تقرير خاص

إلى القمر وما بعده^(*)

سيعود البشر إلى القمر؛ لكن خطتهم، هذه المرة، هي المكوث هناك بعض الوقت.

<Ch.دينگل> ـ<A.W.جونز> ـ <K.J.وايت>

القمر، الذي نراه قرصا نيرا في السماء، يظهر فجأة فوق الهلال العريض لأفق الأرض. وقد شاهد رواد الفضاء الأربعة في مركبة الاستكشاف التابعة للسفينة أوريون Orion  الطلوع الجميل للقمر عدة مرات، لأن سفينتهم الفضائية كانت تسبح في مدار يرتفع فوق كرتنا الأرضية بنحو 300  كيلومتر. لكن صواريخ هذه الأيام، ذات التعزيز boost الموقوت جيدا، تسمح للطيار بأن يكون مستعدًا لتسريع سفينته بدقة باتجاه الهدف البعيد الذي تقصده. وتصل مكالمة عن طريق السماعتين المثبتتين على الأذنين تقول: «ستحترق حقنة وقود للتوجه نحو القمر بعد عشر ثوان… خمسة، أربعة، ثلاثة، اثنان، واحد، انتباه… إشعال…» يندفع لهيب حار أبيض من فوهة (منفث) nozle الصاروخ الموجودة في مؤخرته، وتهتز السفينة جميعها ـ التي تحمل أيضا مجموعة من وحدات وظيفية ـ عندما يبدأ الملاحون رحلتهم إلى أقرب جار فضائي لنا، وهو لا يزال مكانًا غامضًا هادئًا لم يقم البشر بزيارته منذ نحو نصف قرن. وفي عام 2020، سيعود الأمريكيون إلى القمر، لكن هدفهم هذه المرة ليس مجرد الذهاب والإياب، بل إنشاء قاعدة أمامية للجيل الجديد من مستكشفي الفضاء.

إن السفينة أوريون جزء رئيسي من برنامج كونستليشن Constellationprogram، وهو ثمرة جهود طموحة، تكلفتها عدة بلايين من الدولارات، بذلتها الوكالة ناسا لبناء نظام للنقل الفضائي، لا يقوم بإيصال البشر إلى القمر ثم إعادتهم إلى الأرض فحسب، بل إنه، أيضا، يعيد تزويد المحطة الفضائية الدولية (ISS)، وفي نهاية المطاف ينقل الناس إلى كوكب المريخ. ومنذ تأسيس هذا البرنامج في منتصف عام 2006، ظل المهندسون والباحثون في الوكالة ناسا، ولدى الشركة لوكهيد مارتن، وهي المقاول الرئيسي في مشروع أوريون، منكبين على تطوير أجهزة إطلاق الصواريخ ووحدات الملاحين والخدمات والمراحل العليا من السفينة الفضائية وأنظمة الهبوط اللازمة للولايات المتحدة لإقامة مشروع قوي وغير مكلف للسفر في الفضاء، وذلك بعد أن يحال المكوك الفضائي إلى التقاعد عام 2010. 

وبغية تقليل أخطار هذا التطوير وتكلفته، أسس مخططو الوكالة ناسا برنامج كونستليشن على كثير من المبادئ التقنية التي جُرِّبت وثبتت صحتها، وعلى الدراية التقنية know-how التي ترسخت لديهم خلال برنامج أپولو، وهو إنجاز هندسي فذ أوصل الناس بسلام إلى القمر في أواخر الستينات وأوائل السبعينات من القرن العشرين. وفي الوقت نفسه، يعكف مهندسو الوكالة ناسا على إعادة تصميم كثير من الأنظمة والمركبات باستعمالهم تقانات مستحدثة.

 تبدأ السفينة أوريون وظيفتها بالطريقة العامة نفسها تقريبا، التي كانت تسلكها السفينة الفضائية أپولو، ولكبسولةِ ملاحيها شكل مشابه لكبسولة أپولو، لكن هذا التشابه وارد في السطح فقط. فمثلا، ستؤوي أوريون عددا من الملاحين أكبر مما كانت تؤويه أپولو. سيركب في القمرة المكيفة الضغط أربعة أشخاص، وسيكون حجمها قرابة 20 مترا مكعبا في البعثات القمرية (وفي الرحلات المتجهة إلى المحطة الفضائية، التي ستبدأ عام 2015 تقريبا، سيكون عدد الأشخاص ستة)؛ أما السفينة أپولو، فكانت تحمل ثلاثة رواد فضاء (مع تجهيزاتهم) محصورين في قمرة ضيقة حجمها قرابة 10  أمتار مكعبة.

