الوصول إلى الفضاء مكلف للغاية وهو أحد الأسباب الرئيسية التي تمنعنا من استكشاف النظام الشمسي. مع وصول قاذفات قابلة لإعادة الاستخدام جزئيا ، قد تبدأ في التحرك. ومع ذلك ، نحن بعيدون عن حلم مركبة فضائية سهلة الاستخدام مثل سيارة أو طائرة. هذا من شأنه أن ينطوي على مركبة قابلة لإعادة الاستخدام بالكامل وقادرة بشكل خاص على الوصول إلى مدار الأرض دون إسقاط مراحلها.
لقد أثبتت الصواريخ متعددة المراحل فعاليتها منذ بداية عصر الفضاء
كل الصواريخ لها تصميم متعدد المراحل لأن الكتلة الميتة هي العدو اللدود للوصول إلى المدار. للحصول على فرصة ليكون المدار ، يجب أن تتكون الغالبية العظمى من كتلة قاذفة من الوقود. من خلال إسقاط الكتلة الميتة مثل التسلق ، نتأكد من الحفاظ على هذه النسبة وبالتالي أداء الصاروخ. هناك العديد من الطرق للقيام بذلك. يمكننا تكديس المراحل ، لكل منها محركاتها الخاصة ، واحدة فوق الأخرى أو حتى بجانب بعضها البعض.
من خلال بنية تستخدم التعزيزات ، نحصل على صواريخ ثنائية أو ثلاثية المراحل يمكنها إضافة إلى ذلك استخدام العديد من التعزيزات القابلة للإطلاق. إنه يعمل بشكل جيد حتى لو كانت بالضرورة إمكانات إعادة استخدام جميع العناصر محدودة. تم فرض هذا التصميم بسرعة في أول قاذفات عصر الفضاء. ومع ذلك ، حاول بعض المهندسين تخيل منصات الإطلاق أحادية المرحلة (SSTO) ، والتي يُنظر إليها على أنها مفتاح إعادة الاستخدام الكلي وبالتالي تقليل تكلفة الوصول إلى الفضاء.
تواجه مفاهيم الإطلاق أحادي المرحلة (SSTO) العديد من التحديات التقنية
إذا لم تطير أي من هذه الآلات اليوم ، فذلك لأن هذا النوع من العمارة يفرض قيودًا جذرية. كيف تحافظ على كتلة المشغل في الحد الأدنى دون رمي أي شيء أثناء الرحلة؟ كيف تصنع محركاً فعالاً في جميع مراحل الرحلة ، مع قوة إقلاع قوية ودافع محدد قوي بمجرد الخروج من الجو؟ وخاصة كيفية إدخال حمولة عندما تشكل كتلة السيارة بالفعل العديد من المشاكل؟ هذا هو اللغز الذي تحاول قاذفات SSTO (Single Stage To Orbit) حله ، المركبات الفضائية ذات الأداء المنخفض بالضرورة ولكن سيتشكل ذلك من خلال إعادة استخدام كلي. كان هناك العديد من مفاهيم الدراسة حول هذا الموضوع وبعض هذه المشاريع لا تزال قيد التطوير.
في وقت مبكر من 1960s ، تخيل فيليب بونو ، وهو مهندس في دوغلاس ، سلسلة من المفاهيم التي كانت أكثر وأكثر تقدما. تغش المفاهيم الأولى قليلاً عن طريق استخدام خزانات وقود قابلة للنزع ولكن بسرعة كبيرة تعود مع بنيات SSTO حقًا ، ويمكن إعادة استخدامها بشكل خاص. يسلط عمله المبكر الضوء على التقنيات الرئيسية لهذه الهندسة المعمارية. بالنسبة إلى Philip Bono ، يجب أن تكون أداة الإطلاق SSTO قادرة على الإقلاع والهبوط عموديًا (VTVL = الإقلاع العمودي والهبوط العمودي). يجب أن يأخذ المشغل شكل صاروخ وليس طائرة لأن الأجنحة لها وزن ميت مهم للغاية. يمكن فقط لزوج الهيدروجين والأكسجين أن يوفر القوة والاندفاع المحدد المطلوب لجميع مراحل الرحلة.
تم اختبار متظاهر Delta Clipper SSTO في التسعينيات
تركت أفكار Phil Bono انطباعًا كبيرًا في ماكدونيل دوغلاس التي بدأت في تطوير متظاهر Delta Clipper في أوائل التسعينيات. يقدم هذا العرض التوضيحي نظرة عامة جيدة على نطاق ضيق حول الشكل الذي سيبدو عليه هذا النوع من الهندسة المعمارية: الشكل المخروطي للصاروخ ، والمحركات الهيدرولوجية ، والدفع المعياري ، والمواد خفيفة الوزن ، والحاجة إلى الحماية الحرارية لإعادة الدخول في الغلاف الجوي.
قدمت دلتا كليبر 12 رحلة. لم تتجاوز أبدًا 3 كيلومترات ، لكن هذا المتظاهر كان قادرًا على إثبات الإمكانية العالية لإعادة استخدام هذا الهيكل مع أكثر من 24 ساعة فقط بين رحلتين. لم يؤد برنامج Delta Clipper أبدًا إلى نموذج مداري ، لكن بعض المهندسين الذين عملوا في المشروع هم الآن في Blue Origin.
