چرا راکتها چند استیج دارند؟

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami رهام حسامی

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 2151

سپاس: 3824

جنسیت:

تماس:

چرا راکتها چند استیج دارند؟

پست توسط rohamjpl »

از آنجایی که مقدار سوخت لازم برای پرتاب موشک بسیار زیاد است، موشک های مدرن از سیستم مرحله بندی استفاده می کنند. هنگامی که یک مرحله تمام سوخت خود را خالی کرد، جدا می شود و به زمین باز می گردد تا مرحله دوم بتواند بدون نیاز به کشیدن وزن اضافی مخازن خالی سوخت ادامه دهد.
موشک چند مرحله ای یا راکت مرحله ای وسیله نقلیه پرتابی است که از دو یا چند مرحله موشک استفاده می کند که هر کدام دارای موتور و پیشران مخصوص به خود هستند. یک مرحله پشت سر هم یا سریال در بالای یک مرحله دیگر نصب می شود. یک مرحله موازی در کنار یک مرحله دیگر متصل می شود. نتیجه عملاً دو یا چند موشک است که روی هم چیده شده یا در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. راکت‌های دو مرحله‌ای بسیار رایج هستند، اما موشک‌هایی با پنج مرحله مجزا با موفقیت پرتاب شده‌اند.
با پرتاب کردن مراحل زمانی که پیشران آنها تمام می شود، جرم موشک باقی مانده کاهش می یابد.
نوع جدیدی از موتور موشک به نام "هواسپایک" را توسعه دادند. بر خلاف موتور موشک معمولی که مقدار ثابتی از رانش را ارائه می‌کند، یک ایراسپیک می‌تواند مانند موتور جت به عقب برگردد و در ارتفاعات پایین‌تر، جایی که اتمسفر غلیظ‌تر است، سوخت کمتری مصرف کند.
برای اینکه واقعاً به رویای تک مرحله‌ای در مدار دست یابیم، باید از موشک‌های شیمیایی فاصله بگیریم و به سمت موتوری برویم که بتواند رانش را با کارایی بیشتری ارائه کند.
ما می دانیم که جت ها کارآمدتر از موشک ها هستند، زیرا آنها فقط به حمل سوخت نیاز دارند. آنها اکسیژن را از جو می کشند تا سوخت را بسوزانند. بنابراین یک ایده جالب این است که موشکی بسازیم که در اتمسفر مانند موتور جت عمل کند و پس از بیرون آمدن در فضا مانند یک موشک عمل کند.
از این نقطه، آن را به یک مخزن اکسیژن مایع داخلی برای ارائه اکسید کننده تبدیل می کند و پرواز را به مدار کامل می کند. در تمام این مدت از همان موتور انعطاف پذیر SABER استفاده می شود. هنگامی که در مدار قرار می گرفت، محموله 15 تنی خود را رها می کرد و سپس به زمین بازمی گشت و مانند مدارگرد شاتل فضایی روی باند فرود می آمد. این یک ایده واقعا خلاقانه است.
چند دلیل برای این وجود دارد:
وزن موتورها بسیار کمتر از مخازنی است که به آنها سوخت می دهد. داشتن یک موتور اضافی در شروع پرتاب بهتر از مخازن سوخت غیر ضروری در پایان است.
«موتورهای کافی» برای بلند شدن سریع از زمین، وقتی در هوا هستید به «موتورهای بسیار زیاد» تبدیل می‌شود. چرا؟ شما جرم زیادی را از دست داده اید (با سوزاندن پیشرانه) اما همچنان همان نیروی رانش را تولید می کنید. بنابراین، شتاب فوق العاده ای خواهید داشت. شتاب فوق العاده دو اثر بد دارد:
حرکت بسیار سریع در قسمت پایین جو باعث کشش فوق العاده ای می شود. کشیدن بیهوده است (انرژی زیادی را از دست می دهید) و در بدترین حالت می تواند اوضاع را بسیار داغ کند.
شتاب فوق العاده به این معنی است که همه چیز (از جمله مخزن سوخت عظیم شما) باید بسیار قوی باشد تا تحت "وزن" خود فرو نرود (و "وزن" بسیار افزایش یافته هر مرحله / بار بالای آن!). ساختن چیزها به این شدت بسیار سنگین است.
موتورهایی که برای بلند شدن از زمین مناسب هستند با موتورهایی که برای سفر در خلاء فضا مناسب هستند کاملاً متفاوت هستند. بنابراین، داشتن دو نوع موتور متفاوت کارآمدتر است. (این می تواند به معنای اندازه، شکل و نوع پیشرانه موتور متفاوت باشد.)
سلب مسئولیت: امروزه این موضوع در مورد الکترونیک مدرن کمتر مطرح است، اما قبلاً مرتبط بود: نیازهای برق (برای رایانه ها، سیستم های کنترل، آنتن های رادیویی، و غیره) برای بخشی از یک موشک که فقط باید 9 را صرف کند، بسیار متفاوت است. دقایقی وارد مدار زمین و بخشی که ممکن است روزها، هفته‌ها یا حتی ماه‌ها را صرف قایقرانی در فضا بکند.
به طور خلاصه، اساساً ساخت دو وسیله نقلیه متفاوت کارآمدتر است: یک مرحله بالا که برای پرواز در فضا بهینه شده است زیرا بار محموله را به سرعت مورد نیاز برای ماندن در مدار سرعت می بخشد و یک مرحله پایین تر که برای پرتاب قسمت بالایی بهینه شده است. وارد یک مدار زیر مداری بالا شوید. با این فلسفه، صرفه جویی در وزن ناشی از دور انداختن مرحله پایین همیشه ارزش آن را دارد.پس چرا فقط از 1 مرحله استفاده نمی کنید؟
