فناوری فضایی و کاربردهای آن در ستاره شناسی و علوم دیگر

پرواز یکی از آرزوهای دیرینه بشر بوده است؛ اما فرار از گرانش زمین و راهیابی به فضا، کاری نبود که به آسانی صورت گیرد. مدت ها طول کشید تا فناوری لازم برای ساخت وسیله ای که بر گرانش زمین فائق آید، فراهم شد. در این مقاله قصد داریم به طور کلی به زمینه های گوناگون فناوری فضایی از جمله موشک ها، انواع سوخت آن ها، شاتل ها، ماهواره ها و فضاپیماها پرداخته و کاربردهای فناوری فضایی در ستاره شناسی و علوم دیگر را مورد بررسی قرار دهیم. با تکرا همراه باشید.

.

موشک ها و سوخت آن ها

برای پرتاب فضاپیماها و ماهواره ها، به موشک های پرتوان نیاز است. در موتورهای جت مانند موتور هواپیما، اکسیژن مورد نیاز برای سوزاندن سوخت از هوا تامین می شود. اما در سفرهای فضایی، وسیله پرتاب شده به بخش های بالایی جو زمین یا فضای میان سیاره ای وارد می شود. چون در آنجا وجود ندارد، باید سوخت و ماده ای که اکسیژن تولید کند، همگی در موشک تعبیه شوند. این دو ماده در اتاقک احتراق با هم می سوزند و از دهانه خروجی تخلیه می شوند. به این ترتیب موشک به جلو رانده می شود. نخستین موشک ها احتمالا حدود 770 سال پیش در چین ساخته شدند. این موشک ها در واقع لوله هایی پر از نوعی باروت ابتدایی بودند که به میله ای دراز بسته می شدند (تصویر پایین). بعدها هنر موشک سازی به خاورمیانه و اروچا رسید. در گذشته، ساده ترین نوع سوخت موتور موشک ها، سوخت جامد بود. حتی امروزه هم در موتورهای جلو برنده شاتل ها از سوخت جامد استفاده می شود.

نخستین موشک ها احتمالا حدود 770 سال پیش در چین ساخته شدند. این موشک ها در واقع لوله هایی پر از نوعی باروت ابتدایی بودند که به میله ای دراز بسته می شدند.

.

مشکل سوخت های جامد این است که گازهای حاصل از سوختن آن ها موجب آلودگی فضا می شود و نسبت به سوخت های مایع کارایی کمتری دارند.

نخستین بار، تسیولکوفسکی، دانشمند روسی ثابت کرد که موشک ها در فضای خلاء نیز کار می کنند. او به آشنایی با طرز کار موشک های چند مرحله ای علاقه مند بود. یعنی موشک های جداگانه ای که پشت سر هم قرار می گیرند و با به کار افتاد موشک بعدی، موشک قبلی جدا و رها می شود تا وزن کل سیستم کاهش یابد.

تسیولکوفسکی در کنار بدنه موشک هایی که طراحی کرده بود.

.

تسیولکوفسکی در سال 1903 میلادی ساخت دستگاهی را شرح داد که نیروی محرکه آن سوخت مایع بود. او اکسیژن و هیدروژن مایع را برای سوخت موشک ها پیشنهاد کرد. در مدل او، اکسیژن در مخزن هایی جداگانه قرار دارد که در یک اتاق احتراق وارد و با آن ترکیب می شود و نیروی آن موشک را پیش می برد. نتیجه سوختن اکسیژن و هیدروژن، بخار آب است که خارج می شود. موشک های سوخت مایع در آلمان و سپس آمریکا در سال 1930 میلادی توسعه یافتند. در جنگ جهانی دوم، از این موشک ها در موشک های جنگی V2 استفاده شد.

موشک های جنگی V2

.

جالب است بدانید که چندین سال بعد، پژوهشگران در بالاترین بخش موشک ساترن-5 هم که آپولو-11 را به همراه چند انسان به سطح ماه رساند، از سوخت مایع هیدروژن-اکسیژن استفاده کردند.