هذا وإن أحدث التصاميم الإنشائية والإلكترونيات وتقانات الحوسبة والاتصالات ستساعد مصممي المشروع على جعل المرونة التشغيلية للسفينة الفضائية الجديدة أعلى مما هي في أپولو. فمثلا، ستكون أوريون قادرة على الالتحام بسفينة أخرى تلقائيا، وأن تبقى في مدار قمري طوال ستة أشهر من دون أن يكون على متنها أحد. ويقوم المهندسون أيضا بزيادة احتياطيات الأمان. وعلى سبيل المثال، إذا حدث طارئ خلال عملية الإطلاق، فثمة صاروخ متين للنجاة يحمي الملاحين بسرعة من الخطر، وهذه ميزة غير متاحة لرواد فضاء المكوك الفضائي. ولكن إشعارك بإحساس أفضل بما يتضمنه البرنامج، يقتضي أن نبدأ من الأرض قبل أن يغادرها ملاحو أوريون. ومن هناك، سنتعقب تقدم بعثة قمرية نموذجية، والتقانات المخطط لها لإنجاز كل مرحلة.

أعلى فأعلى ثم الابتعاد^(***)

إن المركبة إريس Ares V ذات المرحلتين الخاصة بنقل الحمولة والتي يزيد ارتفاعها على 110  أمتار فوق المستنقعات المالحة في مركز كنيدي الفضائي بفلوريدا⁽³⁾، مستعدة للانطلاق. ولهذه المركبة التي ليس فيها ملاحون، والتي تحوي خمسة من المحركات الصاروخية القوية، ارتفاع ومحيط يداني نظيريهما في صاروخ أپولو الضخم ساتورن ⁽⁴⁾ v  . وصهريج المعزِّز المركزي للمركبة إريسV، الذي صمم أسوة بتصميم الصهريج الخارجي للمكوك الفضائي، يزود المحركات RS-68 في المركبة بوقود الدفع المكوّن من مزيج الأكسجين والهدروجين السائل ـ وكل من هذه المحركات نسخة معدلة من المحركات المستعملة حاليا في مطلق الصواريخ Delta IV الحربية والتجارية. وثمة معززان صاروخيان يمكن طرحهما، هما تعديل لمعززات المكوك الفضائي يحيطان بالأسطوانة المركزية للمركبة إريس V، وهما يوافران الدفع الإضافي الذي سيحتاج إليه جهاز الإطلاق لرفع عربة الهبوط القمرية الشبيهة بحشرة البق، و«لمرحلة مغادرة الأرض» ـ وهو وحدة دفع تحوي وقودا من مزيج الأكسجين والهدروجين السائلJ-2X (المتحدر من محرك صاروخ ساتورن VJ-2، الذي يعود إلى عصر السفينة أپولو، الذي بنته الشركة Pratt & Whitney Rocket dyne) الذي سيمكن أوريون من الإفلات من الجاذبية الأرضية والسفر إلى القمر.

خلايا شمسية تجمع الطاقة الشمسية خلال اندفاع مركبة الاستكشاف أوريون، التابعة للوكالة ناسا، في مدار حول القمر، وعلى متنها ملاحون. وهذا الشكل رسمه فنان من مخيلته.

وعلى نحو مفاجئ، يخرج وميض من ذيل المركبة إريس V، وسرعان ما تغلف سحب الدخان المتلاطمة المعزِّز والرافعة ومنصة الإطلاق. وبعد توقف قصير، يُسمع هدير صاخب عبر المركز الفضائي يؤدي إلى هرب الطيور في جميع الاتجاهات. بعد ذلك، يرتفع الصاروخ الضخم، لكن ببطء في البدء، على عمود متعاظم الاتساع من الدخان الخارج من العادم بلونين رمادي وأبيض. ومع تسارع الارتفاع تسارعا متواصلا، تنفث المركبة ذيلا من الدخان عبر السماء، ثم تختفي في عنان السماء. وبعد دقائق، وفي غمرة الهدوء الذي يعم الفضاء القريب من الأرض، تتخلص إريس  Vمن معززاتها المربوطة بها التي تسقط في البحر حيث يمكن انتشالها منه. وبعد ذلك، تنبذُ غلافَ حمولتها الواقي الذي يغطي مقدمتها، وبذا تنكشف مركبة الهبوط القمرية. وبالدوران حول الأرض على ارتفاع 300 كيلومتر تقريبا، تصبح السفينة الإنسالية⁽⁵⁾  في حالة انتظار الآن لتنفيذ الخطوة التالية من خطة رحلتها إلى القمر، أي اللقاء مع أوريون. 

