مکانیک فضایی به زبان ساده: قسمت پنجم

برای درک بهتر مفاهیم اوّلیه‌ی مکانیک سماوی به زبان ساده، مروری داشتیم به وقایع مأموریت آپولو 11 و رسیدیم به جایی که ماژول ماه‌نشین، سطح ماه رو لمس کرد.

لینک به قسمت‌های قبلی: 1 - 2 - 3 - 4

یادآوری اختصارها:

  • ماژول فرماندهی: CM
  • ماژول سرویس: SM
  • ماژول فرماندهی/سرویس: CSM
  • ماژول ماه‌نشین: LM
مایکل کالینزِ منتظر، Apollo 11 CM، مدار ماه | توی اون لحظه، تنهاترین انسان بود! زمانی که سمت دیگه‌ی ماه قرار می‌گرفت، نه با دو خدمه‌ی دیگه و نه حتّی با زمین می‌تونست ارتباط رادیویی داشته باشه. نزدیک چهارصد هزار کیلومتر با زمین فاصله داشت و نزدیک‌ترین دو انسان بهش هم آرمسترانگ و آلدرین بودن که اون‌طرف ماه قرار داشتن...
مایکل کالینزِ منتظر، Apollo 11 CM، مدار ماه | توی اون لحظه، تنهاترین انسان بود! زمانی که سمت دیگه‌ی ماه قرار می‌گرفت، نه با دو خدمه‌ی دیگه و نه حتّی با زمین می‌تونست ارتباط رادیویی داشته باشه. نزدیک چهارصد هزار کیلومتر با زمین فاصله داشت و نزدیک‌ترین دو انسان بهش هم آرمسترانگ و آلدرین بودن که اون‌طرف ماه قرار داشتن...


نیل آرمسترانگ و باز آلدرین بالاخره تونستن به وسیله‌ی LM روی سطح ماه فرود بیان. امّا پیش از هرکاری، ماژول ماه‌نشین رو آماده‌ی برخاست مجدّد کردن؛ چرا که در صورت وقوع حادثه‌ای احتمالی، باید آمادگی این رو می‌داشتن که به سرعت از سطح ماه بلند بشن و به مدار ماه برگردن.

شرایط سطح ماه با زمین تفاوت بسیاری داره. گرانش ماه حدود ⅙ زمین هست. همچنین ماه تقریباً هیچ اتمسفری نداره (به همین خاطر هست که علارغم این که نه تنها مأموریت آپولو 11 بلکه مأموریت‌های بعدی آپولو هم توی نیمه‌ی اوّل برج قمری (به بیان دیگه، توی روزِ کره‌ی ماه - زمانی که محلّ فرود توی نیمه‌ای از ماه بود که آفتاب بهش می‌تابید) انجام گرفتن آسمان همچنان تیره و تار دیده می‌شد؛ بدون این که ستاره‌ای معلوم باشه). سکوت مطلق حاکم هست. خبری از گرد و خاک یا نسیمی هم نیست (برخلاف مثلاً کاوشگر InSight که بعد فرود به سطح مرّیخ (یادآوری: برخلاف ماه، مرّیخ دارای اتمسفری با فشار 600 پاسکال هست که 95.97% اون رو کربن‌دی‌اکسید و 0.146% هم اکسیژن تشکیل می‌ده) ناچار شد برای حدود 6 ساعت پنل‌های خورشیدی خودش رو بسته نگه داره تا گرد و خاک ناشی از فرودش کاملاً فرو بشینه، برای فرود روی ماه چنین مشکلی وجود نداشت؛ چون ذرات خاک فقط به شکل سهمی به اطراف پرتاب می‌شن و دوباره به سطح بر می‌گردن، بدون این که توی محیط معلّق بشن و گرد و خاک راه بیفته). مجدّداً بخاطر نبود اتمسفر، آفتاب بسیار سوزان و روشنی به سطح می‌تابه. خط افق هم بسیار نزدیک‌تر دیده می‌شه (طبیعتاً چون ابعاد ماه فقط 27% زمین هست).

