در مقاله “صعود “به سختی ها و مشکلات گریز از جاذبه زمین همچنین ماه و دیگر سیارات اشاره کردیم و توضیح دادیم که این کاری چندان سهل و ساده نبوده و به بودجه بالا و تکنولوژی پیشرفته ای نیاز دارد که تنها تعداد معدودی ازکشورهای جهان قادر به انجام آن می باشند . برای مطالعه می توانید به مقاله “صعود “ مراجعه کنید همچنین برای پی بردن به سرعتی که یک جسم باید داشته باشد تا بتواند از چنگال جاذبه یک جسم رها شود به مقاله “ سرعت فرار “ مراجعه کنید.
حال فضاپیمائی را در نظر بگیرید که به سفر فضائی (ماه و مریخ و… مدار زمین) رفته و قصد بازگشت به زمین را دارد . به نظر می رسد که این کار (فرود بر روی زمین و همچنین کرات دیگر ) سهل و ساده بوده و هیچگونه تکنولوژی بالائی نیاز ندارد . در این مقاله نشان می دهیم که چنین نیست. و این کار اگر به درستی انجام نشود می تواند منجر به نابودی فضاپیما و کشته شدن فضانوردان شود . البته مطابق معمول مقاله های این فصل ابتدا نگاهی می اندازیم به خلاصه مطالب مقاله های گذشته فصل گرانش و مطلب اصلی را از بخش دوم شروع کرده و در بخش آخر هم خلاصه مطالب این مقاله را می آوریم .
بنابر این مقاله اصلی را می توانید ازبخش دوم شروع کنید همچنین در صورتی که به هردلیل حوصله خواندن کل مقاله را ندارید می توانید در بخش آخر خلاصه کل مقاله را مطالعه کنید .
۱- گرانش و مسائل مرتبط با آن
چرا زمین همه چیز را به طرف خودش می کشد؟ نیروی جاذبه زمین چیست؟ ستارگان و سیارات چگونه در آسمان معلق هستند و سقوط نمی کنند؟ و… این سوالات که برای ما بچه گانه هستند هزاران سال ذهن بشر را مشغول کرده یود .تا آن که سرانجام با کوشش دانشمندان و روشنفکران ابرها به کناری رفتند رازهای سر به مهر یکی پس از دیگری آشکار شدند . در این بخش به عنوان مقدمه این مقاله توضیح بسیار کوتاهی در مورد آنچه از گرانش و نیروی جاذبه تا کنون گفته ایم می دهیم .
در مقاله هائی که در مورد گرانش تهیه شده ما این مقاله ها را در سه فصل تهیه کردیم و در هر مقاله توضیحات کوتاهی در مورد مقاله های قبلی به همراه لینک آنها قرار می دهیم . قبل از مطالعه کامل مقاله حاضر مقاله های قبلی را هم مرور کنید .
۱) فصل اول گرانش
در فصل اول گرانش از تاریخچه گرانش و زندگی نیوتن شروع کرده و بعد از توضیح چند اصطلاح فیزیکی و ریاضی فرمول ها و نحوه عملکرد گرانش را در جهان هستی مورد مطالعه قرار دادیم . تعداد ۱۲مقاله دراین فصل منتشر شده است که برای مطالعه ودسترسی کامل به لینک آنها به صفحه “جمع بندی مقاله های فصل هفتم (گرانش۱) “ مراجعه کنید . در ادامه فقط به نام مقاله ها اشاره می کنیم .
۲) مقاله های فصل اول گرانش
مقاله های فصل اول گرانش به ترتیب به این صورت می باشد .
تاریخچه گرانش ، زندگینامه نیوتن ، نیوتن و گرانش ، قانون جاذبه عمومی نیوتن ، مکانیک مداری و قوانین کپلر(۱) ، مکانیک مداری و قوانین کپلر(۲) ، ماهواره ، گرانش و انرژی ، کمک گرانشی ، نیروهای کشندی(۱) ، نیروهای کشندی(۲) و نقاط لاگرانژی
برای مطالعه هر کدام بر روی آن کلیک کنید .
در این مقاله ها ابتدا از تاریخچه نجوم و گرانش شروع کرده و بعد به زندگی نیوتن و چگونگی کشف قانون جاذبه عمومی پرداخته و در مقاله های بعد به ترتیب قانون گرانش عمومی و بعد پدیده ها و مسائل در ارتباط با گرانش را مورد بررسی قراردادیم.
۲- مقاله های فصل دوم گرانش
در فصل هفتم “جمع بندی مقاله های فصل هفتم(گرانش۱) “ از تاریخچه گرانش و زندگی نیوتن و… شروع کرده و تعدادی مقاله در این رابطه روی سایت قرار دادیم و به علت زیاد بودن مقاله ها تصمیم گرفته شد که مقاله های دیگر را در ارتباط با گرانش در فصل هشتم “جمع بندی مقاله های فصل هشتم(گرانش۲) “ روی سایت قرار دهیم .این فصل در واقع ادامه فصل هفتم می باشد .
در این فصل با مقاله “ گرانش سطحی “ شروع کرده و مطالبی هم که در مقاله های دیگر نوشتیم به نحوی در ارتباط با گرانش سطحی می باشد که در این بخش به صورت خیلی خلاصه شرح می دهیم .
۱) گرانش سطحی
نیروی گرانش در سطح اجسام بزرگ سماوی (ستارگان و سیارات و…) همه اجسام را به طرف مرکز جذب می کند و این باعث ایجاد شتابی به این اجسام می شود که تقریبا در تمام نقاط و ارتفاع نزدیک به سطح جسم عظیم مرکزی به یک اندازه می باشد . این شتاب را در اصطلاح نجومی شتاب گرانش سطحی می نامند . و در مکانیک با “g” نشان می دهیم . در مقاله “ گرانش سطحی “ به این موضوع خواهیم پرداخت و فرمول های آن را بدست خواهیم آورد .
۲) چاه بی انتها(تونل جاذبه)
چاهی که از یک نقطه زمین حفر شده و از سمت دیگر بیرون بیاید را در اصطلاح چاه بی انتها(یا تونل جاذبه) می گویند.حال اگر کسی درون این چاه بیفتد تاکجا حرکت کرده و در کجا متوقف می شود؟ چه مدت طول می کشد تا متوقف شود؟ و… این مسئله اغلب به عنوان یکی از مسائل فیزیک و مکانیک به دانش آموزان و دانشجویان فیزیک ارائه شده و می شود تا ضمن حل و تمرین مسائل فیزیک کمی هم تفریح کرده باشند .
