فضاپیما

فضاپیما یا سفینه فضایی وسیله‌ نقلیه‌ای است که برای خروج از جو کره زمین طراحی شده‌است. فضاپیماها بر دو نوع سرنشیندار و بی‌سرنشین هستند. فضاپیماها برای منظورهای گوناگونی طراحی می‌شوند از جمله ماموریت‌های مخابراتی، دیدبانی ماهواره‌ای کره زمین، هواشناسی، ناوبری، اکتشاف سیارات، گردشگری فضایی و جنگ فضایی.

ساختمان فضاپیما عبارت است از یک اتاقک جعبه مانند سبک وزن که از ترکیب گرافیت (کربن طبیعی) با اندود پلاستیکی ساخته شده و بر روی یک هسته لانه زنبوری قرار گرفته.

این ساختمان, محکم اما سبک است و پایگاه مناسبی برای ابزارهای علمی محسوب می شود. مثلاً ساختمان فضاپیما 700 کیلوگرم سبک تر از یک ساختمان آلومینیومی مشابه است. یک قاب سبک با بیش از 20000 سلول خورشیدی سیلیکون 4600 واتی، هنگامی که نور خورشید وجود دارد توان مورد نیاز فضاپیما را تأمین می کند.

هنگامی که نور خورشید وجود دارد یک بخش از صف سلول های خورشیدی همیشه رو به خورشید حرکت می کند و یک باتری با 24 سلول نیکل-هیدروژن را شارژ می کند تا در موقعی که فضاپیما در فاز پشت به مدار است به فضاپیما و ابزارها نیروی لازم را بدهد.

سیستم ذخیره داده های فضاپیما می تواند بیش از 100 گیگابایت داده علمی را روی صفحه ذخیره کند. سپس در هر دور گردش در مدار, همه داده های جمع آوری شده توسط فضاپیما از راه یک سیستم ارتباطاتی با باند ایکس به یک یا دو ایستگاه زمینی در منطقه قطب ارسال می شود.

فضاپیما همچنین می تواند علاوه بر عبور داده های علمی آنها را مستقیماً برای ایستگاه های زمینی منتشر کند. ایستگاه های زمینی همچنین برای فضاپیما و کار و عملیات ابزارهای علمی آن, گنجایش بالایی با باند اس دارند.

همچنین زیرسیستم ارتباطاتی با باند اس می تواند از میان ماهواره های همراه تی دی راس TDROSS  ناسا نیز با فضاپیما ارتباط برقرار کند تا به طور دوره ای فضاپیما را تعقیب کند, مدار و گردش فضاپیما را مو به مو محاسبه کند و فرمان هایی صادر کند تا فضاپیما را با مدار تطبیق دهد و آن را در حدود تعریف شده نگه دارد.

دایماً وضع و محل قرارگیری فضاپیما بررسی می شود و وضع حرکت آن با تکیه گاه چرخ تخلیه که با حرکت مغناطیسی کنترل می شود, تنظیم می شود. واکنش با حوزه مغناطیسی زمین برای این کارها ابزار لازم را فراهم می کند.

خلاصه سیستم های انواع فضاپیماها

سیستم های مشترک در فضاپیماها عبارتند از:

-تأمین کننده نیرو

-ارتباطات

-نیروی رانش/ کنترل محل قرار گرفتن

-کنترل دما

-تعیین مسیر/ هدایت

-ابزار علمی

سیستم های فضاپیما

سیستم های تأمین نیرو

باتری ها: باتری هایی مثل آنچه که روی اسپوتنیک بود بعد از مدتی از کار می افتند. باتری های قابل شارژ، برای موقعی که فضاپیما از میان سایه یک سیاره عبور می کند یا هنگام عملیات موقعی که قاب های صفحات خورشیدی به سمت خورشید نیستند، به عنوان پشتیبان سلول های خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرد.

سلول های خورشیدی: مثل ماشین حساب است. این سلول ها برای بیشتر ماهواره ها و سفینه ها انتخاب می شوند. چون که فضا واقعاً پرنور است و آنها برای همیشه دوام می آورند. سلول های خورشیدی شبیه به بال های بزرگی روی ماهواره هستند و می توانند چند هزار وات نیرو بدهند. اینها برای سفینه های فضایی که به اعماق فضا می روند چندان مناسب نیستند. مثلاً برای استفاده در سفینه هایی که به مشتری می روند و خیلی از خورشید دور می شوند اصلاً خوب نیستند.