چون اکسیژن و هیدروژن فقط در دمای بسیار کم به صورت مایع قابل نگهداری هستند، در پروازهای طولانی مدت، از سوخت های دیگری استفاده می شود. در موتورهای مانور دهنده کوچک که در شاتل ها و موشک هایی کاربرد دارند که در فضای میان سیاره ای حرکت می کنند، از سوخت های مایعی استفاده می شود که برای ذخیره آن ها به دمای کم نیازی نیست. امروزه، در فضاپیماهایی که برای بررسی سیارات منظومه شمسی فرستاده می شوند، سوخت های اتمی به کار می رود. مزیت این سوخت ها این است که حجم بسیار کوچکی را اشغال می کنند و انرژی لازم را در زمان طولانی فراهم می کنند.

در چند دهه پیش، فناوری پروازهای فضایی پیچیده و خطرناک بود. اما امروزه، کشورهای زیادی توان لازم برای پرتاب ماهواره ها و اجرای طرح های فضایی را دارند. بیشتر پرتاب های فضایی را کشورهای آمریکا، روسیه و آژانس فضایی اروپا انجام می دهند. در آمریکا، موشک ساترن-5، یکی از پرقدرت ترین پرتاب فضایی بوده که انجام شده است. این پرتاب در سال 1969 میلادی انجام شد و نیروی رانشی آن معادل سه هزار تن بود. البته در شوروی سابق، موشک هایی با نیروی رانشی 5 تا 6 هزار تن ساخته شدند که البته موفق نبودند.

.

آشنایی با شاتل ها

در سال 1981 میلادی (حدودا 35 سال پیش) سازمان فضایی آمریکا (ناسا) وسیله فضایی جدیدی را به نام شاتل مورد آزمایش قرار داد.

شاتل ها وسیله سرنشین داری هستند که برای استفاده مکرر طراحی می شوند. هر شاتل شامل یک مدار گرد بالدار، یک مخزن سوخت جدا شونده و دو موشک با سوخت جامد است. همه این مجموعه، حدود 56 متر ارتفاع و 200 تن وزن دارد! دو موشک کمکی با سوخت جامد، از موشک های مرحله اول پرتاب به حساب می آیند. این دو موشک در دو طرف شاتل قرار دارند و با تمام شدن سوخت موشک های کمکی، از بدنه جدا می شوند و با چتر فرو می افتند. هر یک از این موشک ها را می توان مجددا تا 20 بار مورد استفاده قرار داد.

موتورهای اصلی با سوخت مایع نیز چند دقیقه پس از پرتاب کار می کنند و پس از اتمام سوخت مایع، مخزن آن ها جدا می شود و از بین می رود. سپس دو موتور مانور در مدار، شاتل را در مداری به دور زمین قرار می دهند. شاتل ها قادرند بارهایی به وزن 30 تن را در مدارهایی کم ارتفاع (کمتر از 480 کیلومتر) در مداری به دور زمین قرار دهند. بارهایی از قبیل ماهواره ها، فضاپیماها و تلسکوپ های فضایی در درون محفظه بار شاتل ها قرار می گیرند و به فضا فرستاده می شوند. پس از انجام ماموریت، بخش مدارگرد دوباره به زمین برمی گردد و به آرام در سطح باند فرود می آید. بخش مدارگرد طوری طراحی می شود که در برابر حرارت ناشی از اصطکاک با جو بسیار مقاوم است. در زیر تصاویری از شاتل ها و اجزای تشکیل دهنده آن ها را مشاهده می کنید.

 

بخش های مختلف یک شاتل

.

ماهواره ها

ماهواره ها، ابزارهایی هستند که برای منظورهای مختلف مانند هواشناسی، مخابرات، فعالیت های نظامی و زمین شناسی طراحی می شوند و در مدارهای مشخصی به دور زمین می چرخند.

ماهواره روسی اسپوتنیک-1 نخستین ماهواره ای بود که در سال 1957 به فضا فرستاده شد. این ماهواره حدود 80 کیلوگرم وزن داشت. نخستین ماهواره آمریکایی اکسپلورر-1، یک سال بعد به فضا پرتاب شد.