وفي اليوم  نفسه، يجلس رواد الفضاء الأربعة المهيئين للسفر إلى القمر على مقاعدهم على ارتفاع 98 مترا من منصة إطلاق أخرى في مركز كينيدي، بانتظار انطلاقهم الوشيك. وتحت كبسولة ملاحي أوريون مباشرة، توجد وحدة خدمات على شكل طبل تحوي محرك دفع السفينة الفضائية إلى مدارها، وكثيرا من لوازم الإعاشة. وثمة سطوح وقائية انسيابية تغلف الكبسولة والمحرك للحماية من القوى الأيرودينامية الشديدة ومن الظروف القاسية التي يواجهها الملاحون أثناء ارتفاعهم. هذا وتقع كبسولة الملاحين ووحدة الخدمات في أعلى مركبة إطلاق الملاحين إريس  I ذات المرحلتين التابعة للوكالة ناسا. وهذه المركبة، التي هي أنحف من شقيقتها الكبرى والتي يسميها البعض «العصا» stick، تتضمن معززا مكوكيا معدَّلا صلبا (أنتجته الشركة Alliant Techsystems) تعلوه مرحلة ثانية يمدها بالطاقة محرك وحيد هو J-2X. وثمة مُهايئ adaptor للسفينة الفضائية يقوم مقام السطح البيني الإنشائي والكهربائي بين السفينة أوريون وإريس I. 

ويعلو هذا الركام الكثيف برج للنجاة معد للانطلاق بالملاحين كالصاروخ لإبعادهم عن أي خطر في حال حدوث عُطل مفاجئ. وكما بيّن حادث المكوك شالنجر عام 1986، فلا يتاح لملاحي المكوك الفضائي سوى فرصة ضئيلة للنجاة إذا حلّت بسفينتهم مشكلة تقنية كبيرة خلال الإطلاق، أو في وقت مبكر من عملية الارتفاع. وبالعكس، فإن نظام إيقاف الإطلاق (LAS) في أوريون قادر خلال بضع ثوان على إحداث دفعة قوية، تعادل تقريبا 15 ضعفا من كتلته وكتلة قمرة الملاحين المفصولة. وقد أُعد برج النجاة في الصاروخ كي يبعد الملاحين بسرعة عن أي أذى قد يتعرضون له عند إيقاف  إطلاق البعثة عندما يكونون على منصة الإطلاق، أو خلال ارتفاع الصاروخ. وإذا طرأ خلل خطير على الأرض، فسيبلغ النظام المفصول ارتفاعا يساوي 1200  متر تقريبا، وذلك كي يمكن بعد ذلك نشر المظلات ثم الهبوط بها إلى الأرض، أو ينطلق هذا النظام أفقيا مسافة تساوي1000  متر تقريبا للابتعاد عن منصة الإطلاق. ووفق تقديرات مخططي البعثة، فإن النظام LAS، إضافة إلى نظام أوريون المتقدم للتحكم والتوجيه، قادران على إعادة الملاحين سالمين بنسبة 999 في الألف.

لكن جميع هذه الأفكار تتراجع بسرعة عندما يحين الابتهاج بالإطلاق الوشيك الوقوع. ومع اقتراب العدّ العكسي من الصفر، فإن القائد والطيار ينظران عمدا إلى تجهيزات الطيران على الشاشات المسطحة «لقمرة الطيار الزجاجية» التابعة للسفينة أوريون، المأخوذة عن صيغة مسهبة لنظام السلامة المتعلقة بإلكترونيات الطيران، الذي تستعمله الطائرات المتطورة، كالطائرةBoeing 787 Dreamliner التي عُرضت حديثا. إن قمرة الطيار، المزودة بأجهزة تحكم حاسوبية وكهربائية كليا، وبتجهيزات كهربائية لحفظ الطاقة، وببضعة مفاتيح ميكانيكية، قد لا تكون معروفة، إلى حد ما، لرائدي فضاء عصر أپولو.

وينتشر صوت كالرعد في السفينة جميعها، يعقبه قعقعة مدوية. لقد بدأت العصا بالحركة نحو السماء. ومع زيادة سرعتها مع كل ثانية تمر عليها، فإنها ترتفع بسرعة، ضاغطة خلال ذلك روّاد الفضاء على مقاعدهم.

وبعد مضي دقيقتين ونصف تقريبا على الطيران، تصبح سرعة إريس Iنتيجة دفع معزِّزها الصاروخي القوي، نحو الأعلى 6 ماخ. وعند بلوغها ارتفاعا قدره نحو   61000 متر، تنفصل المرحلة الأولى وتسقط على الأرض بوساطة المظلات، لذا يمكن إعادة استعمالها فيما بعد. وفي غضون ذلك، يدور محرك صاروخ المرحلة الثانية J-2X، مرسلا قمرة ملاحي أوريون ووحدة الخدمات والنظام LAS إلى أعلى طبقات الجو. وبعد خروج السفينة من الجو، تصبح هذه التجهيزات غير ضرورية، والأغطية الأيرودينامية تُستبعد لتصل سرعة الصعود إلى حدها الأعلى نتيجة نقصان الوزن. وبحلول ذلك الوقت، تكون السفينة بلغت سرعة تكفي لتقليل خطر الإيقاف الطارئ. لذا ينفصل أيضا نظام إيقاف الإطلاق (LAS) والسطح الانسيابي الواقي. ويتوقف عن العمل محرك المرحلة الثانية عندما تقترب كبسولة الملاحين ووحدة الخدمات من بلوغ ارتفاع قدره نحو 100 كيلومتر.   

