مکانیک فضایی به زبان ساده: قسمت سوّم

قسمت اوّل و دوّم مفاهیم پایه‌ای از مکانیک سماوی توضیح داده شد. توی این قسمت مطالب قبلی رو با یه سناریو مرور می‌کنیم: مأموریت آپولو 11.

https://www.nasa.gov/mission_pages/apollo/apollo11.html
https://www.nasa.gov/mission_pages/apollo/apollo11.html

تو دهه‌ی 60 میلادی و اوج رقابت فضایی، بعد از موفّقیّت‌آمیز بودن پروژه‌ی جِمنای (Gemini)، پروژه‌ی آپولو (Apollo) با هدف سفر سرنشین‌دار به سطح ماه کلید خورد (در نظر داشته باشید که پیش از اون، هم آمریکا و هم شوروی، سفرهای بدون سرنشین متعدّدی به مدار و سطح کره‌ی ماه داشتن). بعد از آزمایش‌ها و تست‌های متعدّد و شکست‌ها و موفّقیت‌ها، آپولو 8 به موفّقیّت بزرگی دست پیدا کرد: سفر سرنشین‌دار (شامل سه فضانورد) به مدار ماه. تا پروژه ادامه پیدا کرد و رسید به آپولو 11 و فرود به سطح ماه. امّا خیلی درگیر جزئیات تاریخی نشیم. هدف شرح کلّیات فنّی مراحل مختلف این مأموریت هست.

تو قسمت دوّم توضیح دادیم که یه موشک، سوخت داخل خودش رو مشتعل می‌کنه (طبیعتاً برخلاف موتور جت که اکسیژن این اشتعال رو از دریچه‌های ورودی هوا دریافت می‌کنه، موشک نیاز داره که علاوه بر سوخت، اکسیدکننده هم با خودش حمل کنه؛ چرا که توی خلاء، اکسیژنی وجود نداره و بدون وجود اکسیدکننده، سوخت هرگز مشتعل نمی‌شه) و با سرعت زیاد از نازل‌های خروجی بیرون می‌ده و تکانه‌ی ایجاد شده، موشک رو هم در خلاف جهت به جلو پیش می‌بره. بدیهیه که هر موشکی که بخواد از سطح زمین بلند بشه، موتورش باید بتونه نیرویی ایجاد کنه که به نیروی وزن خود موشک غلبه کنه و اون رو بلند کنه. امّا یه مشکلی هست: سوخت هم طبیعتاً جرم داره! درواقع بیشتر جرم یه موشک رو سوختش تشکیل می‌ده. و مشکل اینه که برای چنین مأموریتی، سوخت مورد نیاز به حدّی هست که جرم موشک رو طوری بالا می‌بره که دیگه توان موتورهای موشک برای غلبه به نیروی وزن و بلند کردن موشک کافی نیست! برای تجسّم بهتر، فرض کنید شما مثلاً ساکن شیراز هستید و جز یه پمپ بنزین توی خود شیراز، هیچ پمپ بنزینی توی هیچ نقطه‌ای از جهان وجود نداره! باک بنزین ماشین شما فقط در حدّی ظرفیت داره که به شهرهای اطراف برید و برگردید. اگه بخواید دورتر برید مجبورید چندتا تانکر اضافه هم توی صندوق عقب یا روی سقف ماشین جا بدید. شاید از این راه بتونید خودتون رو تا اصفهان برسونید. امّا اگه مقصدتون مسکو باشه چی؟ از شیراز تا مسکو با ماشین شخصی، در حالی که فقط یه پمپ بنزین توی شیراز هست و دیگه هیچ‌جا. بنزین مورد نیاز برای چنین سفری اندازه‌ی یه تانکر بزرگ نفتی می‌شه. و مشکل اینه که این تانکر بزرگ پر از بنزین، اون‌قدر سنگین هست که اگه اون رو به ماشین وصل کنید یا روی سقف ماشین بذارید، ماشین اون‌قدر سنگین می‌شه که اصلاً دیگه حرکت نمی‌کنه!

پرتاب
پرتاب

راه حل اینه که موشک رو چند قسمتی بکنن. هر قسمت موتور و سوخت مجزّای خودش رو داره. با استفاده‌ی کاملِ سوخت هر قسمت، کلّ اون قسمت از موشک جدا می‌شه و قسمت بعدی شروع به کار می‌کنه. فضاپیمای آپولو 11 روی موشک غول‌پیکر ساترن پنج (Saturn V) سوار شد و توسّط این موشک چند مرحله‌ای به فضا رفت.