ماهواره روسی اسپوتنیک-1 (سمت راست) و ماهواره آمریکایی اکسپلورر-1 (سمت چپ)

.

ماهواره ها را به کمک موشکی چند مرحله ای در مدار قرار می دهند. یک موشک پرتاب ماهواره ممکن است شامل سه بخش و دماغه ای مخروطی باشد. دماغه مخروطی را روی ماهواره قرار می دهند تا در هنگام حرکت با کمترین مقاومت هوا روبه رو شود.

تا به امروز صدها ماهواره به فضا فرستاده شده است. بسیاری از آن ها هنوز به دور زمین می چرخند؛ اگرچه عمر مفید آن ها پایان یافته است. کشورهای دیگر مانند چین، ژاپن، هند و سازمان فضایی اروپا، ماهواره های ملی خود را به فضا می فرستند. بیشتر ماهواره های پرتاب شده در مدارهای کم ارتفاع، به دور زمین می چرخند. چون برای فرستادن جسمی به این مدارها، به کمترین انرژی پرتاب نیاز است. برای گردش به دور زمین، ماهواره باید دست کم سرعتی برابر 8 کیلومتر در ثانیه داشته باشد. در این صورت، ماهواره در هر 90 دقیقه یک بار کره زمین را دور می زند. ماهواره هایی که در مدارهای کم ارتفاع به دور زمین می چرخند، با بخش بالایی جو زمین اصطکاک دارند. از این رو انرژی حرکتی آن ها به تدریج کم و کمتر می شود و سرانجام به بخش های پایین تر جو وارد می شوند و بر اثر اصطکاک می سوزند. البته ممکن است بعضی از بخش های سخت و فلزی آن ها به سطح زمین برسد.

مطلوب ترین شکل حرکت ماهواره ها این است که در مداری با دوره گردش 24 ساعت، یعنی برابر با دوره گردش زمین بگردند؛ چون چنین مداری برای فعالیت های هواشناسی و مخابراتی بسیار مناسب است. ماهواره هایی که در چنین مداری می گردند، از مرکز زمین 40 هزار کیلومتر ارتفاع دارند. با روش هایی می توان ارتفاع پرواز ماهواره ها ا نسبت به زمین تغییر داد.

.

فضاپیماها

فضاپیماها یا سفینه های فضایی، ابزارهایی هستند که از کشش گرانشی زمین می گریزند و به فضای میان سیاره ای (یا فضای میان ستاره ای) وارد می شوند. برای فرار از گرانش زمین، فضاپیما باید بیش از 11 کیلومتر در ثانیه سرعت داشته باشد. این ابزارها را می توان در دو گونه سرنشین دار و بی سرنشین رده بندی کرد. در سال 1961 میلادی برای نخستین بار شوروی سابق کپسولی سرنشین دار را که حامل فضانورد معروف به نام یوری گاگارین بود، در مداری به دور زمین قرار داد. یک سال بعد، نخستین فضانورد آمریکایی در مداری به دور زمین قرار گرفت. البته این فضانوردها پس از انجام ماموریت ها، دوباره به زمین بازگردانده شدند. در سال 1968 میلادی برای نخستین بار آپولو-8 از گرانش زمین گریخت و سه فضانورد را در مداری به دور ماه رساند و پس از ده بار گردش به دور ماه، دوباره به زمین بازگشت. مجموعه فضاپیمای های بعد از آپولو-8 همگی سرنشین دار بودند که سرانجام آپولو-11 در سال 1969 میلادی/1348 شمسی برای نخستین بار انسان را به سطح ماه رساند. طرح این فضاپیماها تا آپولو-17 ادامه یافت.