سلول های سوختی: این سلول ها هیدروژن و اکسیژن می سوزانند تا الکتریسیته تولید کنند. برای سفینه هایی مثل آپولو که انسان در آنهاست یا شاتل که باید اکسیژن ذخیره شده را به همه جا حمل کند مناسب است. اما برای سفینه هایی که حامل بشر نیستند مناسب نیستند. چون مثل باتری ها بعد از مدتی از کار می افتند.

ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ ((RTGS: برای سفینه هایی که در اعماق زیاد فضا می روند و بشر در آنها نیست به کار می روند (یعنی از خورشید دور می شوند). آنها برای فعالیت و کار و بهره برداری به خورشید احتیاج ندارند و سوخت هسته ای هم تا مدت های بسیار بسیار طولانی دوام می آورد.

تصویر روبه رو سفینه پیونیر مشتری است. ژنراتور ترموالکتریک رادیو ایزوتوپ در انتهای بازوان تیرک است و بشقاب بزرگ آنتن برای پخش علایم از مشتری ست. فاصله از زمین 500 میلیون کیلومتر است.

ارتباطات

اگر یک ماهواره یا سفینه نتواند با آن چیزی که کشف کرده ارتباط برقرار کند، ما فقط یک تکه سنگ به کار انداخته ایم.

-یک بشقاب بزرگ (آنتن با گیرندگی بالا) می تواند در مسیر علایم رادیویی قوی تری بدهد. مثل این که دستانتان را موقعی که داد می زنید به دور دهانتان حلقه کنید.

-یک آنتن هوایی کوتاه که در بعضی جاها متصل می شود (آنتن با گیرندگی کم) علائمی را در همه جهات می فرستند. علائم خیلی قوی نیستند، اما آنتن همیشه کار می کند حتی موقعی که نسبت به زمین درجای مناسب قرار ندارد.

رانش/ کنترل محل قرار گرفتن

-فضاپیما از سیستم موشکی استفاده می کند تا خودش حرکت کند. شما اغلب  می توانید دهانه هایی را برای فضاپیما تعبیه کنید. اگر چه بعضی وقت ها (مثل روی شاتل) آنها ممکن است فقط سوراخ هایی در بدنه باشند.

-نیروی رانش به موتورهای موشک ربط دارد. برای تغییر مدار یا مسیر پرتاب فضاپیما مورد استفاده قرار می گیرد. معمولاً می تواند به صورت دهانه های بزرگی تعبیه شود چنان که فضاپیمای کاملی را حرکت دهد.

-کنترل مکان : یک سیستم با نیروی رانشی که راهی را که فضاپیما باید در آن حرکت کند را کنترل می کند. معمولاً اینها دهانه ها یا نوزل های کوچک تری هستند یا انبوهی از دهانه ها هستند که در مسیرهای مختلف تعبیه شده اند. بعضی وقت ها 'چرخ های واکنشی' مورد استفاده قرار می گیرند. چرخ هایی که با یک موتور می گردند. موقعی که چرخ در یک مسیر می چرخد، فضاپیما چیزی ندارد تا آن را نگه دارد. بنابراین به طرف دیگری دور می زند.

کنترل دما

-خنک کردن مثبت: همان طور که دما روی طرفی از فضاپیما که به سمت خورشید است می تواند به 250 درجه فارنهایت و بالاتر برسد روش هایی هم  مورد استفاده قرار می گیرد تا به خنک کردن فضاپیما کمک کند.

1-غلتاندن آن: در این روش طرف داغ از سمت خورشید برگردانده می شود تا خنک شود.

2-رنگ کردن آن با یک رنگ بازتاب دهنده گرما -سفید یا طلایی- یا پوشاندن آن با یک پوشش یا سایه دار کردن آن.

3-تعبیه هواکش هایی برای کنترل مقدار گرما که گرما از داخل فضاپیما تابش شود.

- گرم کردن فعال: گرم کننده های الکتریکی یا بعضی وقت ها گرم کننده های با قدرت هسته ای مورد استفاده قرار می گیرد. مخصوصاً برای سفینه هایی که در عمق زیاد فضا می روند مثل وویجر و پیونیر.

 

این تصویر از مرینر 10 است که به زهره می رود. چتر آفتابی سفید کوچکی در بالای الکترونیک ها وجود دارد تا با سایه کردن, از آنها در مقابل خورشید محافظت کند. چون که تابش نور در زهره در مقایسه با زمین شش برابر شدید تر است

تعیین مسیر/هدایت

-فضاپیماها رد ستاره ها را می گیرند و از گیرنده های خورشیدی استفاده می کنند تا ببینند موقعیتشان کجاست.

