مکانیک فضایی به زبان ساده: قسمت چهارم

بعد از شرح مفاهیم پایه‌ای از مکانیک سماوی (1 و 2)، رفتیم سراغ شرح مأموریت آپولو 11 که خود به خود تمام مفاهیم یاد شده رو مرور می‌کرد. این نوشته، ادامه‌ی قسمت قبلی هست.

https://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_616.html
https://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_616.html

توضیح داده شد که یکی از قدرتمندترین موشک‌های تاریخ یعنی موشک سه مرحله‌ای Saturn V چطور استفاده شد تا محموله‌ای رو به سمت ماه پرتاب کنه. محموله‌ای که توی تصویر زیر مشاهده می‌کنید و خودش شامل چند بخش مختلف می‌شه که به هر کدوم از اون‌ها خواهیم پرداخت.

اوّل از همه به راکت کوچکی که بالای این محموله و در حقیقت نوک موشک نصب شده توجّه کنید. این راکت که از سوخت جامد بهره می‌بره، برای مواقع اضطراری تعبیه شده. این برجک که به سیستم فرار از پرتاب (Launch Escape System) معروف هست، مستقیماً به قسمتی که سرنشین‌ها داخلش قرار دارن متّصل شده و در صورت بروز حادثه توی مراحل اوّلیه‌ی پرتاب موشک، این سیستم رو فعّال می‌کنن تا ضمن جدا کردن قسمت سرنشین‌ها از موشک، اون رو به کمک شتاب شدیدی که این راکت کوچک برای چند لحظه تولید می‌کنه از بقیه‌ی موشک دور کنه. درست شبیه صندلی ایجکتی که توی هواپیماهای نظامی تعبیه می‌شه؛ با این تفاوت که بجای پرتاب کردن سرنشین‌ها به بیرون از کابین، کلّ کابین جدا و پرتاب می‌‎شه تا بعد به کمک چتر نجات فرود بیاد.
طبیعتاً زمانی که موشک توی مدار زمین قرار بگیره، این سیستم دیگه هیچ کاربردی نخواهد داشت و حتّی درصورت بروز حادثه هم نمی‌تونه کمکی به نجات فضانوردها بکنه. بنابراین دقایقی بعد از پرتاب از موشک جدا می‌شه.

Launch Escape System
Launch Escape System
تست برجک نجات برای کپسول Mercury
تست برجک نجات برای کپسول Mercury

امّا چیزی که برجک نجاتِ یادشده بهش متّصل شده بود و وظیفه‌ی نجات اون در صورت بروزحادثه رو داشت، مهم‌ترین قسمت موشک هست؛ یعنی ماژول فرماندهی (Command Module یا به اختصار، CM) و با اسم مستعار "Columbia". کپسولی حامل سه فضانورد و پنل کنترل. در قسمت بالایی این کپسول مخروطی‌شکل، docking portـی تعبیه شده که امکان پهلوگیری و اتّصال کپسول توی فضا رو فراهم می‌سازه. همین‌طور مجهّز هست به تجهیزات دیگه‌ای مثل چتر نجات، سپر حرارتی و... که جلوتر به اون‌ها خواهیم پرداخت.

ماژول فرماندهی خودش به بخش دیگه‌ای موسوم به ماژول سرویس (Service Module یا به اختصار، SM) متّصل می‌شه؛ شامل یک موتور اصلی، سوخت و اکسیدکننده، تجهیزات ارتباطی و سیستم‌هایی برای چرخش و حرکات جزئی توی فضا که برای فرآیند Docking حیاتی هست.

ماژول‌های سرویس و فرماندهی آپولو 15 - مدار ماه
ماژول‌های سرویس و فرماندهی آپولو 15 - مدار ماه

درست زیر این قسمت، ماژول مجزّایی قرار گرفته، موسم به ماژول فرود (Landing Module یا به اختصار، LM) و با اسم مستعار "Eagle". در ابتدا قرار بود فضاپیمای آپولو به گونه‌ای طرّاحی بشه که کلّ فضاپیما شامل هر سه فضانورد روی سطح ماه فرود بیاد و بعد از اتمام مأموریت، مجدّداً از سطح ماه بلند بشه و به زمین برگرده. امّا مشکلی وجود داشت: سوخت مورد نیاز برای چنین کاری اون‌قدر زیاد بود اساساً موشک دیگه نمی‌تونست بعد از فرود روی سطح ماه، مجدّداً بلند بشه! پس بجای این کار، تصمیم دیگه‌ای گرفته شد. ماژول‌های فرماندهی و سرویس (CSM) به همون شکلی که بالاتر توضیح داده شد طرّاحی شد که وظیفه داره توی مدار ماه قرار بگیره. در عوض یک ماژول مجزّای دیگه یعنی همون ماژول فرود، روی سطح ماه فرود میاد و بعد از اتمام مأموریت، مجدّداً از سطح ماه بلند می‌شه، خودش رو به مدار می‌رسونه تا به CSM پهلوگیری کنه. بالای این قسمت هم docking portـی تعبیه شده که امکان پهلوگیری CSM رو فراهم کنه. در ادامه بیشتر راجع بهش توضیح داده می‌شه.