در مقاله “چاه بی انتها“ ابتدا حالت ایده آل را درنظر گرفته و نشان می دهیم این حرکت نوعی حرکت نوسانی است و جسم تا ابد بین دو دهانه رفت و آمدنوسانی انجام می دهد و بعدبا استفاده از فرمول های نوسان دوره تناوب را در محاسبه می کنیم و دربخش بعدی مقاومت هوا را هم نظر می گیریم ونشان میدهیم دامنه نوسان به تدریج کم وکمتر شده تا جسم در مرکز زمین متوقف شود. همچنین در این مقاله مطالب مختلف دیگری هم در این ارتباط مطرح کرده و بررسی کردیم .
۳) سرعت فرار
اگر پرتابه ای را به بالا پرتاب کنیم بعد از مدتی به زمین برگشته و روی زمین سقوط می کند حال اگر سرعت پرتاب ، پرتابه به اندازه کافی زیاد باشد (با صرف نظر کردن از مقاومت هوا) پرتابه برای همیشه از زمین دور می شود و در این صورت به سرعت فرار می رسد. “سرعت فرار “درفیزیک و ستاره‌شناسی: « به حداقل سرعتی گفته میشود که یک جسم باید داشته باشد تا بتواند از چنگ نیروی گرانش جسم دیگر بگریزد. » در مقاله “ سرعت فرار “ در مورد سرعت فرار و ابعاد محتلف آن و پدیده های در ارتباط با آن توضیح می دهیم.
۴) صعود
فرار ازجاذبه زمین و رفتن به آسمان و دستیابی به کرات آسمانی یکی از آرزوهای بشر نخستین و انسان متمدن بوده و هست. شاید به نظر برسد که در دوران مدرن خروج از زمین و جاذبه زمین کاری سهل و ساده می باشد.در مقاله “صعود “نشان می دهیم که فرار ازجاذبه زمین سخت ترازچیزی می باشد که فکر میکنیم.
۳- مروری بر چند اصطلاح در رابطه با فرود بر روی سیارات
برخواستن از روی سیارات کرات آسمانی و رسیدن به سرعت گریز و فرار از گرانش یک طرف قضیه بوده و فرود بر روی سیارات (بخصوص سیارات دارای جو ) یک طرف دیگر قضیه می باشد در بخش های بعدی در مورد ورود به جو (بازگشت به جو زمین) و مسائل در ارتباط با آن توضیح مفصل می دهیم قبل از آن چند اصطلاح را در این رابطه توضیح می دهیم .
۱) آیرودینامیک
می دانیم که هوا در مقابل حرکت اجسام مقاومت می کند و جلو حرکت آنها را می گیرد مقاومت هوا به شکل و فشار هوا بستگی دارد بسیاری از اجسامی که می شناسیم با هوا احاطه شده و ناگزیر در هوا حرکت می کنند. از این رو شناخت علمی حرکت اجسام در هوا کمک می کند که بهترین شکل و گزینه را برای کاهش مقاومت هوا انتخاب کنیم از این رو دانش آیرودینامیک بوجود آمد .
آیرودینامیک یا “هواپویش” علمی است که به حرکت اجسام مختلف در هوا می پردازد . بنابر این تمام اجسامی که در هوا حرکت می کنند .خواه یک جسم زمینی(اتومبیل و…که برای حرکت مجبور به شکافتن هوا می شود و یا یک پرتابه (گلوله های توپ و تفنگ و…) و یا یک موشک …و سفینه فضائی در هنگام بازگشت به جو ، کلا هر چیزی که با هوا احاطه شده باشد با آیرودینامیک سرو کار دارد.آیرودینامیک نقش مهمی در صنعت هوا و فضا و…صنایع موشکی و نظامی و حتی اتومبیل سازی دارد .
۲) نیروی نیروی برا و نیروی پسار
در علم آیرودینامیک دو نیرو اهمیت بسیار زیادی دارند.نیروی” برا و نیروی پسا “ طبق تعریف : « نیروی برا ( نیروی جلو برنده )،نیرویی است كه در جهت مخالف جاذبه بر هواپیما و هلکوپتر و…پرندگان و خلاصه همه اشیا و اجسام پرنده وارد شده و مانع از سقوط آنها می شود.برای این که چنین نیروئی وارد شود جسم پرنده باید از نظر آیرودینامیکی شکل خاصی داشته باشد بهترین شکل ، شکلی است که یکطرف آن شبیه نیمدایره باشد.
نیروی “پسار” نیروئی است که در مقابل حرکت جسم در هوا مقاومت می کند که در واقع همان نیروی مقاومت هوا می باشد.یکی از مهمترین مسائل در آیرودینامیک کم کردن نیروی پسار می باشد .
۳) خط کارمان یا کارمن چیست ؟
طبق تعریف فدراسیون هوانوردی خط کارمن(ارتفاع ۱۰۰کیلومتری) مرزبین هوا و فضا می باشد. این نام به افتخار تئودوره فون کارمان(دانشمند مجارستانی متولد ۱۷مه۱۸۸۱درگذشته ۷ مه ۱۹۶۳) نام گذاری شد. در بخش بعد به تفصیل در این باره توضیح می دهیم .
۴) سپرحفاظتی
وقتی یک فضاپیما به جو زمین برمی گردد با مقاومت شدید هوا مواجه می شود و نیروهای سهمگینی به آن وارد می شود در صورتی که فضاپیما بدرستی در مقابل نیروهای وارد شده حفاظت نشود سفینه بر اثر نیروهای وارد شده و حرارت بسیار زیاد متلاشی و سرنشینان آن کشته می شوند . مواد و مصالحی که برای ساخت سپر حفاظتی به کار می روند باید نقطه ذوب بسیار بالائی داشته و مانع از ورود گرمای حاصل از اصطکاک جو به داخل سفینه شوند.نظر به اهمیت این قسمت در یک بخش مجزا در مورد آن توضیح کامل می دهیم .
۴- مرز هوا و فضا
در این بخش در مورد مرز هوا و فضا توضیح می دهیم . زیرا این مطلب اهمیت بسیار زیادی دارد .