پروازهای فضایی سرنشین دار بسیار پرهزینه اند؛ زیرا در این پروازها، وزن فضاپیما و تجهیزات آن برای این که قابل سکونت و کنترل باشد، سنگین تر و پرهزینه تر می شود و برای گریز از گرانش زمین، به نیروی رانشی بیشتری نیاز است. امروزه، فضاپیماهای بی سرنشین بسیار مورد توجه اند و اغلب اکتشافات فضایی را آن ها انجام می دهند. تا به حال ده ها فضاپیمای گوناگون بی سرنشین را عمدتا کشورهای شوروی سابق و آمریکا طراحی کرده اند و به فضا فرستاده اند. که در این جا، مجال بررسی همه آن ها نیست. این فضاپیماها کوچک ترند و تا سال ها و ماه ها می توانند در پرواز باشند و البته خطری هم از جانب آن ها برای انسان وجود ندارد؛ اما چون بدون سرنشین هستند، اگر احتمالا در آن ها مشکلی پیش بیاید، تنها از زمین قابل بررسی است و مشاهده نزدیکی وجود ندارد.

فضاپیماهای بی سرنشین برای بررسی خورشید، سیارات منظومه شمسی، سیارک ها، دنباله دارها و … طراح و به فضا فرستاده می شوند. این فضاپیماها از زمین، با رایانه های پیشرفته قابل کنترل هستند. برای فضاپیماهایی که به فضای میان سیاره ای وارد می شوند، همان قوانین حرکتی سیارات حاکم است. فقط زمانی که فضاپیما از نزدیکی سیاره ای گذر می کند، مدار حرکتش تغییر می یابد. بیشتر فضاپیماها در مسیری حرکت می کنند که از نزدیکی سیاره یا سیارات مشخصی گذر می کنند. این، فرصتی است تا بتوانیم نمای نزدیک و اطلاعات ارزشمندی درباره سیاره به دست آوریم. مدت این مشاهده نزدیک، در حد چند روز یا کمتر است. هنگامی که فضاپیما به نزدیکی سیاره ای می رسد، می توان با استفاده از گرانش سیاره، آن را در مدار جدیدی قرار داد. البته این فرایند با فرمان هایی از زمین قابل کنترل است.

نخستین بار در سال 1974 میلادی فضاپیمای مارینر-10 با استفاده از گرانش سیاره زهره در مدار جدیدی رهسپار سیاره عطارد شد.

فضاپیمای وُیجِر-2 با استفاده از تاثیر گرانش مجموعه چند سیاره به ترتیب از نزدیکی سیارات مشتری (1979 میلادی)، زحل (1981)، اورانوس (1986) و نپتون (1989) گذر کرد و تصاویر و اطلاعات جالب توجهی درباره آن ها به زمین ارسال کرد. در تصویر زیر مسیر حرکت فضاپیماهای ویجر-1 را از زمین تا زحل و ویجر-2 را از زمین تا نپتون مشاهده می کنید.

مسیر حرکت فضاپیماهای ویجر-1 از زمین تا زحل و ویجر-2 از زمین تا نپتون

.

اگر قرار باشد فضاپیمایی به دور سیاره ای بگردد، در نزدیکی سیاره مورد نظر موتورهای فضاپیما روشن و از سرعت آن کاسته می شود. در این صورت، فضاپیما در مداری بیضی شکل به دور سیاره می گردد. در سال 1971 میلادی فضاپیمای مارینر-9 نخستین فضاپیمایی بود که در مداری به دور سیاره مریخ قرار گرفت. گونه دیگری از فضاپیماها طوری طراحی می شوند که به درون جو سیارات وارد شوند و یا بر سطح آن ها فرود آیند. در سال 1970 میلادی برای نخستین بار، فضاپیما شوروی سابق وارد جو ضخیم سیاره زهره شد. پس از آن، فضاپیمای دیگر در سال 1975 میلادی بر سطح زهره نشست. در سال 1971 میلادی فضاپیمای شوروی و در سال 1976 میلادی فضاپیمای وایکینگ آمریکا بر سطح مریخ فرود آمدند. در سال 1997 میلادی/1376 شمسی فضاپیمای رهیاب (Pathfinder) بر سطح مریخ فرود آمد و از ویژگی های سطحی مریخ، اطلاعات ارزشمند و گسترده تری در مقایسه با فضاپیمای وایکینگ به زمین ارسال کرد. در مقایسه بین سیارات گازی منظومه شمسی، مشتری دقیق تر از بقیه کاوش شده است.