[سفينة فضاء الوكالة ناسا الجديدة المأهولة] مجموعة متميزة من المُركِّبات(****)      سيكون نظام كونستليشن للنقل الفضائي قادرا على تنفيذ عدة مهمات ـ إعادة تزويد المحطة الفضائية والبعثات القمرية، وغيرهما ـ وذلك باستعمال بعض العناصر المشتركة، التي أُجري عليها حد أدنى من التعديلات. وبغية تقليل احتمالات الأخطار والاقتصاد في النفقات، فقد صُنع كثير من المُركبات استنادا إلى التقانات الموجودة.

لقاء في مدار الأرض^(*****)

بعدئذ يدور محرك وحدة الخدمات، متمما مهمة إدخال السفينة أوريون في المدار، ومستهلا المناورات التي يحتاج إليها للّقاء بمرحلة الانطلاق من الأرض وعربة الهبوط على القمر. هذا وإن محرك أوريون الرئيسي هو تعديل لمحرك المناورات المدارية للمكوك الفضائي الذي أثبت كفاءته في الطيران، لكن جرى تحسين نوعيته ليوافر دفعا أقوى وفاعلية أكبر. وتحتوي وحدة الخدمات على نظامين لتوليد الطاقة والتخزين، وعلى مُشِعّات لإخراج الحرارة الزائدة إلى الفضاء، وعلى جميع ما يلزم من السوائل والأجهزة العلمية. ولتكبير الفسحة إلى حدها الأعلى في مركبة الملاحين، فإن وحدة الخدمات تحمل أيضا بعضا من أجهزة إلكترونيات الطيران، وكذلك جزءا من نظامي التحكم البيئي والإعاشة. وثمة قطعة شبيهة بقرص العسل⁽⁶⁾ خفيفة الوزن ومصنوعة من الپوليمر ومدعومة بالألمنيوم، تشكل بنية وحدة الخدمات؛ ويتعين على طرائق التصنيع البسيطة أن تساعد على تخفيض نفقات هذا البند المُكْلِف.

إن أحد أوجه الاختلاف البارزة بين السفينتين أوريون وأپولو هو أنه يضاف إلى وحدة الخدمات صفوف من الخلايا الشمسية لها شكل المظلات، ويمكن نشرها عند اللزوم في المدار. ولما كانت سفينة الفضاء أپولو مصممة للبعثات القمرية التي تستمر أياما، فقد كانت تحمل معها خلايا وقود الهدروجين القادرة على توليد طاقة كهربائية تستمر مددا زمنية قصيرة نسبيا. وفي المقابل، يجب أن تكون السفينة أوريون قادرة على توليد الكهرباء طوال ستة أشهر على الأقل.

وتدريجيا، تلاحق أوريون السفينةَ المكونة من مركبة الهبوط على القمر ومرحلة الانطلاق التي سبق أن وضعتها إريس  Vفي مدار أرضي منخفض. وعندما تتقابل السفينتان أخيرا، يُجري الملاحون المناورات النهائية، ويراقبون بعناية نظام «الأسر الرقيق»⁽⁷⁾ المؤتمت خلال اقتراب السفينتين إحداهما من الأخرى، ثم التحامهما برفق. إن التغذية الراجعة⁽⁸⁾ للقوة، إضافة إلى المركِّبات الكهرميكانيكية⁽⁹⁾ تُحِسّ بالأحمال وتربط تلقائيا الحلقات المتزاوجة في المرْكبتين، وتخمد أي قوى تماسّية. وهكذا تصبح السفينة والملاحون جاهزين تقريبا للتوجه نحو القمر.

إن مرْكبة الملاحين هي العنصر الوحيد في أوريون الذي سيقوم بالرحلة جميعها، وقد يُعاد استعماله في عمليات طيران يصل عددها إلى 10. ومعظم الكبسولة مصنوع من خليطة من الألمنيوم والليثيوم الخفيفي الوزن، مدعومة بالتيتانيوم. والقسم الخارجي من مرْكبة الملاحين مبطن بمادة واقية من الحرارة توافر أيضا ـ إضافة إلى حماية أقسامها التي يعيش فيها الملاحون من الحرارة القاسية عند دخول المركبة ثانية في الغلاف الجوي ـ درعا يقيها من النيازك الصغيرة جدا ذات السرعات العالية أو من أنقاض أخرى قد تضرب سطح المركبة.