بنا به توافقات قبلی، فرمانده‌ی این مأموریت یعنی نیل آرمسترانگ اوّلین کسی خواهد بود که LM رو ترک می‌کنه و تبدیل به اوّلین انسانی می‌شه که به سطح ماه قدم می‌ذاره. این صحنه‌ی حماسی، توسّط دوربینی از قبل که روی بدنه‌ی خارجی LM نصب شده بوده، به تصویر کشیده می‌شه.

That's one small step for [a] man, one giant leap for mankind. 
این گامی کوچک برای یک انسان، و جهشی بزرگ برای بشریت است

بعد از حدود بیست دقیقه، راه‌اندازی برخی از تجهیزات، جمع‌آوری اوّلین نمونه از سطح ماه و...، باز آلدرین هم به آرمسترانگ می‌پیونده و پس از ده دقیقه، پرچم ایالات متّحده هم به سطح ماه نصب می‌شه (بخاطر عدم وجود اتمسفر ناچار بودن از پرچمی استفاده کنن که میله‌ی تاشوی اون به شکل Г هست و دو ضلع از پرچم رو نگه می‌داره تا پرچم فرم افراشته بودنش رو حفظ کنه. و جالب‌تر این که بازم بخاطر عدم وجود اتمسفر و ایجاد مقاومت هوا، پرچم توی خلاء به شکل زیبایی به نوسانات موجی خودش ادامه می‌ده و به این زودی از حرکت نمی‌ایسته).

نیل آرمستراگ در حال پایین اومدن از نردبان
نیل آرمستراگ در حال پایین اومدن از نردبان


باز آلدرین در حال پایین اومدن از نردبان | این صحنه بعضاً به اشتباه به آرمسترانگ و اوّلین قدم نسبت داده می‌شه؛ در حالی که فضانورد توی عکس، آلدرین هست و تصویربردار، آرمسترانگ بوده
باز آلدرین در حال پایین اومدن از نردبان | این صحنه بعضاً به اشتباه به آرمسترانگ و اوّلین قدم نسبت داده می‌شه؛ در حالی که فضانورد توی عکس، آلدرین هست و تصویربردار، آرمسترانگ بوده


باز آلدرین در کنار پرچم | اشتباهی که انجام دادن، نصب بیش از حد نزدیک پرچم به ماژول فرود بود که باعث شد لحظه‌ی برخاست مجدّد از سطح ماه، پرچم واژگون بشه. توی مأموریت‌های بعدی، پرچم رو توی فاصله‌ی ایمن‌تری نصب کردند.
باز آلدرین در کنار پرچم | اشتباهی که انجام دادن، نصب بیش از حد نزدیک پرچم به ماژول فرود بود که باعث شد لحظه‌ی برخاست مجدّد از سطح ماه، پرچم واژگون بشه. توی مأموریت‌های بعدی، پرچم رو توی فاصله‌ی ایمن‌تری نصب کردند.


فعّالیت‌ها و آزمایش‌های زیادی طی این مأموریت انجام شد که از بحث ما راجع به مکانیک سماوی خارج هست؛ امّا در صورت تمایل می‌تونید تایم‌لاین کاملی از این مأموریت رو این‌جا مشاهده کنید:

https://history.nasa.gov/SP-4029/Apollo_11i_Timeline.htm

همون‌طور که توی قسمت قبل هم اشاره شد، LM خودش متشکل از دو قسمت بود:

  • بخش فرود (Descent Stage): شامل پایه‌هایی برای فرود به سطح ماه، موتور، سوخت و اکسیدکننده‌ی لازم برای deorbit شدن از مدار ماه و فرودی کنترل شده به سطح ماه و همین‌طور محفظه‌ای برای جاسازی تجهیزاتی که روی سطح ماه مورد استفاده قرار گرفتن. علاوه بر اون، این بخش به عنوان سکّوی پرتاب بخش بعدی برای برخاست مجدّد از سطح ماه و رسیدن به مدار هم استفاده می‌شد.
  • بخش صعود (Ascent Stage): شامل تجهیزات ارتباطی، کابین خدمه و تجهیزات کنترلی، موتور و سوخت جداگانه برای برخاست مجدّد از سطح ماه، رسیدن به مدار و ملاقات با CSM؛ و همین‌طور سیستم کنترل واکنش (Reaction Control System - RCS) جهت پایداری و کنترل ماژول برای پهلوگیری و اتّصال به CSM.