۱) مرز هوا و فضا
متاسفانه تعریف دقیقی برای مرز میان هوا و فضا وجود ندارد زیرا اتمسفر زمین به یکباره قطع نمی شود که بتوان پایان اتمسفر را پایان هوا و شروع فضا در نظر گرفت بلکه به آرامی رقیق و رقیق تر شده تا آنگاه که بکلی ناپدید شود دیگر این که تعیین مرز دقیق برای فضا یک سری الزامات قانونی را هم متوجه کشورها می کند تا حریم هوائی یکدیگر را حفظ کنند قدرت های بزرگ جهانی (مانند آمریکا) مایلند این مرز همچنان تعریف دقیق قانونی نداشته باشد و یا حداقل ارتفاع را برای آن تعریف کنندتا همچنان بتوانند در آسمان کشورهای دیگر جولان دهند. بنابر این مرز هوا و فضا از ۸۰ کیلومتر تا ۱۶۰کیلومتر متغیر است .
۲) خط کارمان یا کارمن( Karman line )چیست ؟
طبق تعریف فدراسیون هوانوردی خط کارمن(ارتفاع ۱۰۰کیلومتری) مرز بین هوا و فضا می باشد . این نام به افتخار تئودوره فون کارمان (دانشمند مجارستانی متولد ۱۷مه ۱۸۸۱درگذشته ۷ مه ۱۹۶۳) نام گذاری شد.
زیرا اولا نیروی مقاومت هوا (نیروی پسا) به صفر می رسد و ثانیا سرعتی که یک هواپیما لازم دارد تا نیروی برا (بالا برنده درهواپیما ) تولید کند از سرعت مداری یک ماهواره در همان ارتفاع بیشتر می شود.حال این دو مورد را دقیق تر بررسی می کنیم .
هواپیمائی که در هوا پرواز می کند چهار نیرو به آن وارد می شود یکی از نیروها که وزن هواپیما را خنثی می کند “نیروی برا “ نامیده می شود مادامی که هواپیما حداقل سرعت لازم را در هوا دارد.نیروی برا میتواند موجب ماندن هواپیما در هوا شود درغیر این صورت هواپیما سقوط می کند.(برای مطالعه در موردنحوه پرواز هواپیما و نیروهای واردشده به هواپیما به مقاله “داستان پرواز” بخش چهارم (۴- هواپیما) مراجعه کنید)نیروی برا به فشار هوا بستگی کامل دارد یعنی هر چه فشار هوا کمتر باشد برای ایجاد نیروی برا جهت جلوگیری از سقوط هواپیما به سرعت بیشتری نیاز می باشد .
از طرف دیگر یک ماهواره برای ماندن در مدار باید یک حداقل سرعتی را داشته باشد که سرعت مداری نامیده می شود.در این ارتفاع با توجه به فشار بسیار پائین هوا (که در آن ارتفاع بسیار پائین است) عملا سرعت مداری و سرعت برا یکی می شود (برای مطالعه در مورد سرعت مداری به مقاله “مکانیک مداری و قوانین کپلر(۲) “ مراجعه کنید.) و از طرف دیگر با صفر شدن نیروی مقاومت هوا عملا جسم پرنده نیازی به مصرف انرژی برای جبران انرژی از دست رفته ندارد.(برای اطلاعات بیشتر به مقاله “هوا و جو “ مراجعه کنید.)
شکل شماره ۱ – خط کارامان و طبقات جو
شکل شماره ۲ – نیروهای وارد بر هواپیما
۳) خط کارمان در سیاراتی دیگر
در سیارات و اجسامی که جو و اتمسفر ندارند خط کارمان وجود ندارد مرز فضا دقیقا از بالای سطح شروع می شود ولی در اجسام (سیارات و ستارگان و قمرها) که دارای جو و اتمسفر هستند خط کارمان بستگی به گرانش سیاره و فشارجو متفاوت می باشد مثلا در حالی که در زمین از۱۰۰کیلومتری جو زمین شروع می شود در مریخ از۸۰کیلومتری و در ناهید که جو ضخیم و متراکمی دارد از ارتفاع ۲۵۰کیلومتری شروع می شود.
۵- سقوط درجو
حرکت اشیاء به سمت داخل گازهای موجود درجو یک سیاره از فضای بیرونی آن را ورودبه جو سیاره می نامند. این ورود به دو صورت انجام می شود.ورود کنترل شده مانند فضاپیماها و شاتل ها و…ساخته های دست بشر و ورود کنترل نشده مانند سنگ های آسمانی و …در این بخش در مورد ورود کنترل نشده به جو زمین توضیح داده و نشان می دهیم که وقتی جسمی به صورت کنترل نشده وارد جو زمین می شود چه نیروهائی به آن وارد شده و چه بر سرش می آید.همچنین به نقش جو زمین درحفاظت از موجودات زمینی درمقابل برخورد شهاب سنگ ها توضیح می دهیم.و نشان می دهیم که سنگ های مهاجم بر اثر وارد شدن به جو می سوزند و از بین میروند و فقط تعداد کمی به زمین میرسند و جو زمین مانع از رسیدن شهاب سنگ ها به زمین می شود.
۱) ورود به جو Atmospheric entry
ورود به جو حرکت اشیاء به سمت داخل گازهای موجود در جو یک سیاره از فضای بیرونی آن سیاره است. این ورودبه دو صورت انجام می شود یا به صورت کنترل نشده (مانند حرکت شهاب سنگ ها ) و یا کنترل شده (مانند حرکت فضا پیماها و موشک های بالستیک و…) نظر به این که جو زمین و سیارات دارای جو مرز مشخص و دقیقی ندارند نمی توان مرز مشخصی برای ورود به جو درنظرگرفت ولی با توجه به تعریف مرز فضا و هوا ( معروف به خط کارمن) می توان گذشتن ازخط کارمن را لحظه ورود به جو در نظر گرفت (در موردخط کارمن در بخش قبلی توضیحات مفصل دادیم) با این تعریف مرز ورود به جو در زمین ارتفاع ۱۰۰کیلومتری از سطح زمین، در موردناهید ۲۵۰کیلومتری و مریخ ۸۰ کیلومتری و سیارات و اقماری که دارای جو هستند به ضخامت جو و نیروی گرانش آنها بستگی دارد .
۲) بعد از ورود به جو چه اتفاقی برای اجسام می افتد؟
از موقعی که یک جسم(کنترل شده و کنترل نشده)به جو وارد می شود مقاومت جو درمقابل جسم ورودی آغاز می شود چون سرعت جسم ورودی از همان ابتدا بسیار زیاد بوده مقاومت جو و نیروهای آیرودینامیکی(نیروهای پسا) از همان لحظه ورود به اتمسفرسیاره شروع می شود چون اتمسفر ابتدا خیلی رقیق می باشد این نیروها در ابتدا کم ولی رفته رفته زیاد می شود همزمان با تبدیل انرژی جنبشی به گرما درجه حرارت هم رفته رفته بالا و بالاتر می رود (حرارت تا ۳۵۰۰درجه هم می رسد که این حرارت هر جسمی را بخار می کند) و اگر جسم محافظت نشده باشد درجه حرارت بالا و نیروهای دیگر می تواند سبب خرد و متلاشی و سوختن و خاکستر شدن جسمی شوند که به اتمسفر وارد می شود . برای بررسی بیشتر این موضوع در قسمت بعد ، انهدام شهاب سنگ هائی را که وارد جو زمین می شوند مورد بررسی قرار می دهیم .