ويستعمل نظام مناورات التحكم في ردود أفعال مركبة الملاحين أنواعا من وقود الدفع مكونة من الميثان والأكسجين الغازي، وهذه تقانة تستند إلى التقدم الذي أحرزه المهندسون خلال تنفيذهم في الوكالة ناسا برنامج المركبة X-32 ذات المرحلة الواحدة إلى المدار، علما بأن هذا البرنامج أُلغي عام 2001. وتتجلى إحدى ميزات نظام الدفع باستعمال مزيج من الأكسجين والميثان في أن الوقود المستعمل فيه غير سام (خلافا لأنواع الوقود السابقة التي كانت تستعمل أنواعا من وقود الدسر التلقائية الاشتعال hypergolic)، الذي سيساعد على ضمان سلامة الملاحين الجويين والأرضيين بعد عودتهم إلى الأرض.

وعندما يكون كل شيء جاهزا، يدور المحرك الصاروخي لمرحلة الانطلاق من الأرض لدفع السفينة الفضائية نحو القمر. ويُعِدُّ المهندسون أوريون لدعم نوعين من البعثات الفضائية: «بعثات الطَلعة القمرية»⁽¹⁰⁾، التي يُمضي فيها الملاحون ما بين أربعة وسبعة أيام على سطح القمر لتبيان قدرة نظام أوريون على نقل بشر إلى سواتل أرضية، و«بعثات القاعدة الأمامية القمرية»⁽¹¹⁾، التي يمكن فيها ترسيخ وجود بشري شبه مستمر هناك. ولما كانت أطول مدة يمكن للملاحين قضاؤها على سطح القمر 210 أيام (تحددها الإمدادات المتاحة من الأكسجين والماء ومن المواد الأخرى القابلة للنفاد)، فإن القدرة على العمل المستمر للسفينة أوريون يجب أن يساعد على إطالة هذه المدة. وأكبر دافع لتصميم بعثات أوريون القمرية هو كمية الوقود الداسر اللازمة لتحقيق هذه الأهداف.

صف من أنظمة الإطلاق(******)   منذ أواخر الستينات من القرن الماضي، استخدمت الوكالة ناسا ثلاثة أنظمة للإطلاق إلى المدار لبعثات مأهولة.

وبعد قضاء الملاحين أربعة أيام في رحلتهم خارج الأرض، فإنهم يدخلون إلى مدار قمري بعد أن يكونوا قد تخلصوا على طول طريقهم من مرحلة مغادرة الأرض. يعتلي رواد الفضاء الأربعة متن مركبة الهبوط على القمر، مخلِّفين وراءهم كبسولة الملاحين ووحدة الخدمات اللتين تنتظرانهم في المدار. وفيما يتعلق بوحدة الرحلة القمرية في أپولو، كانت مركبة الهبوط القمرية مكونة من قسمين: أحدهما لمرحلة الهبوط وله سيقان لحمل السفينة على السطح ولحمل معظم المواد الاستهلاكية والتجهيزات العلمية اللازمة للملاحين؛ والقسم الآخر هو لمرحلة الصعود التي تؤوي الملاحين. وبعد الهبوط على السطح واستكشافه، يصعد الأشخاص الأربعة من سطح القمر، للالتحام في وقت لاحق بوحدتي الملاحين والخدمات في المدار. أما مرحلة الصعود لمركبة الهبوط فَتُنْبَذ في الفضاء الخارجي، وتعود صواريخ أوريون ثانية إلى الأرض.

[عينة لبعثةٍ : خطوة فخطوة] رحلة إلى القمر(*******)   يتضمن برنامج كونستليشن التابع للوكالة ناسا مجموعة من معززات الإطلاق والمركبات الفضائية ووحدات الدعم، تقوم معا بنقل بشر إلى القمر بحلول عام 2020. وتستلزم الخطط من رواد الفضاء البقاء على سطح القمر مدة تراوح بين أربعة أيام وأكثر من ستة أشهر.   1- ترتفع مركبة إطلاق الحمولة إريس V مع مرحلة مغادرة الأرض وعربة الهبوط القمرية. وحين ينفد وقود المعزز، ترسل مرحلة مغادرة الأرض نفسها مع عربة الهبوط القمرية إلى ارتفاع يقارب 300 كيلومتر.   2- وبعد وقت قصير تنطلق إريس I Ares («العصا» the Stick) حاملة معها أربعة رواد فضاء ومركبة الاستكشاف أوريون Orion  ووحدة  الخدمات، إلى مدار أرضي منخفض.   3- تلتقي السفينة أوريون مع مرحلة مغادرة الأرض وعربة الهبوط القمرية.   4- تتجه السفينة الفضائية، المدفوعة بمرحلة مغادرة الأرض، نحو القمر. وبعد بدء عمل محرك الصاروخ، يتخلص الملاحون من مرحلة مغادرة الأرض.   5- عندما تصل السفينة أوريون إلى القمر بعد أربعة أيام، يكبح محرك عربة الهبوط القمرية سرعة السفينة الفضائية، التي تدخل في مدار حول القمر.   6- ينتقل الملاحون إلى عربة الهبوط ويهبطون على سطح القمر، تاركين السفينة أوريون الخالية تدور حول القمر. ويبدأ رواد الفضاء استكشاف سطح القمر.   7- تعيد مرحلة صعود عربة الهبوط الملاحين إلى المدار، وهناك تلتحم العربة بأوريون. يعود رواد الفضاء ثانية إلى قمرة الملاحين، ويتخلصون من مرحلة الصعود.   8- يقوم محرك وحدة الخدمات بدفع السفينة أوريون لتعود ثانية إلى الأرض.   9- بعد أربعة أيام، يتخلص رواد الفضاء من وحدة الخدمات. تدخل قمرة الملاحين، التي يقيها درع حراري، جو الأرض.   10- تُبطِّئ المظلات سرعة هبوط قمرة الملاحين. وتحطّ السفينة الفضائية، المزودة بوسائد هوائية قابلة للنفخ، على القسم الغربي من الولايات المتحدة.