منبع تصاویر و جزئیات بیشتر:

https://history.nasa.gov/diagrams/apollo.html

با اتمام مأموریت و کامل کردن برنامه‌هایی که برای روی سطح ماه در نظر گرفته شده بود، آرمسترانگ و آلدرین برای آخرین‌بار به LM بر می‌گردن. برخلاف فرود که جز نمای دوربین‌های داخلی LM، تصویری ازش موجود نیست، صحنه‌ی صعود توسّط دوربین‌هایی که خود خدمه روی سطح ماه کار گذاشته بودن به تصویر کشیده می‌شه. بخش صعود، طی یه نیروی انفجاری از بخش فرود جدا و به بالا پرتاب شده و همزمان موتور هم برای فعّال می‌شه.

برخاست از سطح ماه و قرارگیری در مدار، بسیار ساده‌تر از زمین هست. علاوه بر گرانش کم‌تر که هم به پیشران کمتری جهت اوج‌گیری نیاز داشته و هم سرعت خطّی کمتری جهت قرارگیری در یک مدار پایدار نیاز داره، عدم وجود اتمسفر هم موجب نبود مقاومت هوا می‌شه. به همین خاطر، بخش صعود LM (یا به اختصار، LM APS)، بدون دشواری چندانی از سطح ماه بلند شده و بعد از اوج‌گیری لازم، به راحتی سرعت خطّی خودش رو هم افزایش می‌ده تا مسیر حرکتش برخاستش از یک خط صاف عمود به سطح ماه، به یه سهمی تبدیل شده و بعد با افزایش برد، سهمی رو تبدیل به یک دایره‌ی کامل کرده تا در مدار ماه قرار بگیره. علاوه بر فعّالیت موتور، RCS هم وظیفه‌ی حفظ ثبات LM APS، چرخش و تغییر جهت رو به عهده داشت. حدود 3 ساعت بعد از برخاست از سطح ماه، LM APS توی مدار ماه با CSM ملاقات کرده و پهلوگیری (docking) انجام می‌شه.

دقایقی پیش از پهلوگیری LM APM به CSM | مأموریت آپولو 11 | مدار ماه
دقایقی پیش از پهلوگیری LM APM به CSM | مأموریت آپولو 11 | مدار ماه


پهلوگیری آزمایشی | مأموریت آپولو 9 | مدار زمین ||| تا اون تاریخ مسیر طولانی‌ای طی شده بود و آزمایش‌های بسیاری انجام شد تا آپولو 11 تبدیل به مأموریتی موفّقیّت‌آمیز بشه. این مأموریت، هرگز دست‌آوردی نبود که یک شبه حاصل بشه.
پهلوگیری آزمایشی | مأموریت آپولو 9 | مدار زمین ||| تا اون تاریخ مسیر طولانی‌ای طی شده بود و آزمایش‌های بسیاری انجام شد تا آپولو 11 تبدیل به مأموریتی موفّقیّت‌آمیز بشه. این مأموریت، هرگز دست‌آوردی نبود که یک شبه حاصل بشه.


بالاخره بعد از چند روز، آرمسترانگ و آلدرین به CSM بر می‌گردن و با کالینز ملاقات می‌کنن. امّا تکلیف LM APS چی می‌شه؟ طبیعتاً دیگه نیازی به اون نیست. بعد از انتقال فضانوردها و تمامی نمونه‌های جمع‌آوری شده از سطح ماه به CSM، دو ماژول رو جدا می‌کنن و LM APS برای همیشه توی مدار ماه رها می‌شه. به احتمال خیلی زیاد، هنوز هم جایی همون‌جا قرار داره و شاید هم روزی به عنوان یک اثر تاریخی، توسّط آیندگان بازیابی بشه. امّا LM APS مأموریت‌های بعدی، سرنوشت جالب‌تری داشتن. LM APSهای مأموریت‌های آپولو 12، 14، 15، 16 و 17، بعد از انتقال فضانوردها و نمونه‌ها، با اندک باقی‌مانده‌ی سوختشون عامدانه و به صورت کنترل از راه دور، deorbit و با سرعت زیادی به سطح ماه کوبیده شدن. با این کار، امواج شوک ناشی از برخورد شهاب‌سنگ‌وارشون، توسّط لرزه‌نگارهای حسّاسی که خود فضانوردها پیشتر روی سطح ماه قرار داده بودن ضبط می‌شدن و برای مطالعات ژئولوژی مورد استفاده قرار می‌گرفتن.