در سال 1995 میلادی/1374 شمسی فضاپیمای گالیله پس از سفری شش ساله به مشتری رسید. از این فضاپیما، آزمایشگری جدا شد و به درون جو مشتری رفت و اطلاعات ارزشمندی از شرایط، ترکیب شیمیایی و جو آن ارسال کرد. خود فضاپیما نیز تا چندین سال به دور مشتری چرخید و تصویرهای جالب توجهی از مشتری و قمرهایش ارسال کرد.

فضاپیمای گالیله و سیاره مشتری – در سال 1995 میلادی/1374 شمسی فضاپیمای گالیله پس از سفری شش ساله به مشتری رسید.

.

اهمیت پژوهش های فضایی در علوم دیگر

پژوهش های فضایی به دلایل سیاسی، اقتصادی و صنعتی برای ملت ها ارزشمندند. امروزه کارکرد شبکه های ارتباطات جهانی بدون وجود ماهواره ها غیر ممکن است. حتی بسیاری از بخش های زندگی روزمره با پژوهش های فضایی مرتبط است. اما اهمیت پژوهش های فضایی در مرحله نخست، در ارزش علمی آن ها نهفته است. در آغاز، پژوهش های فضایی به خاطر کاوش دقیق تر عالم شروع شدند و توسعه یافتند. اخترشناسان از متخصصان علوم فضایی درخواست کردند که موشک ها، ماهواره ها و فضاپیماهایی بسازند تا سیارات منظومه شمسی را از نزدیک بررسی کنند. از سوی دیگر، پژوهش در برخی از زمینه های نجوم و فیزیک بدون بهره گیری از ماهواره ها و فضاپیماها غیر ممکن بود. برای مثال، اخترشناسی در طول موج های کوتاه مانند پرتو-ایکس و برسی زمین شناسی سیارات و …

پس از آغاز عصر فضا، تکنولوژی فضایی بسیاری از دیگر زمینه های علوم را نیز تحت تاثیر قرار داد. با حرکت ماهواره ها در مدار، شکل دقیق کره زمین به دست آمد و وضعیت گرانش (جاذبه) سیاره ما دقیق تر بررسی شد. هواشناسی و فیزیک جو نیز یکی از علومی بود که فناوری فضایی تاثیر به سزایی در تحول آن داشت. با عکس برداری های فضایی از زمین، مشخص شد که ساختار ابرها و جبهه های هوا در کل کره زمین به هم مرتبط است. با دانستن اطلاعات ماهواره ای بود که امکان پیش بینی وضعیت هوا با دقت زیاد امکان پذیر شد. عکس های ماهواره ای کمک کردند تا تغییرات پوشش گیاهان و تخریب جنگل ها دقیق تر بررسی شوند. در زمین شناسی با بررسی های ماهواره ای، معادن جدیدی کشف شدند. فناوری فضایی موجب پیدایش شاخه های علمی جدیدی در زمینه زیست شناسی و پزشکی شده است. دانشمندان با به کارگیری ایستگاه های فضایی مانند “میر”، شرایط زیست جانوران و انسان ها را در شرایط بی وزنی بررسی می کنند.

اینها فقط نکاتی کلی درباره برخی از تحولات علمی در این زمینه بود. بی تردید، گستره تاثیر فناوری فضایی بسیار بیشتر است و حتی برخی از این پژوهش ها بسیار رویایی به نظر می رسند. همان طور که زمانی پا گذاشتن انسان بر کره ماه چنین می نمود.

.

با عضویت در کانال رسمی تکرا در تلگرام از آخرین اخبار روز تکنولوژی مطلع باشید.

.

منبع: کتاب شناخت مبانی نجوم


عصر تکنولوژی، تکرا



ارسال نظر