ماژول فرود آپولو 11 - مدار ماه
ماژول فرود آپولو 11 - مدار ماه

برگردیم به سناریوی اصلی. محموله‌ای شامل CSM و محفظه‌ی باری شامل LM رو داریم قسمت سوّم موشک ساترن 5 یعنی S-IVB هم به انتهای اون متّصل هست و همگی توی مسیری به سمت ماه قرار گرفتن. این‌جا فرآیند مهمّی کلید می‌خوره. درست مثل تصویر زیر، ابتدا دیواره‌های محفظه‌ی بار جدا می‌شن. بعد از اون، CSM چرخشی صد و هشتاد درجه‌ای می‌کنه و آروم آروم به LM که توی محفظه‌ی بار قرار گرفته نزدیک می‌شه تا به اون پهلوگیری کنه. بعد از پهلوگیری، LM رو از قسمت بار جدا می‌کنه.

شبیه‌سازی گرافیکی اتّصال CSM و LM از نمای خارجی
شبیه‌سازی گرافیکی اتّصال CSM و LM از نمای خارجی
جداسازی مرحله‌ی سوّم از CSM/LM
جداسازی مرحله‌ی سوّم از CSM/LM
اتّصال آزمایشی CSM و LM - آپولو 9 - مدار زمین | فضانورد David R. Scott رو در حال راهپیمایی فضایی می‌تونید ببینید.
اتّصال آزمایشی CSM و LM - آپولو 9 - مدار زمین | فضانورد David R. Scott رو در حال راهپیمایی فضایی می‌تونید ببینید.

مجموعه همچنان با سرعت زیادی (که به لطف سه بخش موشک Saturn V ایجاد شده) به سمت ماه در حال حرکت هست. امّا با این سرعت و توی این مسیر، سرانجامی جز برخوردی شهاب‌سنگ‌وار به سطح ماه نخواهد داشت! بنابراین با نزدیک شدن به ماه، موتور نصب شده روی SM فعّال شد تا سرعت رو کاهش بده و مسیر رو تصیح کنه تا CSM به همراه LM که بهش متّصل شده، توی مدار ماه قرار بگیرن - درست طبق چیزی که توی قسمت دوّم از سری مکانیک فضایی توضیح داده شد.

طلوع زمین از دید آپولو 11 | مدار ماه
طلوع زمین از دید آپولو 11 | مدار ماه

امّا بریم داخل فضاپیما. سه سرنشین آپولو 11 توی CM حضور داشتن: نیل آرمسترانگ (فرمانده)، باز آلدرین (خلبان LM) و مایکل کالینز (خلبان CM) بودن. هرسه، تخصّص‌های خودشون رو داشتن و پیش‌تر هم سفرهای فضایی رو تجربه کرده بودن و اوّلین‌باری نبود که عازم فضا می‌شدن. مأموریت به این صورت برنامه‌ریزی شده بود که مایکل کالینز تمام مدّت توی CM بمونه و هدایت اون رو به عهده داشته باشه؛ در حالی که باز آلدرین و نیل آرمسترانگ وارد LM می‌شن تا به سطح ماه فرود بیان.

Neil Armstrong (چپ), Michael Collins (وسط), Buzz Aldrin (راست)
Neil Armstrong (چپ), Michael Collins (وسط), Buzz Aldrin (راست)

برای فرود به سطح ماه، منطقه‌ای موسوم به «دریاواره‌ی آسایش - Mare Tranquillitatis» به عنوان گزینه‌ی شماره‌ی یک انتخاب شده بود. چهار سال قبل، کاوشگر Ranger 8 داخل همین منطقه سقوط عامدانه کرده بود و پیش از برخورد، هزاران عکس به زمین مخابره کرده بود. همین‌طور دو سال بعد از Ranger 8 هم کاوشگر سطح‌نشین Surveyor 5 توی این منطقه فرود اومده بود. تحلیل داده‌های هر دو کاوشگر و نقشه‌برداری‌هایی که از سطح ماه انجام شده بود، گویای این بود که این منطقه سطح نسبتاً صاف و مناسبی برای فرود داره و همین‌طور از نظر ژئولوژی هم مکان مناسب و غنی‌ای برای تحقیق و اکتشاف هست.