به بحث اصلی برگردیم. با بازگشت فضانوردها، CSM آماده‌ی بازگشت از مدار ماه به زمین هست. امّا این‌بار دیگه نه مدار ثابتی از زمین، بلکه لازم هست CSM با زاویه‌ی بسته‌ای وارد اتمسفر زمین بشه تا مقاومت هوا، نقش ترمز رو ایفا کنه. با توجّه به این که ماه خودش توی مدار زمین هست، CSM با روشن کردن پیشران، مسیر خودش رو مطابق تصویر، طوری تغییر می‌ده که سقوط آزادی به سمت زمین داشته باشه.

سرعت CSM موقع بازگشت به جو بسیار زیاد هست و از طرفی مناسب برای پرواز توی اتمسفر هم نیست که بتونه مثل شاتل، بعد از بازگشت به اتمسفر، توی اتمسفر پرواز کنه و مثل هواپیما فرود بیاد. البته نیازی هم نیست! مهم فقط بازگشت فضانوردها هست. بنابراین خود CSM هم به صورت دو مرحله‌ای طرّاحی شده.

  • ماژول فرماندهی (Command Module - CM): همون کپسول مخروطی‌شکل هست و شامل کابین فضانوردها می‌شه. همین‌طور درگاه پهلوگیری (Docking Port) که در نوک اون قرار داره و برای اتّصال با LM مورد استفاده قرار گرفت. ضمناً سپر حرارتی‌ای هم تَه اون نصب شده.
  • ماژول سرویس (Service Module - SM): قسمت استوانه‌ای که CM روی اون سوار می‌شه و شامل سوخت، اکسیدکننده و موتور پیشران هست.

با نزدیک شدن به زمین و حدود 15 دقیقه پیش از ورود به اتمسفر، جداسازی بین CM و SM انجام می‌شه و بعد هردو وارد اتمسفر می‌شن. SM طبیعتاً بخاطر نداشتن سپر حرارتی، به سرعت توی اتمسفر سوخت و از بین رفت. امّا سپر حرارتی CM این اصطحکاک رو تحمّل می‌کنه و فضانوردها رو ایمن نگه می‌داره.

ماژول سرویس آپولو 13 بعد از جداسازی
ماژول سرویس آپولو 13 بعد از جداسازی

برنامه‌ریزی از قبل طوری بوده که CM از محلّی وارد جو بشه که با کاهش سرعت بتونه توی محدوده‌ی از قبل پیشبینی‌شده‌ای توی اقیانوس فرود بیاد. به هر حال با این که CM نه فرم آیرودینامیک داره و نه شباهتی به یه هواپیما داره همچنان به صورت محدودی می‌شه اون رو کنترل کرد. مطابق دو شکل زیر، زاویه‌ی CM نسبت به مسیر پرواز، توی نیروی بالابرنده‌ی ایجاد شده هم تأثیرگزار هست و می‌تونه پرواز CM رو طولانی‌تر و یا کوتاه‌تر کنه.

با کاهش سرعت به میزان کافی، نوبت چترنجات‌ها هست که باز بشن. ابتدا دو چتر ترمز باز می‌شن تا سرعت سقوط رو به تقریباً 200 کیلومتر در ساعت کاهش بدن. بعد از CM جدا می‌شن و سه چتر اصلی باز می‌شن تا سرعت رو به 35 کیلومتر در ساعت برسونن. سه چتر برای امنیت حداکثر بود؛ چرا که مثلاً توی مأموریت آپولو 15، یکی از چترهای اصلی به درستی باز نشد امّا همچنان CM تونست به سلامت فرود بیاد. محدوده‌ی فرود که از قبل هم برنامه‌ریزی شده بود، جایی وسط اقیانوس آرام بود. به کمک تعدادی بالشتک هوا، CM امکان شناور موندن روی آب رو داشت. نیروی دریایی ایالات متّحده از قبل توی اون محدوده حضور داشت و خدمه توسّط هلیکوپتری که از ناو USS Hornet اعزام شده بوده بازیابی می‌شن.