S-IC
S-IC

اوّلین مرحله از موشک ساترن 5 که غول‌پیکرترین قسمتش هم هست (با ارتفاع 42 متر و قطر 10 متر) رو توی تصویر بالا می‌تونید ببینید. پنج موتور F-1 همزمان با تمام توان کار می‌کنن تا کلّ موشک رو از زمین بلند کنن - امّا فقط برای 168 ثانیه!! 770هزار لیتر سوخت، توی همین مدّت کوتاه سوزونده می‌شه تا کلّ موشک رو بالا ببره و از اتمسفر خارج کنه. بعد از اون جدا می‌شه و بقایای اون توی اقیانوس سقوط می‌کنه.

جداسازی مرحله‌ی اوّل
جداسازی مرحله‌ی اوّل
جداسازی رابط اتّصال بین مرحله‌ی اوّل و دوّم و آغاز کار مرحله‌ی دوّم
جداسازی رابط اتّصال بین مرحله‌ی اوّل و دوّم و آغاز کار مرحله‌ی دوّم
S-II
S-II

تا این مرحله، موشک تقریباً از اتمسفر خارج شده و مقاومت هوا دیگه چندان روش تأثیری نداره. امّا هنوز راه زیادی (سرعت زیادی!) تا قرار گرفتن توی مدار زمین رو در پیش داره. مرحله‌ی دوّم (تصویر بالا) فعّال می‌شه. این بخش کوچک‌تر هست (25 متر ارتفاع) و از پنج موتور ضعیف‌تر J-2 بهره می‌بره. حتّی سوخت مورد استفاده‌اش هم به کلّی با مرحله‌ی قبل فرق داره. اصلاً شرکت سازنده‌اش هم با شرکت سازنده‌ی قسمت قبلی فرق داره و دو پیمان‌کار کاملاً مستقل هستن. چون این‌جا دیگه هم موشک سرعت زیادی گرفته به لطف مرحله‌ی قبل و هم با مقاومت هوا درگیری چندانی وجود نداره و سازوکار کاملاً متفاوت خواهد بود. این بخش هم برای 384ثانیه کار می‌کنه تا به موشک سرعت خطّی بده و اون رو آماده برای قرارگیری توی مدار زمین کنه (در حال حاضر مسیر پیش روی موشک، یه بیضی هست که اوجش رو محل فعلی موشک تشکیل می‌ده ولی حضیضش پایین‌تر از سطح زمین هست! یعنی اگه موشک رو توی همین حالت رها کنن، دوباره به اتمسفر بر می‌گرده و جایی اون سمت سیّاره به زمین برخورد می‌کنه). بعد از اتمام سوخت، این مرحله هم رها می‌شه و باقی‌مانده‌ی اون، سمت دیگه‌ی سیّاره به زمین برخورد می‌کنه. لحظاتی بعد از جداسازی، مرحله‌ی سوّم شروع به کار می‌کنه.

S-IVB
S-IVB

گریز از بحث اصلی: از عنوان عکس بالا یه ممکنه پرسش کوچکی براتون پیش بیاد. مگه IV توی رومی برابر 4 نیست؟ پس چرا اسم مرحله‌ی سوّم رو گذاشتن S-IV؟ دلیلش اینه که Saturn V خودش زیرمجموعه‌ای از خانواده‌ی موشک‌های Saturn هست. یکی از طرح‌های اوّلیه‌ی قبل از Saturn V، موشک Saturn C (همراه زیرمجموعه‌ی خودش) بود که بخش S-III براش طرّاحی شده بود. امّا بعد از اون S-IV و S-IVB طرّاحی و تولید شد و توی موشک‌هایی مثل Saturn IB به عنوان مرحله‌ی دوّم مورد استفاده قرار گرفت (مأموریت Apollo 7 به مقصد مدار پایینی زمین هم با همین موشک انجام گرفت). پس برای طرّاحی Saturn V هم تصمیم گرفتن طرح‌های S-III رو رها کنن و بجاش S-IVB رو به عنوان مرحله‌ی سوّم این موشک استفاده کنن.