Mare Tranquillitatis
Mare Tranquillitatis
تصویری پانوراما از کاوشگر Surveyor 5
تصویری پانوراما از کاوشگر Surveyor 5

بعد از انتقال آرمسترانگ و آلدرین از CM به LM و رسیدن به موقعیت مناسب، دو ماژول از هم جدا شدن و LM موتورش رو درست خلاف مسیر چرخش توی مدار روشن کرد تا با کاهش سرعت خطّی، نقطه‌ی حضیض مداری رو به ماه نزدیک و نزدیک‌تر بکنه؛ تا جایی که مسیر حرکت LM از دایره‌ای به دور ماه، به سهمی‌ای تبدیل بشه که به سطح ماه می‌رسه (توی قسمت دوّم این سری راجع بهش بحث شد). به این ترتیب، کالینز تنها توی CM و توی مدار ماه باقی می‌مونه و آرمسترانگ و آلدرین، داخل LM وارد مرحله‌ی فرود به سطح ماه می‌شن.

نمایی از LM پس از جداسازی و در حال چرخش، از دید CM
نمایی از LM پس از جداسازی و در حال چرخش، از دید CM
نمایی از CM بعد از جدسازی، از دید LM
نمایی از CM بعد از جدسازی، از دید LM

ماژول فرود خودش از دو قسمت تشکیل شده. همون‌طوری که توی تصویر می‌بینید، قسمت پایینی شامل موتوری هست که دو بار مورد استفاده قرار گرفت: یک بار برای کاهش سرعت خطّی توی مدار و قرار گرفتن توی مسیر فرود و یک بار هم برای کاهش سرعت قبل از فرود تا فرود به نرمی و آرامی روی سطح ماه انجام بشه. چهار پایه‌ی ظریف قابل جمع شدن، LM رو روی سطح ماه نگه می‌دارن. محفظه‌ی باری هم توی همین قسمت تعبیه شده که شامل خودروی ماهنورد و تجهیزات علمی می‌شه. امّا قسمت دیگه‌ی LM، کابین سرنشین‌ها رو تشکیل می‌ده. این قسمت دارای موتور و سوختی مجزّا هست که از قسمت پایینی جدا می‌شه و برای برخاستن از سطح ماه مورد استفاده قرار می‌گیره.

با قرار گرفتن LM توی مسیر کاهش ارتفاع، یکی از حسّاس‌ترین و مخاطره‌آمیزترین مراحل این مأموریت آغاز می‌شه: فرود. با فعّال‌سازی موتور انتهایی LM، سرعت رو به گونه‌ای کاهش می‌دن که پیش از اتمام سوخت، LM به سطح ماه برسه و به آرامی روی سطح فرود بیاد. استفاده‌ی بیش از حد از موتور باعث اتمام زودتر از موعد سوخت می‌شه و استفاده‌ی کم‌تر از حد از موتور هم نمی‌تونه سرعت رو به حدّی کاهش بده که فرود امنی اتّفاق بیفته. هر خطایی می‌تونه منجر به برخورد سخت LM به سطح ماه بشه که توی محتمل‌ترین حالت موجب مرگ آنی آرمسترانگ و آلدرین می‌شه و توی بهترین حالت هم اون‌قدر به LM آسیب می‌زنه که امکان برخاست مجدّد از سطح ماه ازش سلب می‌شه و در هر دو صورت، کالینز ناچار به ترک اجساد هم‌قطارانش (هم‌فضاپیمایانش!) روی سطح ماه و بازگشت تنها به زمین خواهد شد. امّا به لطف مهندسی بی‌نظیری که حاصل دست‌رنج هزاران متخصص و پیمان‌کار بود، این اتّفاق رخ نمی‌ده و پایه‌های LM به نرمی سطح ماه رو لمس می‌کنن. اوّلین فرود سرنشین‌دار بشر روی ماه!

Aldrin: ...Contact light. OK, engine stop.
Armstrong: Houston, Tranquility Base here. The Eagle has landed.
https://www.nasa.gov/mission_pages/apollo/apollo11_audio.html

امّا هنوز هم مأموریت به اتمام نرسیده؛ بلکه 50% اون انجام شده. اوّلین دو انسان به سطح ماه رسیدن و یکی از بزرگ‌ترین ماجراجویی‌های تاریخ بشر رو رقم خواهند زد. ادامه‌ی مأموریت توی قسمت بعدی شرح داده خواهد شد.

https://virgool.io/@pouyan_01001010/%D9%85%DA%A9%D8%A7%D9%86%DB%8C%DA%A9-%D9%81%D8%B6%D8%A7%DB%8C%DB%8C-%D8%A8%D9%87-%D8%B2%D8%A8%D8%A7%D9%86-%D8%B3%D8%A7%D8%AF%D9%87-%D9%82%D8%B3%D9%85%D8%AA-%D9%BE%D9%86%D8%AC%D9%85-i2hjcsm0ev4q