- فضاپیما  نقطه ای برای رجوع دارد تا گم نشود. فضاپیما بیشتر فقط به یک چیز (راه های یک طرفه ای به سمت اولین نقطه مرجع) احتیاج دارد که دقیقاًً بفهمد باید به کدام طرف رو کند. برای همین است که هم یک رد ستاره و هم یک گیرنده خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرد.

ابزار علمی

نوع ابزارهای علمی روی صفحه فضاپیما به نوع مأموریت علمیش بستگی دارد.

-ابزارهای حسی مستقیم: برای اندازه گیری وضعیت آب و هوایی خود فضاپیما مورد استفاده قرار می گیرد- موج یاب های ذره ای (برای یون ها و الکترون هاست)، موج یاب های گرد و غبار، مگنومترها (برای اندازه گیری حوزه های مغناطیسی سیاره) هم نمونه های ابزارهای حسی مستقیم هستند.

-ابزارهای حسی دور: ابزارهای تصویر سازی عکس سیاره ها را می گیرند، ابزارهای ستاره شناسی رادیویی به امواج رادیویی که از سیارات و ستارگان می آیند توجه می کنند، فوتومترها و طیفومتر نور را تجزیه می کنند تا آرایش شیمیایی جو را تعیین کنند.

-ابزارهای حسی فعال: تصویر سازهای راداری سطح سیاراتی که ابرهای سنگینی دارند مثل عطارد را به شکل تصویر در می آورند. ارتفاع سنج های راداری ارتفاع زمین ها را اندازه گیری می کنند و به ما اجازه می دهند که نقشه عطارد و مریخ را رسم کنیم.

سیستم های فضاپیمایی که حامل بشر است

برای فضاپیمایی که بشر را حمل می کند مثل جمینیGemini (عکس سمت راست)، آپولو (عکس سمت چپ) و شاتل فضایی، سیستم های اضافی روی فضاپیما کار گذاشته می شوند تا ستاره شناسان را زنده و سالم به خانه شان برگردانند!

زنده نگه داشتن

به انجام چه کارهایی نیاز است تا فضانوردان زنده نگه داشته شوند؟ این وظیفه به خصوص برای طراحی ایستگاه فضایی مهم است.

-فضانوردان باید تنفس کنند: کنترل جو شامل تأمین اکسیژن و خارج کردن دی اکسید کربن هر دو به یک نسبت مهم است. همچنین فشار باید حفظ شود: اگر دریچه باز شود، بهتر است همه لباس مناسب بپوشند. یا نیاز است که آنجا جلوی هوا سد شود.

-کنترل دما و رطوبت: بشر در دماهایی که الکترون ها و ماشین ها فعالیت می کنند، زنده نمی ماند. اگر فضانوردان در فضاپیما باشند دما باید خیلی سفت و سخت تر کنترل شود. شاتل و ایستگاه فضایی, آب سرد کن و رادیاتورهایی برای کنترل دما دارند.

-غذا و آب: غذا معمولاً همراه برده می شود، تأمین آب به وسیله سلول های سوختی انجام می شود، آنها فرایند واکنش اکسیژن و هیدروژن و تولید آب را انجام می دهند. در یک مأموریت گسترده مثل اعزام به مریخ، نیاز است که آب درچرخه باشد و غذا در  طول راه درگلخانه رشد کند.

-مدیریت فضولات: یک شغل کثیف است ولی همه باید آن را انجام دهند. نابودی یا در چرخه قرار دادن فضولات خاک، مایعات و مواد زاید گازی ضروری ست.

-حفاظت در مقابل انرژی تابشی: بدون جو فضانوردان در معرض کیهان و انرژی های تابشی خورشید به ویژه فوران های خورشید قرار می گیرند. بعضی از محافظت ها نیاز است تا این تأثیرات را کاهش دهد.

ورود مجدد به جو زمین و بهبود فضاپیما

شامل دو بخش است:

-    حفاظت مقابل گرما:تا فضانوردان و ماشین را مقابل گرمای مفرط ناشی از ورود مجدد به جو زمین حفظ کند.

-    سیستم بهبودی:recoveryچتر نجات، مثل مدل موشک، یا در مورد شاتل استفاده از فشار هوا که اجازه فرود ملایم را می دهد.