۳) جو زمین و سپر حفاظت در مقابل شهاب سنگ ها
جو زمین نقش بسیار بزرگی در حفظ حیات در روی زمین دارد از حفاظت موجودات زمینی در مقابل اشعه های خطرناک کیهانی تا نقش آن درتنفس وحیات موجودات زنده …تا حفاظت زمین درمقابل شهاب سنگ های مهاجم.(برای مطالعه در مورد جو زمین و نقش آن در حفاظت از حیات زمینی می توانید به مقاله “هوا و جو“ مراجعه کنید.)ولی آنچه در این قسمت به آن می پردازیم نقش جو زمین در مقابل شهاب سنگ ها می باشد.
وقتی یک سنگ آسمانی جذب جاذبه زمین می شودبراثر کشش زمین شروع به شتاب گرفتن می کند و مرتب بر سرعتش افزوده می شوداگر جو زمین وجود نداشت جسم مهاجم (سنگ آسمانی)با سرعتی که به ۷۰ کیلومتر در ثانیه هم می رسید به زمین برخورد کرده و صدمات جبران ناپذیری به موجودات زنده روی زمین می زند (فقط گودالی که شهاب سنگ حفر می کند ۲۰ برابر قطر شهاب سنگ می باشد)
چون زمین جو دارد وقتی سنگ آسمانی به جو زمین می رسد در درجه اول قسمت اعظم سرعت و انرژی جنبشی سنگ توسط مقاومت هوا گرفته می شود این انرژی به گرما تبدیل شده و دمای سنگ آسمانی را تا ۳۵۰۰درجه بالا می برد .گرما و نیروهای آیرودینامیک وارد شده به سنگ آسمانی سرانجام منجر به سوختن کامل سنگ های کوچک و متلاشی شدن و انهدام سنگ های بزرگ می شود .قطعات بجا مانده از سنگ های بزرگ یا کاملا سوخته و نابود می شود و یا در نهایت قطعات کوچکتر (که صدمه کمتری می توانند بزنند) به عنوان “شهاب سنگ “ به زمین می رسند. بنابر این تنها سنگ های آسمانی بزرگ این شانس را دارند که به عنوان شهاب سنگ بر روی زمین فرود بیایند(در مقاله “ شهاب سنگ “ این موضوع را بیشتر بررسی می کنیم )
سیارات و کراتی که فاقد جو و اتمسفر هستند(مانند کره ماه)شاهداین مدعا هستند آثار برخوردهای شهاب سنگی بر روی ماه و عطارد و…شاهدی بر این مدعا می باشد .
بدین ترتیب بیش از۹۰درصدسنگ های سرگردان که به جو زمین وارد شده اند از بین می روند و جو زمین موجودات زمینی را در برابر خطرات برخوردهای شهاب سنگی حفظ می کند .
شکل شماره ۳ – متلاشی و منهدم شدن شهاب سنگ در برخورد با جو
شکل شماره ۴ – گودال های برخوردی در ماه
۴)نیروها و فشارهائی که درزمان ورود به جو به اشیاوارد می شودازکجا ناشی می شود؟
جسمی که از ارتفاع صدکیلومتری(خط کارمن) به جو زمین وارد می شود در موقع رسیدن به سطح زمین با فرض این که سرعت اولیه آن صفر باشد.همانقدر انرژی جنبشی پیدا می کنند که باید کسب کرده تا به ارتفاع ۱۰۰کیلومتری برسد (و این را خیلی ساده ازقانون بقای انرژی مکانیکی میتوان بدست آورد)و همین به تنهائی انرژی عظیمی می باشد، این درحالی است که جسم واردشده سرعت و انرژی جنبشی اولیه بالائی هم دارد قسمت اعظم انرژی جسم در موقع ورود به جو آزاد شده و به گرما تبدیل می شود و دمای جسم را حداکثر تا ۳۵۰۰درجه بالا می برد(برای فضاپیماها بستگی به جرم و سرعتی که دارند این انرژی به۵۰تا ۱۸۰۰مگاژول می رسد.)این گرمای عظیم همراه با نیروهای کششی که در اثر”پسای آیرودینامیک” تولید می شود(در واقع این فشار وگرما نتیجه فشرده سازی هوا در مقابل جسم می باشد) هرجسم محافظت نشده ای را نابود می کند.
۵) گرما و ترکیب شیمیائی جو
یکی از تاثیرات گرمای شدید وارد شده به اجسامی که به صورت کنترل نشده وارد جو می شوند واکنش های شیمیائی است که در این دمای بالا صورت گرفته و موجب متلاشی شدن بدنه سفینه ها و شهاب سنگ ها می شود می دانیم که۲۰٪ جو زمین از اکسیژن ساخته شده است و اکسیژن از نظر شیمیائی بسیار فعال است در دمای بالا واکنش های شیمیائی با سرعت بیشتری انجام شده و همین موضوع صدمه بیشتری به جسم ورودی می زند درحالی که مثلا جو مریخ که بیشتر از دی اکسید کربن ساخته شده است و فشار آن هم خیلی کمتر از زمین است صدمه خیلی کمتری به جسم متجاوزی که وارد اتمسفرش بشود می زند .
۶- نظریه دماغه پهن و شکل فضاپیماها
فضاپیمائی را درنظر بگیرید که ازجو زمین خارج شده و به فضا رفته است تا ماموریتی را انجام بدهد، حال این فضاپیما می خواهد دوباره به جو برگردد . اگر این فضاپیما تمهیدات کافی به کار نبرد و به صورت کنترل شده و درست واردجو نشود مانند یک شهاب سنگ در جو سوخته و نابود می شود و یا در بهترین حالت بشدت به سطح زمین برخورد کرده و تکه تکه می شود. در این بخش ابتدا در مورد این موضوع که فضاپیما از کدام سمت (جلو یا عقب) واردجو شود توضیح داده و در بخش های بعدی مسائل دیگر را در رابطه با ورود فضاپیما به جو و فرود آن بر روی زمین و مسائل و مشکلات مربوط به آن توضیح می دهیم .قبل از هرچیز دو دانشمند را که نقش مهمی در این رابطه داشتند معرفی می کنیم .
