرچه ماموریت با 8 فضانورد نیز تجربه شده است. مدارگردها قادر هستند در موارد اضطراری تا 11 نفر را نیز با خود به زمین بازگردانند هر مدارگرد دارای سامانه‌ای موسوم به [مانور مداری] است كه برای مانورهای مداری آن در فضا طراحی شده است. این سامانه كه در قسمت عقب (كنار دم) مدارگرد تعبیه شده، از دو موتور پیشران مایع هر یك با نیروی رانش 26700 نیوتن تشكیل شده است. در كنار این سامانه مداری، [سامانه كنترل عكس‌العملی] شامل 24 پیشرانه 3870 نیوتنی وچهار موتور ورنیه نیز بكار گرفته شده است. علاوه بر همه اینها، 14 پیشرانه فضایی ودو موتور ورنیه نیز در قسمت دماغه شاتل وجود دارند. همه این پیشرانه‌ها از پیشران مایع مونومتیل هیدرازین و تترا اكسید نیتروژن استفاده می‌كنند. سازه مدارگرد بیشتر از آلومینیوم ساخته شده است اما سازه‌های پشتیبان موتورهای راكتی آن بیشتر از آلیاژ تیتانیوم است. بازوی رباتی یا جایگذاری از راه دور نیز كه قبلاً توضیح داده شد، یكی از ‌سامانه‌های جانبی مهم مدارگرد است كه در طول بستر بار آن قراردارد. یكی از مهم‌ترین و حساس‌ترین بخش‌های مدارگرد، كاشی‌های عایق حرارتی هستند كه در زیر بدنه، بال و دماغه شاتل به‌صورت سرتاسری نصب می‌شوند تا در هنگام ورود مجدد مدارگرد به زمین جلوی نفوذ حرارت چندین هزار درجه‌ای را به شاتل بگیرند. سانحه دوم شاتل فضایی به خاطر نقص به وجود آمده در یكی از همین عایق‌ها بود. طول دهانه بال مدارگرد 79/23 متر و طول بدنه آن 24/37 متر است. جنس سازه اصلی تشكیل دهنده مدارگرد عمدتا از آلومینیوم است اما سازه پشتیبان سامانه پیشرانش آن از آلیاژ تیتانیوم ساخته شده است.

  • بوستر سوخت جامد

دو بوستر پیشران جامد شاتل فضایی به رنگ سفید بوده و در طرفین مخزن خارجی نصب می‌شوند. این دو بوستر نقش اصلی را در مرحله اول پرتاب شاتل فضایی بر عهده دارند. بوسترها پس از حدود 2 دقیقه و در ارتفاع حدود 45700 متری (150000 پایی) از سامانه جدا می‌شوند و وسیله به كمك چتر در اقیانوس سقوط می‌كنند و سپس به وسیله یدك‌كش‌های مخصوصی از آب گرفته شده و جهت بازیافت و استفاده مجدد مورد استفاده قرار می‌گیرند. پیشران بوسترها از نوع جامد است. 16 درصد پودر آلومینیوم اتمیزه شده به عنوان سوخت، 8/69 درصد پركلرات آلومینیوم به عنوان اكسیدكننده، 2/0 درصد اكسید آهن به عنوان كاتالیزور، 12 درصد اسید اكریلونیت به عنوان بایندر و 2 درصد اپوكسی به عنوان ماده مخصوص پخت، تركیبات این پیشران را تشكیل می‌دهند . هر بوستر در راستای طولی از پنج قسمت مجزا تشكیل شده كه در هنگام آماده‌سازی برای پرتاب مونتاژ می‌شوند. در قسمت نوك بوسترها چند موتور راكتی كوچك در جهت معكوس تعبیه شده كه در هنگام جدایش عمل می‌كنند. بوسترها با استفاده از سامانه نازل متحرك خود، در كنترل كل شاتل در مرحله اول پرتاب نیز نقش ایفا می‌كنند. علت اصلی بروز سانحه چلنجر، نقص در یكی از اورینگ‌های ([واشر عایق حلقه‌ای]) عایق بخش انتهایی یكی از بوسترها بود. بعد از این حادثه، تغییرات زیادی به لحاظ مهندسی در سامانه بوسترها صورت پذیرفت.