ادامه‌ی بحث: مرحله‌ی سوّم کوچک‌تر بود (ارتفاع 17.8 متر) و فقط یک موتور J-2 داشت. این موتور، دوبار خاموش و روشن شد. بار اوّل درست بعد از جداسازی مرحله‌ی دوّم بود و با این هدف انجام شد که سرعت خطّی رو افزایش بده، ارتفاع حضیض افزایش بده و رسماً موشک رو توی مدار دایره‌ای شکلی دور زمین قرار بده. بعد از قرار گرفتن توی مدار پایینی زمین، موتور رو خاموش کردن و 1.5 دور چرخش دور زمین انجام شد. بعد از اون، موتور برای دوّمین بار توی جهت چرخش روشن شد تا سرعت خطّی رو افزایش بده و درست طبق چیزی که قبلاً توضیح داده شد، مدار به شکل بیضی در بیاد و ارتفاع نقطه‌ی اوج افزایش پیدا کنه و با مدار ماه تداخل پیدا کنه. امّا از قبل طوری محاسبه و برنامه‌ریزی شده بود که نقطه‌ی اوج، جایی با مدار ماه تلاقی پیدا کنه که خود ماه هم تا زمان رسیدن موشک، اون اطراف حضور داشته باشه (نه این که اون‌طرف مدار باشه) به طوری که موشک توی میدان گرانشی ماه قرار بگیره (البته با ورود به میدان گرانشی ماه هم پروسه‌هایی لازم هست دنبال بشه تا بجای برخورد با سطح ماه و یا گذر از کنار ماه، موشک توی مداری حول ماه قرار بگیره که بعداً بهش خواهیم پرداخت). این فرآیند به Trans-lunar Injection معروف هست و ترک زمین (Earth Departure) صورت می‌گیره.

برای ارسال فضاپیما/کاوشگر به سایر سیّارات هم از همین روش استفاده می‌شه؛ امّا Transfer Injection باید اون‌قدر قوی باشه که مدار موشک از دایره به سهمی تبدیل بشه و موشک کاملاً میدان گرانشی زمین رو ترک کنه و وارد فضای بین سیّاره‌ای بشه ضمناً برنامه‌ریزی هم طوری باشه که سهمی با مدار سیّاره‌ی مورد نظر تداخل پیدا کنه و مهم‌تر از اون، خود سیّاره هم زمان رسیدن موشک به اون نقطه، اطراف اون نقطه باشه و موشک رو تحت تأثیر میدان گرانشی خودش قرار بده.

با اتمام سوخت مرحله‌ی سوّم، این مرحله هم از موشک جدا می‌شه. امّا دیگه مثل دو مرحله‌ی قبل خبری از بازگشت به زمین، ورود مجدّد به اتمسفر و سوختن نیست! مدار این قسمت به همون شکلی هست که این قسمت براش استفاده شد: یه بیضی بزرگ که حضیضش با مدار پایینی زمین تداخل داره و اوجش هم بالاتر از مدار ماه. بخش سوّم موشک یا همون S-IVB، بعد از استفاده و جداسازی، به سمت ورای مدار ماه حرکت کرد و با کمک کشش گرانشی ماه، وارد فضای بین سیّاره‌ای شد. همین الآن هم جایی توی منظومه‌ی شمسی داره حول خورشید می‌‎چرخه.

گریز از بحث اصلی: S-IVB آپولو 13 به سطح ماه برخورد کرد و از بین رفت. البته هرگز اوّلین زباله‌ی بشر روی سطح ماه به حساب نمیاد. همون‌طور که گفته شد پیش از آپولو 11 - درواقع از یک دهه قبل از اون - هم آمریکا و هم شوروی کاوشگرهای بدون سرنشین مختلفی رو به ماه فرستاده بودن. برخی از اون‌ها به عنوان ماهواره/مدارگرد توی مدار ماه قرار گرفتن؛ برخی عامدانه و بدون کاهش سرعت به سطح ماه کوبیده شدن و تونستن قبل از نابود شدن، تصاویر و داده‌هایی از ماه مخابره کنن؛ برخی هم با کاهش سرعت، به نرمی و به صورت کنترل شده روی سطح ماه فرود اومدن و اوّلین تصاویر رو از سطح ماه مخابره کردن.

امّا اصل کار، محموله‌ای بود که توی تصویر بالا می‌بینید و مراحل S-IC و S-II و S-IVB همگی استفاده شدن فقط برای این که محموله‌ی بالا - که مهم‌ترین محتویاتش هم خودِ سرنشین‌ها هستن! - رو به سمت ماه پرت کنن. تازه فقط 25% مأموریت انجام شده و هنوز مراحل زیادی باقی مونده برای انجام یه فرود سرنشین‌دار به سطح ماه و بازگشت به زمین. توی قسمت چهارم از مکانیک فضایی به زبان ساده، خواهیم پرداخت به محتویات این محموله که داره با سرعت زیادی به سمت ماه حرکت می‌کنه و مراحل آتی مأموریت، شرح داده می‌شن.

ادامه در قسمت چهارم ◄

https://virgool.io/@pouyan_01001010/space-phy-p4-fwvuhvwzb1m7