۱) رابرت گدارد (Robert Goddard)
رابرت هاچینگز گُدارد (Robert H. Goddard) متولد ۵ اکتبر۱۸۸۲ و درگذشته در ۱۰ اوت ۱۹۴۵استاد و دانشمند بزرگ آمریکایی یکی از پیشگامان ساخت موشک بود او برای نخستین بار عنوان کرد که تنها به کمک موشک می توان به فضا رفت. همچنین او اولین موشک سوخت مایع را در تاریخ ۱۶مارس۱۹۲۶پرتاب کرد. رابرت گودار که در زمینه موشک و فرستادن فضاپیما به فضا تحقیقات کافی کرده بود به خطرات بازگشت فضاپیماها به جو آگاه بود.گدارد اولین موشک سوخت مایع رادر تاریخ۱۶مارس۱۹۲۶پرتاب کرد.بین سال‌های ۱۹۳۰تا ۱۹۳۵باپرتاب موشک‌های مختلف به سرعت۵۵۰ مایل بر ساعت دست یافت. او ۲۱۴ اختراع به نام خود ثبت کرد ،تحقیقات گدارد زمینه ای برای رشد صنایع موشکی درجهان شد. اودر۱۰اوت ۱۹۴۵ در سن ۶۳ سالگی درگذشت.
۲) هری آلن(Harry Alle)
کی از دانشمندانی که نقش موثری در تاریخچه فضانوردی داشت و متاسفانه نام او گمنام مانده است مهندس هری آلن(Harry Alle) متولد اول آوریل۱۹۱۰، درگذشته ۲۹ژانویه ۱۹۷۷بود. او مهندس هواپیما بوده و مدتی هم مدیریت مرکز تحقیقات ایمز ناسا بود . هری آلن نقش بسیار مهمی در شکل گیری شکل فضاپیماها و نحوه ورود فضاپیماها به جو زمین داشت او برای ورود فضاپیماها به جو زمین نظریه ای ارائه داد که به “ نظریه دماغه پهن “ معروف شد که در قسمت های بعد توضیح می دهیم . او در ۲۹ ژانویه ۱۹۷۷در آمریکا در گذشت .
شکل شماره ۵ – رابرت گُدارد
شکل شماره ۶ – هری آلن
۳) تغییر شکل فضاپیماها از سال ۱۹۵۰به بعد
دردهه ۱۹۵۰میلادی آمریکا و شوروی درگیر مسابقه تسلیحاتی بودند و این مسابقه حول و حوش ساخت موشک های نظامی برای پرتاب کلاهک های اتمی بود ، که بعدا این مسابقه موشک سازی به رقابت نظامی برای ساخت موشک های بالستیک تبدیل شد بعد در کنار رقابت نظامی ، رقابت فضائی هم شروع شد (برای مطالعه در مورد رقابت فضائی به مقاله “رقابت فضائی” مراجعه کنید) بنابر این مسئله حرکت موشک ها در هوا وشکل آیرودینامیک آنها یکی از مهمترین مباحث کارشناسان نظامی و فضائی شد . ابتدا موشک ها و سفینه ها را به صورت بالدار ساختند ولی بعدا همه این طرح ها کنار گذاشته شد و موشک های فضائی و سفینه ها به صورت دوکی شکل که امروز می بینیم ظهور کرد چه اتفاقی افتاده بود؟
تغییر شکل فضاپیماها و موشک ها مدیون “ هری آلن “ می باشد . وقتی موشک های بالستیک ساخته شد مسئله حرکت موشک ها در هوا مطرح شد(برای مطالعه در مورد موشک به مقاله “موشک چیست و چگونه پرواز می کند؟ “ مراجعه کنید ) هری آلن نشان داد که موشک ها (و کلیه اجسامی که در فضا حرکت می کنند) باید کمترین مقاومت را در مقابل هوا داشته باشند و بهترین شکل برای این که مقاومت هوا به حداقل خود برسد ، همین شکل دوکی شکلی می باشد که امروز می بینیم . و بنابر این باله ها هم حذف شدند .
۴) تفاوت صعود و فرود یک فضاپیما
شکل آیرودینامیکی یک فضاپیما (و همه موشک ها و وسائلی که در هوا حرکت می کنند)به گونه ای باید باشد که برای حرکت درهوا کمترین مقاومت هوا را درپیش داشته باشند از این رو فضاپیماهائی که می خواهند به بالا حرکت کرده و از جو خارج شوند باید از سر دوکی شکل خود حرکت کنند ولی فضاپیمائی که می خواهد روی زمین(ویا هر سیاره دارای جو) فرود بیاید اگر از سرتیز دوکی شکل خود وارد شود هر لحظه بر سرعتش اضافه می شود و با توجه به سرعت اولیه ای که داشته با سرعت ده ها کیلومتر در ثانیه به سطح زمین (و یا سیاره ای که می خواهد فرود بیاید) برخورد کرده و تکه تکه می شود حتی اگربه سطح آب هم برخورد کند باز هم نابود می شود.نکته ای که بسیار مهم می باشداین است که درسرعت بسیار بالا از چتر نجات هم کاری بر نمی آید و چتر نجات هم پاره پاره می شود و نمی تواند فضاپیما را به سرعت متعادل برساند . پس چه باید کرد؟
۵) فرود فضاپیما و نظریه دماغه پهن
مشکل بازگشت فضاپیماها به جو توسط هری آلن بررسی و مورد موشکافی قرار گرفت او مسئله برگشتن فضاپیماها به جو را مطرح کرد و عنوان کرد که اگر چه موشک های بالستیک و فضائی برای خروج ازجو باید از سر دوکی شکل خود خارج شوند تا مقاومت هوا کمترین مقدارشود ولی فضاپیما (یا هرجسم دیگری ) در موقع بازگشت به جو باید از سرپهن خود به جو برگردد تا مقاومت هوا ماکزیمم شده و فضاپیما بتواند از هوا مانند یک ترمز طبیعی استفاده کند و سرعت خود را تا حدود زیادی کاهش دهد تا در آخرین مرحله چترهای نجات بتوانند فرود آرامی را برای فضاپیما بوجود بیاورند . این نظریه به «نظریه دماغه پهن» معروف شد .