تحديات هندسية(********)   تجربة سقوط الوسائد الهوائية   نظام الهبوط برفق(12): يقوم مهندسو المشاريع بتطوير نظام للوسائد الهوائية (في الأعلى) التي تنتفخ تحت قمرة ملاحي أوريون لتهمِّد صدمة الهبوط على تضاريس صلبة، إذا كان على المركبة أن تفعل ذلك. ولكنه إذا تبين أن تقانة الوسائد الهوائية غير ملائمة، فلدى المهندسين عدة خيارات في معاملهم، من ضمنها أنظمة الصواريخ الارتكاسية(13). التوازنات المثلى : يتعين على المهندسين إيجاد التوازن الأمثل بين كتل الملاحين وتجهيزاتهم التي يمكن أن تحملها معززات المركبة إيرِس من جهة، وبين أكبر قدر من احتياطيات الأمان وأكثر من وسائل الراحة (بما فيها المبيت والطعام) فائدة للملاحين من جهة أخرى. الدرع الحراري : مع أن المهندسين يحبذون المادة PICA لصنع الدرع الحراري لكبسولة رواد الفضاء، فإن إنشاء هذه البنية الضخمة قد يؤدي إلى حدوث مشكلات عدة. ومن الممكن اختيار بدائل مثل بلاطاتtiles المكوك الفضائي المقاومة للحرارة أو مادة أپولو التي تتأكّل  باحتكاكها بالجو.

العودة إلى الأرض^(**********)

مع اقتراب الرواد على متن أوريون من الكوكب الأزرق، قد يتعين عليهم الاستعداد للدخول في جو الأرض، ثم الهبوط بطريقة مختلفة عن تلك التي كانت تسلكها أپولو. وكما هي الحال في سفينتي الفضاء جيميني Gemini وميركوريMercury قبل ذلك، فقد كانت أپولو تسقط على مياه المحيط بعد عبورها جو الأرض. ولكن لما كان الهبوط على الماء يتطلب أسطولا مُكْلِفا من السفن لاستعادة السفينة من المحيط، ويعرّض السفينة الفضائية التي يمكن إعادة استعمالها للتآكُل نتيجة التأكسد، فقد يقرر مخططو الوكالة ناسا ضرورة هبوط السفينة أوريون على اليابسة، كما تفعل السفن الفضائية الروسية سويوز Soyuz. لكن كون حجم ووزن وحِمْل السفينة أوريون أكبر من نظائرها في السفن الأخرى، فإنه يضخم التحدي الهندسي الذي يواجهها. إن أسلوب «الهبوط على اليابسة» مهم أيضا للإقلال من تكاليف الدورة الحياتية life cycle إلى الحد الأدنى. فإذا اختارت الوكالة الهبوط في المحيط بدلا من اليابسة،» فستجهز أوريون بقدرات أپولو نفسها. 

ولسوء الحظ، فالهبوط على التراب الأمريكي عقب رحلة قمرية يولد مشكلة رئيسية. فطوال ما يقرب من نصف الشهر القمري، ستجعل الظروف المدارية موقع أي هبوط على اليابسة في نصف الكرة الجنوبي، بعيدا عن المواقع المخطط لها في غرب الولايات المتحدة. ومع أن موعد مغادرة المدار القمري يمكن أن يغير خط طول نقطة عودة الدخول إلى جو الأرض، فإن خط الطول هذا مثبَت بالميل الزاوي⁽¹⁶⁾ (البعد الزاوي عن خط الاستواء) للقمر بالنسبة إلى الأرض عند مغادرة القمر. وهكذا فلبلوغ مواقع هبوط في غرب الولايات المتحدة، أو مواقع مائية قرب الولايات المتحدة، خلال فترات زمنية غير مواتية من الشهر القمري، يفرض على أوريون توسيع رقعة هبوطها لتشتمل على نصف الكرة الشمالي، وذلك باستخدام رفع دينامي هوائي⁽¹⁷⁾ يتولد خلال انحدار السفينة أوريون لدخول جو الأرض الخارجي. ومثل هذا المسار، الذي تثب فيه سفينة فضائية عبر الجو العلوي ـ مثل حجر يقفز على سطح ماء بحيرة بعد رميه بموازاة ذلك السطح ـ يسمى أحيانا «عودة وثابة»⁽¹⁸⁾.