قامت شركة لوكهيد مارتن بتطوير مفهوم الطائرة الفضائية قبل إلغاؤها
على الرغم من أن Philip Bono لم يصدق ذلك ، فإن فكرة وجود مركبة على شكل طائرة أغرت فرقًا أخرى. في نفس الوقت الذي كان فيه ماكدونيل دوغلاس يختبر دلتا كليبر ، بدأ لوكهيد مارتن العمل على X-33. لقد كان أحد المتظاهرين لاختبار جميع التقنيات اللازمة لتطوير سيارة SSTO.
حددت شركة لوكهيد مارتن ووكالة ناسا مجموعة من التقنيات التي يمكن أن تجعل هذا المشروع ممكنًا: شكل لتسهيل العودة إلى الغلاف الجوي ، والإقلاع العمودي والهبوط الأفقي ، وفوهات الطيران الفضائي المتكيفة مع جميع مراحل الرحلة ، واستخدام من الهيدروجين وزوج الأكسجين السائل. كان X-33 إلى حد كبير لاستخدام المواد المركبة لتقليل الوزن قبالة الوقود. بالنسبة لـ ناسا ، كانت هذه هي مفاتيح تصميم مركبة يمكنها الطيران مرة أخرى في غضون أيام قليلة وتتطلب صيانة أقل.
رأت وكالة الفضاء الأمريكية في هذا البرنامج فرصة لجعل الوصول إلى مدار الأرض أكثر أمانًا بعشر مرات وأرخص عشر مرات. لكن ذلك لم يسير على ما يرام. تم إلغاء المشروع في عام 2001 بسبب صعوبات تقنية. على وجه الخصوص ، تصنيع خزانات الوقود المصنوعة من المواد المركبة. إنه لأمر مخز عندما نعلم أن خزانات ألياف الكربون المبردة حققت منذ ذلك الحين تقدماً هائلاً.
نموذج SSTO لا يهم الكثير من الناس لأن هناك حلول أخرى مثبتة
اليوم ، لا يمكننا القول أن مركبات SSTO تولد قدرا كبيرا من الاهتمام. يبدو أن الانتعاش الجزئي كان يؤتي ثماره منذ أن أثبت SpaceX أن القفزة التكنولوجية ليست مهمة للغاية. لا يزال هناك فريق في المملكة المتحدة يريد أن يؤمن بتطوير الطائرة الفضائية Skylon.
لجعل هياكل SSTO مثيرة للاهتمام حقًا ، قد نضطر إلى دراسة حلول أخرى غير الدفع الكيميائي. باستخدام الطاقة النووية ، يمكننا الحصول على قوة عالية ودافع محدد كبير. وصلت المحركات النووية إلى مراحل متقدمة من التطوير في أوائل الستينيات. سيوفر الدفع النووي الحراري قوة دافعة من خلال تخفيف الهيدروجين خلال حرارة المفاعل. هذا من شأنه أن يؤدي إلى قوة دفع قوية ، لكنها تظل غير كافية لدفع المرحلة الأولى أو مركبة SSTO.
لن يتم إطلاق مركبة فضائية SSTO قبل وقت طويل
جون باكنيل ، وهو مهندس سابق في محرك سبيس إكس رابتور ، تخيل في عام 2015 وسيلة لتحسين قوة وكفاءة مثل هذا النظام. على غرار الطائرة الفضائية Skylon ، سيكون الأمر يتعلق بسحب الهواء إلى الغلاف الجوي لإضافة دورة احتراق إلى الدفع النووي الحراري. في مثل هذا المحرك ، يتم توسيع الهيدروجين أولاً عن طريق تسخينه بواسطة مفاعل نووي ، ثم يتم حقنه في غرفة احتراق حيث يحترق عند ملامسته للهواء الجوي. وهذا يؤدي إلى زيادة كبيرة في الاتجاه الدافع المحدد خلال المرحلة الأولى من الرحلة.
يعتقد John Bucknell أن مثل هذا النظام سوف ينتج صاروخًا قويًا من نوع SSTO قادرًا على إيصال حمولة كبيرة إلى المدار وما بعده. من الواضح أنه يجب إعادة استخدامها لتكون قابلة للحياة اقتصاديًا لأن التقنيات المطبقة معقدة للغاية. ربما لن يتم تطوير مثل هذا المحرك لفترة طويلة ، ولا مركبة مدارية من طراز SSTO. لا تزال القيود مهمة جدًا مقارنةً بالربح المتوقع.
من المتصور حتى الآن مسار آخر للسماح بإعادة الاستخدام الكلي للمركبات الفضائية. تحتفظ SpaceX Starship وداعمها بالهندسة المعمارية على مرحلتين ، لكننا نحاول استعادتها بشكل منفصل. لا حاجة لكسر التكنولوجية الأساسية. إذا تمكنت SpaceX Starship يومًا من الهبوط على سطح القمر أو على كوكب المريخ ، فسيتعين عليها الإقلاع مرة أخرى للهبوط على الأرض ، مثل مركبة SSTO حقيقية.
Images by A. Mann / Glenn Research Center [Public domain] / NASA/MSFC [Public domain]
مصادر
