طائرات الفضاء من الجيل التالي هي التطور المتطور لحلم مكوك الفضاء

ناسا سمكوك السرعة وعملت في مدار أرضي منخفض لمدة 30 عامًا قبل تقاعدها في عام 2011. ومع ذلك، فإن وكالة الفضاء الأمريكية بديل لهذه السيارة، أوريون، عاد إلى تصميم الكبسولة المخروطية المألوف في بعثات أبولو. وذلك لأن وكالة ناسا كانت تنوي استخدام هذه المركبة الأحدث لاستكشاف أهداف في الفضاء السحيق، مثل القمر.

لكن في السنوات الأخيرة، شهدنا عودة لتصميم الطائرات الفضائية. منذ عام 2010كانت قوة الفضاء الأمريكية (والقوات الجوية الأمريكية سابقًا). إطلاق طائرة فضائية روبوتية تسمى X-37B إلى مدار أرضي منخفض في مهمات سرية. الصين لديها خاصة بها طائرة فضائية عسكرية تسمى شنلونغ.

يمكن أن يشهد هذا العام رحلة تجريبية لشركة Sierra Space ملاحق الاحلام – أول طائرة فضائية تجارية قادرة على الطيران المداري. وإذا سارت الأمور على ما يرام، فمن الممكن استخدام المركبة لإعادة تزويد محطة الفضاء الدولية (ISS) بالبضائع، وفي نهاية المطاف، بالطاقم.

مقالات لها صلة: كان المكوك الفضائي فكرة جميلة، لكنها فظيعة

يمكن للطائرات الفضائية أن تطير أو تنزلق في الغلاف الجوي للأرض والهبوط على المدارج بدلاً من استخدام المظلات للهبوط في الماء أو الأرض المسطحة مثل الكبسولات. كما أنها أكثر قدرة على المناورة عندما تعود المركبة الفضائية إلى الغلاف الجوي، مما يزيد من مساحة سطح الأرض حيث يكون الهبوط ممكنًا من نقطة إعادة دخول محددة.

تسمح الطائرات الفضائية أيضًا بمسار طيران أكثر لطفًا ولكن أطول أثناء إعادة الدخول وهبوطًا أكثر ليونة، وهو أسهل على الطاقم والبضائع من الكبسولات، التي يمكن أن تهبط بضربة قوية. يسمح المدرج أيضًا لأطقم الدعم الأرضي والبنية التحتية بأن تكون جاهزة في موقع الهبوط.

التكلفة والتعقيد

لكن الطائرات الفضائية أكثر تعقيدًا وأثقل من الكبسولة المماثلة. يشكل شكل الجسم المجنح تحديًا خاصًا لتصميم أنظمة الحماية الحرارية (TPS) – المواد المقاومة للحرارة التي تحمي المركبة من درجات الحرارة الحارقة عند العودة. هذه التكاليف الإضافية تعني أنه من غير العملي تصميم طائرة فضائية لرحلة واحدة. يجب استخدامها مرارًا وتكرارًا لتكون قابلة للحياة.

كان هناك اهتمام بالطائرات الفضائية منذ الأيام الأولى لرحلات الفضاء البشرية. مشروع طائرة فضائية عسكرية يسمى دينا سور بدأت في الولايات المتحدة عام 1957، ثم ألغيت بعد بدء البناء مباشرة. وكانت المركبة متطورة في وقتها، حيث تم تصنيعها باستخدام سبيكة معدنية قادرة على تحمل درجات الحرارة العالية وتتميز بدرع حراري في المقدمة يمكن فصله بعد عودتها من الفضاء، حتى يتمكن الطيار من الرؤية بوضوح أثناء الهبوط.

كان المكوك الفضائي، الذي دخل الخدمة عام 1981، أول طائرة فضائية جاهزة للعمل. كان من المفترض أن يتم إطلاقه في كثير من الأحيان أكثر مما حدث بالفعل إمكانية إعادة الاستخدام بشكل أكبر ولكن اتضح أن هناك حاجة إلى تجديد واسع النطاق بين عمليات الإطلاق. ومع ذلك، فقد أظهرت القدرة على إعادة رواد الفضاء والبضائع الكبيرة من المدار.

واستثمرت وكالات الفضاء الأخرى في الثمانينيات والتسعينيات في أوروبا الطائرة الفضائية هيرميس، واليابان، مع مركبة الأمل. تم إلغاء كلا البرنامجين إلى حد كبير بسبب التكلفة. لقد طور الاتحاد السوفييتي نظامه الخاص مركبة تشبه المكوك تسمى بورانوالتي طارت بنجاح إلى الفضاء مرة واحدة عام 1988. وتم إلغاء البرنامج بعد انهيار الاتحاد السوفييتي.

الشعور بالحرارة

للطائرات الفضائية متطلبات محددة للجزء الأخير من رحلاتها، عند عودتها من الفضاء. أثناء إعادة الدخول في الغلاف الجوييتم تسخينها إلى أكثر من ألف درجة مئوية أثناء سفرها بسرعات تفوق سرعة الصوت تزيد عن سبعة كيلومترات في الثانية – أي أكثر من 20 ضعف سرعة الصوت. يعد تصميم الأنف الحاد (حيث تكون حافة المركبة الفضائية مستديرة) شكلاً مثاليًا لأنه يقلل من تراكم الحرارة في الجزء الأول من المركبة.