وبعد قضاء أربعة أيام في رحلة العودة من القمر، وفق مسار طيران السفينة أوريون المدروس جيدا، وذلك في أول مناورة لعودة وثابة إلى جو الأرض بوجود ملاحين، فإن الآمال تتعاظم بين رواد الفضاء مع تزايد وضوح المظهر الأزرق-الأبيض لكوكبنا على شاشاتهم. لكنهم سرعان ما سينشغلون بإعادة توجيه السفينة بغية لفظ وحدة الخدمات، وهذه عملية ضرورية لكشف الدرع الواقي من الحرارة الموجودة في أسفل قمرة الملاحين. وفي وقت لاحق ـ بعد استعمال السفينة أوريون نظاما ملاحيا وحواسيب طيران للتحقق من أن السفينة الفضائية وُضعت في الموقع الصحيح للعودة إلى جو الأرض ومن أن مسارها يسلك الطريق السليم ـ يتأهب الملاحون للتعامل مع قوى إنقاص السرعة خلال مواجهة السفينة أوريون جو الأرض. 

إن عملية العودة الوثابة إلى جو الأرض تبدأ ببطء. ففي البداية، يبدأ الملاحون بملاحظة قوى g ضعيفة⁽¹⁹⁾ ناشئة عن طبقة الهواء الرقيقة العالية. وهذه القوى g، التي تدفع الملاحين للانضغاط على مقاعدهم، تتزايد شدتها باطراد مع المرور السريع لقطع من مادة الدرع الواقي المتوهجة ولتيارات من الغاز المؤيَّن المنطلقة بمحاذاة النوافذ. وبعد وقت قصير من بدء أوريون شق طريقها بصعوبة عبر الطبقات العليا من الجو، ترتد مدة وجيزة إلى ارتفاع أعلى. وبعد هذه الوثبة، تغوص الكبسولة بعمق في الهواء سالكة مسارا يتجه نحو موقع الهبوط. 

لقد كشفت الخسارة المأساوية لمكوك الفضاء كولمبيا وملاحيه عام 2003 أن نظام الوقاية الحراري لمركبة عائدة إلى الأرض هو في غاية الأهمية، إذ إن دخولها في الجو يولد حرارة هائلة في السطح الداخلي للسفينة الفضائية (تقدَّر بنحو ألفي درجة مئوية)، وذلك بسبب الاحتكاك بالهواء المندفع بسرعات فوصوتية. ولمّا كانت سرعة ولوج السفينة أوريون في الجو خلال عودتها من رحلتها القمرية (التي تساوي قرابة 11 كيلومترا في الثانية) أعلى بنسبة 41  في  المئة من سرعة هبوط مكوك فضائي من مدار أرضي منخفض، فإن كمية الحرارة ستكون أكبر عدة مرات. هذا وإن كون وحدة الملاحين في السفينة أوريون أكبر من نظيرتها في السفينة أپولو، يزيد من حجم التحدي الذي يواجهه مصممو السفينة أوريون. 

يُطلق على المادة، التي تتصدر قائمة المواد المرشحة لصناعة الدرع الحراري للسفينة أوريون، اسم ⁽²⁰⁾  PICA   . هذه المادة هي نموذج مكون من ألياف كربونية مغمورة في راتنج فينولي phenolic resin. وفي درجات الحرارة العليا، يُستأصل السطح الخارجي من طبقة المادة PICA أو يحترق، آخذا معه قسما كبيرا من الحرارة المفرطة. وعندما يسخن السطح، يتحلل بالحرارة، مخلفا طبقة مقاومة للحرارة من مادة متفحمة. وأيضا، توقف الموصلية (الناقلية) الحرارية الضعيفة للمادة PICA انتقال الحرارة إلى قمرة الملاحين. وقد استُعملت المادةPICA عام 2006 لوقاية السفينة الفضائية Stardust (التي كانت تحمل عينة من المذنب المسمى Comet Wild 2) أثناء عودتها إلى الأرض بسرعة 13000 متر في الثانية ـ وهذه أكبر سرعة ولوج في جو الأرض متحكم فيها حدثت حتى الآن. ولما كان للسفينة أوريون سطح أكبر 40 مرة، فإن درعها الحراري يجب أن يُبنى  من أجزاء كلٍّ على حدة، وهذا يضيف تعقيدات جديدة.