آپولو 16 در حال فرود
آپولو 16 در حال فرود


آپولو 11 پس از فرود
آپولو 11 پس از فرود

به این ترتیب یکی از بزرگ‌ترین رویاهای بشر به حقیقت پیوست و اوّلین انسان‌ها با موفّقیّت از ماه به زمین برگشتند...
اون زمان هنوز بشر مطمئن نبوده که ماه واقعاً عاری از حیات باشه و این نگرانی وجود داشته که فضانوردها ممکنه مبتلا به بیماری‌ای ناشی از نوعی حیات میکروبی توی ماه شده باشن و با ورود این حیات میکروبی به زمین، شرایط مناسبی برای تکثیر براش ایجاد بشه و کلّ زمین رو آلوده کنه. بنابراین هم فضانوردها و هم تمامی نمونه‌های آورده شده، برای مدّتی تحت قرنطینه بودن و آزمایشات مختلفی روشون انجام شد تا از عدم وجود حیاتی فرازمینی اطمینان حاصل بشه. بعد از اون، سه فضانورد به کشورهای مختلفی سر زدند؛ از جمله ایران!

بازدید از کوه نور
بازدید از کوه نور
ملاقات با خاندان سلطنتی ایران و دریافت مدال در کاخ نیاوران
ملاقات با خاندان سلطنتی ایران و دریافت مدال در کاخ نیاوران
ملاقات با خانواده‌ی سلطنتی (همسران سه فضانورد هم حضور داشتند)
ملاقات با خانواده‌ی سلطنتی (همسران سه فضانورد هم حضور داشتند)
هدیه‌ی آرمسترانگ به شاهزاده‌ی پهلوی (هنوز هم توی کاخ نیاوران و توی اتاق شاهزاده برای بازدید موجود هست!)
هدیه‌ی آرمسترانگ به شاهزاده‌ی پهلوی (هنوز هم توی کاخ نیاوران و توی اتاق شاهزاده برای بازدید موجود هست!)
سنگ‌هایی از ماه که به عنوان هدیه به ایران داده شد. | محلّ نگهداری فعلی: دانشگاه تهران
سنگ‌هایی از ماه که به عنوان هدیه به ایران داده شد. | محلّ نگهداری فعلی: دانشگاه تهران
ماژول CM آپولو 11 | موزه‌ی ملّی هوافضای آمریکا - واشنگتن دی‌سی
ماژول CM آپولو 11 | موزه‌ی ملّی هوافضای آمریکا - واشنگتن دی‌سی
از چپ: باز آلدرین، نیل آرمسترانگ، مایکل کالینز | سال 2009
از چپ: باز آلدرین، نیل آرمسترانگ، مایکل کالینز | سال 2009


بعد از مأموریت آپولو، شش مأموریت سرنشین‌دار دیگه (آپولو 12، 13، 14، 15، 16 و 17) هم صورت گرفت که همگی (جز آپولو 13 که دچار سانحه شد و به زمین برگشت) با موفّقیّت روی ماه فرود اومدن. LM DPSهای اون‌ها به همراه تمامی تجهیزات و وسایلی که روی ماه گذاشتن، همچنان دست‌نخورده اون‌جا قرار داره و شاید در آینده، درست مثل رمان معروف Artemis، زمانی به موزه تبدیل بشن! برخی از این تجهیزات، هنوز هم مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ برای مثال سامانه‌ی بازتاب‌دهنده‌ی لیزری که شامل آینه‌هایی روی سطح ماه هست و با اندازه‌گیری مدّت زمان رفت و برگشت پرتوی لیزری که از زمین تابیده می‌شه، امکان اندازه‌گیری فاصله‌ی ماه تا زمین با دقّت بسیار بسیار زیادی وجود داره.

سال 2010 و 2011، مدارگرد LRO که به منظور نقشه‌برداری از سطح ماه پرتاب و توی مدار ماه قرار داده شده بود، تصاویر جالبی از محل‌های فرود مأموریت‌های آپولو ضبط کرد.