چون نمی دانیم چگونه این کار را انجام دهیم.
به دلیل نگرانی های ساختاری بدتر می شود. ما نمی دانیم چگونه یک فضاپیما بسازیم که جرم اولیه آن 99 درصد پیشران باشد. اکثر وسایل نقلیه پرتاب حدود 90٪ در هنگام پرتاب پیشران هستند. تعداد کمی در هنگام پرتاب تا 94 درصد پیشرانه دریافت می کنند.
برای یک وسیله نقلیه پرتاب معمولی که در ابتدا حدود 90٪ پیشرانه جرمی دارد، این منجر به حداکثر Δv حدود 2.3 برابر سرعت اگزوز می شود. با توجه به اینکه Δv به مدار پایین زمین حدود 11 کیلومتر بر ثانیه است (حدود 9.4 کیلومتر در ثانیه بدون توجه به تلفات نیروی پسا و گرانش، به اضافه 1.6 کیلومتر در ثانیه دیگر پس از محاسبه این اثرات)، یک موشک تک مرحله ای برای چرخش به مدار زمین باید دارای اگزوز باشد. سرعت حدود 4790 متر بر ثانیه. هیچ موتور موشک شیمیایی وجود ندارد که این سرعت اگزوز را داشته باشد.
ترفندهایی برای دور زدن این محدودیت وجود دارد. یکی این است که همان کاری را که هواپیماهای جت انجام می دهند انجام دهید: اکسید کننده را از جو بگیرید. این یک رویا برای چندین دهه بوده است. هیچ کس نمی داند چگونه آن را انجام دهد. دیگری استفاده از تقویت کننده های جانبی است که پس از اتمام دور انداخته می شوند. برخی شاتل فضایی را "یک و نیم" مرحله برای چرخش وسیله نقلیه به دور می نامند. این کاملاً درست نبود زیرا قطع اصلی موتور درست زیر سرعت مداری رخ می داد.
ترفند دیگر استفاده از وسیله نقلیه چند مرحله ای است. مرحله اول وسیله نقلیه را بیشتر به سمت Δv و ارتفاع مورد نظر می برد، مرحله دوم یا کار را تمام می کند یا حداقل کمی بیشتر انجام می دهد. یک مزیت جانبی استفاده از رویکرد چند مرحله ای این است که مراحل بالایی می توانند از موتورهایی استفاده کنند که برای عملیات خلاء بهینه شده اند. موتور خلاء مورد استفاده در سطح دریا به احتمال زیاد خود را از هم می پاشد. با توجه به دو موتور تقریباً یکسان به جز اینکه یکی در سطح دریا ایمن است در حالی که دیگری برای عملیات خلاء بهینه شده است، موتور بهینه شده با خلاء ناگزیر سرعت اگزوز بالاتری خواهد داشت.
یک مثال افراطی از یک وسیله نقلیه چند مرحله ای، پشته پرتاب Saturn V بود که اساساً یک وسیله نقلیه شش مرحله ای بود. دور انداختن قطعات وسیله نقلیه بعد از اینکه دیگر مورد نیاز نیستند راهی برای فرار نسبی از ظلم معادله موشک است.
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.
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.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.
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.
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.تصویر
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.تصویر
تصویر دراگون تصویر
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.
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.
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.
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.
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.
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.
د، 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!
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.
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.
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.تصویر
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.تصویر
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.
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.در حال حاضر Crew Dragon که برای مأموریت‌های ماه طراحی شده است،Orion برای ماموریت های طولانی در نظر گرفته شده است و این را با طول عمر پرواز آزاد سه هفته نشان می دهد. Dragon V2 دارای یک سوم استقامت است، اما هفته ظرفیت آن به آن امکان سفرهای ماه را می دهد. CST-100 استقامت کافی برای تاکسی بودن به LEO و بازگشت به آن را دارد و نه چیز دیگری درمورد Crew capacity drgon 4 و اوریون 6 نفر هستتصویر
تصویر

ارسال پست