قوس كهربائي ـ كموقد لحام معادن بحجم الغرفة ـ ينفث هواء مسخنا إلى حرارة قدرها عدة آلاف من الدرجات على عينة من المادة التجريبية التي سيصنع منها الدرع الواقي من الحرارة، وذلك في مركز أبحاث إيمز التابع للوكالة ناسا.

الهبوط على اليابسة^{(***********)}

وأخيرا، تنتشر ثلاث مظلات كبيرة ـ تشبه كثيرا تلك التي استعملتها السفينة أپولو ـ بغية إبطاء سرعة هبوط المركبة. والمنظر الباعث على الاطمئنان لقباب المظلات الضخمة ذات اللونين الأحمر والأبيض، المفتوحة في الأعلى، تنبئ رواد الفضاء أن رحلتهم المذهلة قد اكتملت تقريبا. وبعد وقت قصير، يحدث في السفينة أوريون ارتجاج مفاجئ سببه تحرير درعها الحراري الكبير. إن وحدة الملاحين، التي تتدلى تحت المظلات الكبيرة، تهبط الآن بسرعة 8 أمتار في  الثانية .

وفي حالة الهبوط على اليابسة، ينتفخ عدد من الأكياس الهوائية في أسفل وحدة الملاحين لامتصاص صدمة الهبوط القادمة وإضعافها. وبعد صدمة قوية، تحط السفينة الفضائية أخيرا على أرض جافة في الصحراء الغربية الأمريكية. وهكذا تكون السفينة أوريون قد عادت إلى الأرض .

المؤلفون

Charels Dingell – William A. Johns – Julie Kramér White

 يديرون عمليات هندسية وتقانية لحساب مشروع السفينة أوريون الذي تنفذه الوكالة ناسا والشركة لوكهيدمارتن. <دينگل> هو المدير التقني للمشروع ويعمل لحساب الوكالة ناسا. وخلال عمله طوال قرابة ربع قرن في هذه الوكالة، تقلد مناصب قيادية في مشاريع المكوك الفضائي ومركبة عودة الملاحين X-38والطائرة الفضائية المدارية⁽²¹⁾. و<جونز> هو المهندس الرئيسي والمدير التقني لمركبة الاستكشاف أوريون المأهولة⁽²²⁾ (CEV)، ويعمل لحساب الشركة لوكهيدمارتن، وهي المقاول الرئيسي للمشروع. وبعد أن بدأ مسيرته العملية في Martin Marietta عام 1980، عمل على طُرُز متتالية  للمرحلة العليا Centaur وقاد فيما بعد عملية صنع مركبة الإطلاق المطورة القابلة للبسط⁽²³⁾ أطلس VV. وأما و<ايت> فهي مهندسة رئيسية لدى الوكالة ناسا، وتعمل في مشروع مركبة الاستكشاف أوريون المأهولة. ولها خبرة تمتد 20 عاما في الإدارة التقنية لمشاريع المكوك الفضائي والمحطة الفضائية والبرامج X-38.

  مراجع للاستزادة

Lockheed Martin Orion crew vehicle Web page: www,lockheedmartion.com/wms/findpage.do?dsp=fec&ci=17675

NASA Constellation program Web site: www.nasa.gov/mission. pages/constellation/main/index.html

NASA Vision for Space Exploration Web site:www.nasa.gov/mission_pages/exploration/main/index.html

(*)  TO THE MOON AND BEYOND

(**)  ORION BASICS

(***)  Up, Up and Away

(****)  A CONSTELLATION OF COMPONENTS

 (*****)  Rendezvous in Earth Orbit

(******)  LAUNCH SYSTEM LINEUP

(*******)  TRIP TO THE MOON

(********)  ENGINEERING CHALLENGES

(*********) Astronaut Astrophysics

(**********) Return to the Home Planet

(***********)  Landing on Land

(1)pressurized capsule

(2) life-support system

(3) Florida s Kennedy Space Center 

(4) Saturn V

(5) robotic نسبة إلى إنسالة، وهذه نحت من إنسان ـ آلي.

(6) honeycomb

( 7)  soft capture

(8) feedback أو التلقيم المرتد

(9) electromechanical

(10)lunar sortie missions

(11)lunar outpost missions

(12)soft landing system

(13)retrorockets  

(14)المستعرات العظمى أو الفائقة

(15)soft emissions

(16)declination

(17)aerodynamic lift

(18)skip reentry

(19)weak g-forces

(20)الكلمة PICA مكونة من الحروف الأولى من الكلمات الأربع التالية:  phenolic impregnated carbon albator

(21)orbital space plane

(22)orion crew exploration vehicle

(23)expandoble