۶) نظریه دماغه پهن و خطرات مربوط به آن
طبق نظریه دماغه پهن یک فضاپیما باید از انتهای پهن خود وارد جو شود ولی این کار خطرات بسیار زیادی دارد یکی از این خطرات اصطکاک شدید با جو و وارد آمدن نیروهای آیرودینامیکی و افزایش شدید دمای فضاپیما می باشد که می تواند فضاپیما را قبل از رسیدن به زمین ذوب و منفجر کند.برای جلوگیری از این حادثه تمهیدات دیگری بایددر نظرگرفت یکی از آنها زاویه فرود و دیگری استفاده از سپرحفاظتی می باشد . که در بخش های بعدی در مورد آن توضیح کافی خواهیم داد.
۷) فرود بر روی سیارات و کرات فاقد جو
برای فرود بر روی سیارات فاقد جو ، از جو نمی توان به عنوان ترمز آیرودینامیکی استفاده کرد همچنین مقاومت هوا هم وجود ندارد پس تفاوتی نمی کند فضاپیما از کدام طرف (سر دوکی شکل یا انتهای پهن) وارد جو شود از چتر نجات هم کاری بر نمی آید برای فرود در این سیارات و کره ها (مانند کره ماه) تنها راه کم کردن سرعت استفاده از موشک به عنوان ترمز موشکی می باشد.
۷ – ورود فضاپیما به جو
برای ورود سالم وبی خطر یک فضاپیما به جو در درجه اول فضاپیما باید یک شکل صحیح داشته باشد و به صورت درست ازجو خارج و به صورت درست به جو وارد شود.بنابر این فضاپیما باید از سر دوکی شکل و تیز برای “ کم کردن مقاومت هوا “ ازجو خارج و از انتهای پهن برای “افزایش مقاومت هوا “به جو وارد شود(نظریه دماغه پهن) در این بخش در مورد زاویه و نحوه ورود به جو توضیحات کافی می دهیم .
۱) مانور مداری
برای خارج شدن از گرانش زمین و هرسیاره دیگر (صعود) و یا نشستن روی زمین( فرود) فضاپیما با روشن کردن موتورهایش سرعت خود را تغییر می دهد و از یک مدار به مداردیگر منتقل می شودکه در موردفرود آمدن به مدارپائین تر و در مورد صعود کرن به مدار بالاتر منتقل میشودبا تکرار این عمل فضاپیما به مسیر فرود یا صعود می رسد تغییر مدارفضاپیما برای اوج گرفتن و یا فرود آمدن را مانور مداری می نامند که به سرعت اولیه و شکل فضاپیما و ماموریت فضاپیما بستگی دارد و ما در مقاله ای دیگر مفصل در مورد آن توضیح می دهیم .
شکل شماره ۷ – مانور مداری فضاپیما برای فرود روی زمین
۲) زاویه برخورد به جو
فضاپیمائی که از فضا بر می گردد ابتدا اقدام به مانور مداری می کند در آخرین مرحله سرعت فضاپیما تا حدود ۲۷۳۶۰ تا ۲۸۹۷۰کیلومتر درساعت می رسد ( ۸Km/S-7.6Km/S) فضاپیما با چنین سرعت بالائی (و حتی بیشتر) باید وارد جو شود اگر در این شرایط فضاپیما به صورت عمودی(مانند سقوط آزاد) واردجو شود نابودی آن حتمی می باشد. بنابر این حتی الامکان باید به صورت افقی وارد شده که در این صورت اگر چه مسیر فرود طولانی تر می شود ولی سفینه سالم به زمین می رسد.در صورتی هم که فضاپیما با زاویه خیلی افقی(با زاویه باز) به جو برخورد کند بر اثر نیروهای آیرودینامیکی به فضا برگشته و در اعماق فضا سرگردان می شود.بنابر این زاویه برخورد به جو اهمیت بسیار زیادی دارد که باید به دقت محاسبه شود.برای محاسبه زاویه فرود باید موتور اصلی فضاپیما قبل از انتخاب زاویه فرود به مدت ۴تا ۵دقیقه فعال شود و در موقع ورود به جو ، زاویه فرود توسط کامپیوتر سفینه محاسبه شده و مسیر برخورد با جو انتخاب می شود.(شکل۷)
شکل شماره ۸ – زاویه درست برخورد فضاپیما با جو
۳) زاویه برخورد به جو به چه عواملی بستگی دارد؟
زاویه فرود برای همه فضاپیماها یک اندازه نیست این زاویه به عوامل مختلفی همچون : سرعت اولیه فضاپیما ، شکل فضاپیما و در نهایت مسیری بستگی دارد که فضاپیما می خواهد طی کند.که در ادامه توضیح می دهیم مثلا زاویه فرود برای فضاپیماهائی همچون فضاپیماهای آپولو با شاتل ها (که شکل و هدف آنها به کلی تفاوت دارد) تفاوت زیادی دارد از طرفی این زاویه به مسیرفرود هم بستگی دارد که در قسمت بعدی توضیح می دهیم. همچنین این زاویه به قدرت سپرهای حفاظتی(نقطه ذوب و مقاومت و…) هم بستگی دارد که هر چه سپرهای حفاظتی قوی تر باشد دامنه انتخاب شده برای زاویه فرود هم بیشتر می باشد. با همه این تفاصیل نکته ای که بسیار مهم بوده و برای فرود کماکان به قوت خود باقی می ماند . این است که اگر زاویه فضاپیما خیلی بازباشد فضاپیما به جای بازگشت به جو به فضا برمی گردد و اگر خیلی عمودی باشد دمای فضاپیما آنقدر بالا می رود تا فضاپیما بسوزد و از بین برود .
۳)مسیر های ورود فضاپیما به جو زمین
مسیرهای ورود کنترل شده به جو را می توانیم به سه قسمت تقسیم کنیم . اختلاف این مسیرها به اختلاف مسافت اولین نقطه برخورد با جو زمین و نقطه ای که فضاپیما در پایان سفردر آنجا فرود می آید بستگی دارد. و این مسافت هم تاحد زیادی با مقدار نیروی “ برا “(نیروی جلو برنده) ونیروی پسار” نیروی مقاومت هوا “ بستگی دارد.همچنین شکل فضاپیما و ماموریت آن و… هم در انتخاب مسیر ورود به جو سهم مهمی دارد.
۴)مسیر بالستیک
مسیری است که اکثر فضاپیماها و موشک های نظامی در بازگشت به جو در پیش می گیرند، در این مسیر فضاپیما(یا موشک)نیروی بالا برنده آیرودینامیکی بسیار کمی تولید می کند به صورتی که نیروهای پسار و برا که فضاپیما تولید کمی کندبرابرشده (نسبت نیروی برا به پسار تقریبا برابر یک می باشد) و فضاپیما می تواند به موقع با باز کردن چترهای نجات فرود نرم و سالمتری داشته باشد.عیب این روش در این است که سرنشینان فضاپیما هیچگونه کنترلی برمسیر فرود و همچنین نقطه فرود بر روی زمین ندارند محل فرود فضاپیما را محل برخورد به جو و سرعت اولیه فضاپیما و زاویه برخورد مشخص می کند .