  • مخزن پیشران خارجی

مخزن پیشران مایع خارجی، محفظه‌ای است برای نگهداری هیدروژن و اكسیژن مایع كه در موتورهای راكتی پیشران مایع نصب شده در پشت مدارگرد، تزریق می‌شوند. این مخزن عظیم در اولین شاتل‌ها سفیدرنگ بود. اما بعد از این كه مشخص شد این رنگ هیچ اثر مثبت مكانیكی بر روی مخزن ندارد، از رنگ زدن آن خودداری شد و بدین ترتیب، 272 كیلوگرم از وزن آن كاسته شد. رنگ نارنجی این مخزن مربوط به رنگ پرایمر آن است . پس از جدایش بوسترها در انتهای مرحله اول پرتاب و در ارتفاع 45 كیلومتری، مدارگرد با استفاده از پیشران موجود در این مخزن، تا ارتفاع 113 كیلومتری بالا می‌رود. حدود 5/8 دقیقه بعد از لحظه پرتاب (10 ثانیه بعد از خاموشی موتورهای راكتی عقبی مدارگرد، این مخزن جدا و در هوا متلاشی می‌شود و برخی بقایای آن در اقیانوس هند یا اطلس سقوط می‌كنند. این مخزن حاوی 5/1 میلیون لیتر اكسیژن مایع و 5/0 میلیون لیتر هیدروژن مایع در هنگام پرتاب است. پوسته مخزن با ضخامت 5/2 سانتی‌متر، پوششی از فومِ [پلی‌ایزو‌سیانورات] دارد. جنس مخازن هیدروژن و اكسیژن آن از آلومینیوم 2090 و 2195 است كه برای نگهداری مایعات [كرایژنیك] بسیار مناسب است. مخازن اكسیژن و هیدروژن آن به گونه‌ای طراحی شده است كه جلوی تلاطم مایعات داخل آنها را می‌گیرند. طول این مخزن 9/46 متر و قطر آن 4/8 متر است. وزن خالی آن بارها دستخوش تغییر شده اما حدوداً 26 تن است . سازه مخزن به نوعی رابط و پشتیبانی برای كل مجموعه است.

آزمایشگاه فضایی



آزمایشگاه فضایی آزمایشگاه ویژه‌ای است که درون مخزن محموله مدارپیما جای می‌گیرد تا با ایجاد فضای اضافی دانشمندان بتوانند در فضا آزمایش کنند این آزمایشگاه بنا به نوع آزمایشهای هر سفر مجهز می‌شود آزمایشگاه فضایی همچنین بخش‌های روبازی دارد که برای مطالعه فضا و زمین هستند این آزمایشگاه متراکم از طریق مجرای هوابند به مدارپیما متصل می‌شود.

تمامی مدارپیماها نامگذاری شده‌اند اولین آنها به نام انترپرایز از نام سفینه فضایی مجموعه تلویزیونی پیشتازان فضا (استارترک) اقتباس شد انترپرایز برای مقاصد آزمایشگاهی ساخته شده بود ولی هیچگاه به مدار نرفت هر چند که چندین بار در بالای یک فروند بوئینگ ۷۴۷ پرواز کرد در سال ۱۹۷۷ انترپرایز از ارتفاع ۶۷۰۰ متری (۲۲هزار پایی) رها شد و سالم به زمین نشست. ناوگان کنونی شامل سه مدارپیمای دیسکاوری، آتلانتیس و اندیور است.

امیدوارم از این مطلب بهره کامل رو برده باشید.:.


  • آخرین ویرایش:-