ومع ذلك، فإن درجات الحرارة المتوقعة التي ستواجهها المركبة قد تصل إلى 1600 درجة مئوية، مما يستلزم وجود نظام حماية حراري على الجزء الخارجي من المركبة. مكوك الفضاء TPS وشملت بلاط السيراميك المقاوم للحرارة بشكل خاص ومصفوفة الكربون والكربون المعززة التي كانت قادرة على تحمل درجات حرارة تصل إلى 2400 درجة مئوية.

ال فقدان مكوك كولومبيا أثناء العودة إلى الغلاف الجوي في عام 2003، مما تسبب في مقتل سبعة من رواد الفضاء، كان نتيجة لخرق في نظام TPS على الحافة الأمامية للجناح. نتج ذلك عن تطاير قطعة من الرغوة العازلة من الخزان الخارجي للمكوك أثناء إطلاق كولومبيا واصطدامها بالجناح.

كانت مشكلة الرغوة هذه متكررة مع المكوك بسبب الطريقة التي تم إطلاقه بها على جانب خزان الوقود الخارجي. لكن التصميمات الأحدث للطائرات الفضائية ستطير فوق الصواريخ التقليدية، حيث لا يمثل سقوط الرغوة مشكلة.

يظل TPS الفعال أمرًا حيويًا بالنسبة لـ النجاح المستقبلي للطائرات الفضائيةوكذلك الأنظمة التي تراقب أداء TPS في الوقت الفعلي.

المركبات الحالية

وتوجد حاليًا طائرتان فضائيتان عاملتان، إحداهما صينية والأخرى أمريكية، بإمكانهما الوصول إلى المدار. تتوفر معلومات قليلة عن شركة Shenlong الصينية، ولكن الطائرة العسكرية الأمريكية X-37B هو معروف بشكل أفضل. يبلغ وزن المركبة غير المأهولة حوالي خمسة أطنان مترية عند الإطلاق، ويتم إطلاقها باستخدام صاروخ تقليدي وتهبط بشكل مستقل على المدرج في نهاية مهمتها.

يستخدم TPS الخاص بـ X-37B بلاطًا مشابهًا للمكوك فوق السطح السفلي مع بديل أقل تكلفة للألواح المقواة. الكربون الكربون يسمى Tufroc، تم تطويره لـ X37B، على المقدمة والحواف الأمامية.

ومن المقرر أن ينضم إليهم قريبًا Dream Chaser، الذي طورته الشركة لنقل البضائع ورواد الفضاء، لكن ناسا تريد إثبات سلامتها قبل نقل الأشخاص من خلال استخدامها لنقل البضائع إلى المحطة الفضائية أولاً. تعد القدرة على إعادة البضائع الهشة نسبيًا إلى السطح بسبب الهبوط الأكثر ليونة قدرة أساسية. البلاط الذي يحمي Dream Chaser مصنوع من السيليكا لكل منها شكل فريد متطابقة مع المنطقة الموجودة على السيارة والتي تم تصميمها لحمايتها.

التطورات المستقبلية

هناك اهتمام مستمر بالطائرات الفضائية بسبب قدرتها على إعادة الطاقم والبضائع إلى المدرج. الطلب على هذه القدرة محدود الآن. ولكن إذا استمرت تكاليف الإطلاق إلى الفضاء في الانخفاض، وأدى توسع الصناعة في الفضاء إلى زيادة الطلب، فسوف تصبح بديلاً قابلاً للتطبيق بشكل متزايد للكبسولات.

على المدى الطويل، هناك أيضًا إمكانية لطائرات فضائية قادرة على الوصول إلى المدار بعد الإقلاع من المدرج. إن التحديات التي تواجه تطوير هذه المركبات ذات المرحلة الواحدة إلى المدار (SSTO) كبيرة. لكن، مفاهيم مثل مركبة Skylon تؤدي إلى تطورات تقنية يمكن أن تدعم في النهاية تطوير مركبة SSTO.

في المستقبل المنظور، تبدو الطائرات الفضائية واعدة للأسباب التالية: تقنيات التصميم الجديدة، والمواد المحسنة لنظام TPS، والنمذجة الحاسوبية المتقدمة وأدوات المحاكاة لتحسين جوانب مختلفة من التصميم ومعايير الطيران والتحسينات المستمرة في أنظمة الدفع.

ونظراً لأن العديد من الحكومات ووكالات الفضاء والشركات الخاصة في جميع أنحاء العالم تستثمر بكثافة في أبحاث وتطوير الطائرات الفضائية، فيمكننا أن نرى مستقبلاً حيث تصبح الرحلات الجوية بهذه المركبات روتينية.

أولوامايوكون أديتورو، محاضر أول، الهندسة الميكانيكية وهندسة الفضاء، جامعة برونيل لندن و جيمس كامبلالقارئ, جامعة برونيل لندن. أعيد نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقالة الأصلية.