Apollo 11 landing site
Apollo 11 landing site


در حال حاضر موشک ساترن 5 بازنشسته شده و سازمان‌های فضایی هم بیشتر ترجیح می‌دن به مأموریت‌های بدون سرنشین رو بیارن؛ چرا که:

  • بسیار راحت‌تر و کم‌هزینه‌تر هست.
  • بحث تأمین نیازهای اساسی انسان مطرح نیست و یه کاوشگر بدون سرنشین می‌تونه برای ماه‌ها یا سال‌ها فعّالیت کنه.
  • بحث بازگشت مجّدد هم مطرح نیست و کاوشگر پس از پایان مأموریتش روی سطح ماه رها می‌شه.
کاوشگر چینی چانگ-3 | دسامبر 2013
کاوشگر چینی چانگ-3 | دسامبر 2013

به هر حال همچنان برنامه‌های درازمدّتی از سمت روسیه، آمریکا، چین، هند و حتّی شرکت‌های خصوصی‌ای مثل SpaceX برای سفر سرنشین‌دار به ماه وجود داره؛ امّا این‌بار نه در قالب مأموریت‌های کوتاه، بلکه با هدف احداث پایگاه‌ها و معادن روی سطح ماه که امکان اسکان طولانی مدّت، استخراج مواد معدنی و همین‌‎طور پایگاهی برای مقاصدی دورتر رو فراهم کنه... ضمناً شرکت خصوصی SpaceX یه برنامه‌ی کوتاه‌مدّت هم در مورد ماه داره: راه‌اندازی سفرهای توریستی به مدار ماه! چندی پیش نام اوّلین مسافر که تاجری چینی هست هم به عنوان اوّلین دارنده‌ی بلیت این سفر اعلام شد و انتظار می‌ره توی سال‌های آتی، این تور گردشگری فضایی، رسماً شروع به کار کنه!

طرحی مفهومی-هنری از SpaceX و عملیاتی کردن موشک BFR - ایده اینه که ماهواره‌هایی حامل سوخت رو هم طی پرتاب‌هایی جداگانه توی مدار قرار بدن تا امکان سوخت‌گیری مداری فراهم بشه و نیازی باشه که مثل ساترن-5، کلّ سوخت رفت و برگشت به صورت یک‌جا حمل بشه
طرحی مفهومی-هنری از SpaceX و عملیاتی کردن موشک BFR - ایده اینه که ماهواره‌هایی حامل سوخت رو هم طی پرتاب‌هایی جداگانه توی مدار قرار بدن تا امکان سوخت‌گیری مداری فراهم بشه و نیازی باشه که مثل ساترن-5، کلّ سوخت رفت و برگشت به صورت یک‌جا حمل بشه


آخرین قسمت بود از سری «مکانیک فضایی به زبان ساده» که سعی شد مفاهیم پایه‌ی مکانیک سماوی به بیانی ساده و قابل فهم توضیح داده بشن و مأموریت آپولو 11 هم مثالی واقعی بود که بسیاری از مفاهیم گفته شده رو مرور کنه. بدیهی هست که در صورت علاقه، منابع تخصّصی زیادی هم چه راجع به مکانیک سماوی و چه راجع به مأموریت‌های آپولو وجود داره و می‌تونید به اون‌ها سر بزنید. ابتدا پیشنهاد می‌کنم با نجوم پایه و همین‌طور کلّیاتی از هوافضا آشنا بشید. برای شروع می‌تونم این سه کتاب رو پیشنهاد کنم:

  • آشنایی با نجوم و کیهان‌شناسی | نویسنده: ایان موریسون | مترجم: بهاره‌ی محمّدی‌نیا
  • خودآموز نجوم | نویسنده: داینا ال. موشه | مترجم: هدی منصوریان و سحر عرب‌زاده
  • دانستنی‌های علم پرواز | نویسنده: علیرضا علی‌حسینی

ضمناً جزئیات بیشتری راجع به برنامه‌ی پرواز آپولو 11 هم این‌جا وجود داره که به عنوان منبع مورد استفاده قرار گرفته:

https://www.hq.nasa.gov/alsj/a11/a11fltpln_final_reformat.pdf