۵)روش سر خوردن
در این روش فضاپیما مانند یک هواپیما که با موتور خاموش حرکت می کند با زاویه ای بسیار مایل به جو برخورد کرده که این عمل نیروی برا(جلو برنده)را بشدت افزایش می دهدیه گونه ای که نیروی برابیش ازچهار برابرنیروی پسار می شود و فضاپیما مانند یک هواپیمای بدون موتور به آرامی بر روی زمین فرود می آید.بزرگترین مزیت این روش در این است که سرنشینان فضاپیما می توانند کنترل بیشتری بر روی فضاپیما داشته باشند و فضاپیما را حتی در یک باند فرود نشانده تا دوباره مورد استفاده قرار گیرد . استفاده از این روش به شکل فضاپیما بستگی کامل دارد شاتل ها و سفینه هائی که باید چندین بار مورد استفاده قرار گیرند(یک بار مصرف نیستند) از این روش استفاده می کنند. ولی اگر شکل فضاپیما مناسب نباشد نمی تواند از این روش استفاده کند .
۶)روش باشتاب
در این روش در ابتدا فضاپیما با قسمت بالائی جو تماس پیدا می کند که بر اثر این تماس و مقاومت جو (نیروی پسا) قدری ازسرعت فضاپیما کاسته شده و در مقابل یک نیروی برا (جلوبرنده ) ایجاد می شود که ۴برابر نیروی پسا می باشد این نیروی برا دوباره فضاپیما را از جو خارج می کند و باز فضاپیما به جو برمی گردد و باز هم از انرژی فضاپیما کاسته می شود و چند بار که این عمل انجام شد سرعت فضاپیما به اندازه کافی کاهش پیدا می کند تا بتواند به آرامی وارد جو شود یعد از آن فضاپیما می تواند با مسیری بالستیک واردجو شود. بزرگترین ایراد این روش در این است که گرمای زیادی ایجاد می کند و فضاپیما سریعتر گرم می شود و باید پوشش فضاپیما قطورتر و محکم تر باشد که همین عمل وزن فضاپیما را بالاتر می برد.ولی حسن این عمل در این است که نسبت به دو روش قبل فضاپیما می تواند در ارتفاع به مراتب پائین تری حرکت کند.به دلیل خطرات ناشی از این روش سعی می شود کمتر ازاین روش استفاده کنند.
مهمترین نکته در پائین آوردن سرعت فضاپیما دراین است که این کار باید به آرامی انجام شود و نباید سعی کرد سرعت فضاپیما به صورت ناگهانی و بسرعت کم شود .
۸- سپرحفاظتی
ورود به جو زمین(و کلا همه کراتی که دارای جو می باشند)خطرناکترین قسمت از مأموریت فضاپیماها میباشد. ورود فضاپیماها بدون سپرحفاظتی به جو موجب انهدام و نابودی فضاپیما میشود بنابر این فضاپیماها و شاتل ها برای ورود به جو نیازمند سپرحفاطتی می باشند. در این بخش در مورد سپرحفاظتی توضیح می دهیم .
شکل شماره ۹ – ایستگاه فضائی چین که بدون تمهیدات ایمنی داخل جو شد و سوخت و از بین رفت
۱) تاریخچه سپر حفاظتی
رابرت گُداردبا مطالعه شهاب سنگ ها دریافت که علی رغم حرارت و فشارهای شدیدی که به شهاب سنگ وارد میشود درون شهاب سنگ همچنان سرد و بدون آسیب باقی مانده و فقط قسمت بیرونی شهاب سنگ بر اثر گرمای شدید میسوزد.بنابر این پیشنهاد کرد که برای بازگشت فضاپیماهائی که درآینده از فضا به زمین برمی گردند می توان روی آنها را باماده ای محکم و نسوز و عایق در برابر گرما پوشاند تا ازگرمای وحشتناکی که در بازگشت به جو مواجه می شود صدمه ای نبیند.بخصوص که می توان کاری کرد که سرعت سقوط فضاپیماها از شهاب سنگ ها کمتر باشد.بنابر این درسال۱۹۲۰اصطلاح سپر حرارتی را برای نخستین بار توصیف کرد.
بعد ازجنگ جهانی دوم و با شروع رقابت تسلیحاتی و بعدرقابت فضائی بین دو ابر قدرت(آمریکا و شوروی)و ساخت موشک های فضائی(برای مطالعه در مورد رقابت فضائی به مقاله “رقابت فضائی” مراجعه کنید) لزوم استفاده از سپرحفاظتی بیش از پیش آشکار شدسرانجام در سال۱۹۵۱اولین سپرحرارتی توسط هری آلن و جونیور و دانشمندان و متخصصان دیگر از کمیته مشاوره ملی هوانوردی ساخته شد.که در ابتدا به عنوان یک راز نظامی نگهداری شد ولی بعد از این که لو رفت در سال ۱۹۵۸منتشر شده و در دسترس همه قرار گرفت .
۲)چه پرتابه هائی نیازبه سپرحرارتی دارند؟
در واقع موشک های بالستیک که ازجو خارج شده و دوباره به جو برمی گردند برای جلوگیری از صدمه رسیدن نیازمندسپرحفاظتی هستند(بسیاری از موشک هایV2 آلمانی ها بخاطر نداشتن سپرحفاظتی قبل از رسیدن به هدف در هوا منفجر می شدند) بنابر این توسعه موشک های بالستیک که بتواند درست هدف گیری کند تنها بعد از ساخته شدن سپرحرارتی امکان پذیر شد.همچنین فضاپیماهائی(با سرنشین یا بدون سرنشین)که به فضا رفته و قصدبازگشت به زمین را دارند برای عبور ازجو باید مجهز به سپرحرارتی باشد.فضاپیماهائی هم که قصدفرود بر روی سیارات دارای جو(مانندمریخ )را دارند همباید سپرحرارتی داشته باشند ولی فضاپیماهائی که قصدعبور از جو زمین و یا سایر سیارات دارای جو را نداشته باشند(مانندماهواره ها )نیاز به سپرحرارتی ندارند.
۳) از سپرحرارتی در چه صنایعی استفاده می شود ؟
مهمترین کاری که یک سپرحرارتی انجام می دهدجلوگیری از نفوذ گرما می باشد.و درصنایع مختلف ازسپر گرمائی استفاده میشود.(در مسلسل و جنگ افزارهای نظامی،درصنایع اتومبیل سازی،صنایع هواپیمائی و…سفینه هاوشاتل های فضائی)که آنچه در ادامه توضیح میدهیم در مورد انواع سپرهابی حفاظتی در سفینه ها و شاتل ها و…می باشد.بحث در مورد سایر کاربرد های سپر حرارتی از حوصله این مقاله خارج است.
۴) مشخصات سپر حرارتی
سپر حرارتی گرمای ایجاد شده در موقع ورود به جو را در خود ذخیره کرده و به هوا تابش می کند و مانع از نفوذ گرما به داخل فضاپیما و شاتل و …می شود . مشخصات سپرحرارتی از این قرار است :
۴-۱)سبک بودن : سپرحرارتی هرچه سبکتر باشد بهتر است زیرا سنگین بودن سپر حرارتی وزن فضاپیما و … را زیاد کرده و این موضوع هزینه های خروج فضاپیما و سرعت آن را موقع خروج از جو کاهش می دهد .
۴-۲)نقطه ذوب بالا:وقتی فضاپیما واردجو می شود بر اثر نیروهای آیرودینامیکی دمای آن به هزاران درجه می رسد و اگر نقطه ذوب سپرحرارتی پائین باشد دمای بالا سپرحرارتی را ذوب کرده و فضاپیما نابود میشود.
۴-۳) هدایت حرارتی پائین(عایق بودن) : سپرحرارتی برای محافظت فضاپیما از دمای بالای ایجاد شده می باشد بنابر این باید از مواد عایق حرارت ساخته شده تا مانع از نفوذ گرما به درون فضاپیما شود .
۴-۴) محکم و بادوام بودن :یکی از خصوصیات سپرحرارتی محکم بودن می باشد. اگر سپرحرارتی شکننده و کم دوام باشد بر اثرنیروهای آیرودینامیکی وارد شده شکسته و خرد شده و نابود می شود ودر پی آن فضاپیما هم ازبین میرود این همان بلائی بود که باعث انهدام و کشته شدن فضانوردان شاتل کلمبا در سال۲۰۰۳ شد.
۵) مواد استفاده شده در سپرهای حرارتی
برای ساخت سپرهای حرارتی از موادی استفاده می شودکه مشخصات آن را درقسمت ۵ ذکر کردیم .
۵-۱) آلیاژهای تیتانیوم: اولین سپرهای حرارتی از الیاژهای تیتانیوم بود ولی بعلت عایق نبودن کافی دیگر از آنها استفاده نشد .
۵-۲)انواع رزرین ها : موادی همچون رزین ها (رزین ها مواد چسبنده ای هستند که به صورت طبیعی شامل صمغ درختان می باشد ولی چون در صنایع مختلف کاربرد دارند به صورت مصنوعی هم تولید شده اند) رزین ها خواص ایده آلی دارند یکی از رزین ها که کاربرد فراوانی در این مورد دارد “رزین اپوکسی” می باشد که در سفینه های آپولو از آنها استفاده شده است .
شکل شماره ۱۰ -قسمتی از سپر حرارتی آپولو ۱۲ که با رزین آپوکسی پوشیده شده است
۵-۳)سرامیک هاو کاشی های سیلیسی: یکی از موادی که هم نقطه ذوب بالا داشته و هم محکم و باوام می باشد سرامیک ها و کاشی های مخصوص می باشد این کاشی ها متخلخل بوده (٪۹۰ حجم آنها هوا می باشد)به گونه ای که با داشتن نقطه ذوب بسیار بالا بخوبی حرارت را ذخیره کرده و به هوا بازتاب می دهد .
شکل شماره ۱۱ – دماغه یک شاتل که با سپر حرارتی پوشیده شده است
شکل شماره ۱۲ – کاشی های سیلیس برای حفاظت شاتل
۵-۴)فیبرهای کربنی: از فیبرهای کربنی بخاطر سبک بودن و داشتن نقطه ذوب بالا و خواص عالی فیبرها استفاده می کردند ولی مشکل این فیبرها شکنندگی آنها بود که منجر به فاجعه شاتل کلمبیا شد.
۵-۵)انواع کامپوزیت های بادوام : کامپوزیت به ماده ای می گویند که خود شامل چندین ماده مختلف بوده که لایه لایه روی هم چیده شده اند برای ساخت سپرهای حرارتی چندین ماده مناسب را به صورت لایه هائی روی هم قرار می دهند که کامپوزیت عالی می سازند .
۵-۶)سپرحفاظتی بادی: این سپرجدیدترین اختراع ناسا می باشد.در این نوع سپر یک لایه بسیار نازک از یک ماده انعطاف پذیر و مقاوم روی فضاپیما را می گیرد به محض ورود فضاپیما به جو توسط یک سیستم نیتروژن به داخل سپر تزریق شده و یک سیستم محافظ قوی را تشکیل می دهد .
شکل شماره ۱۳ – سپر حرارتی بادی ساخت ناسا
۹- آخرین مراحل فرود
بعد از رسیدن فضاپیما به جو اولین لحظه های خطرناک شروع می شود.فضاپیما باید به سلامت وارد جو شده و از این مرحله عبور کند در مورد عبور فضاپیما ازجو که دغدغه همیشگی فضانوردان می باشد در بخشهای قبلی توضیح دادیم بعد از گذر از این مرحله فضاپیما باید به سلامت بر روی زمین یا دریا فرود بیایند
۱) از بین رفتن ارتباط رادیوئی
یکی از مسائلی که فضانوردان را نگران می کند این است که از همان لحظه های آغازین ورود به جو در حالی که فضانوردان نیاز به راهنمائی و کمک از زمین دارند ارتباط رادیوئی قطع می شود علت این امر جمع شدن گازهای داغ و فشرده در اطراف فضاپیما می باشد ولی این مسئله نباید مورد نگرانی فضانوردان شود زیرا اندکی بعد بر اثر خنک تر شدن فضاپیما ارتباط رادیوئی مجدد برقرار می شود .
۲) از عبور از جو تا باز شدن چترهای نجات
در مراحل ابتدائی ورود فضاپیما به جو و در حالی که سرعت فضاپیما هنوز بسیار زیاد می باشد نمی توان از چترهای نجات استفاده کرد زیرا سرعت بالا و رقیق بودن جو و فاصله زیاد تا زمین کارائی چترها را از بین می برد موقعی که سرعت فضاپیما با مانورهای ورود به جو که شرح آن گذشت به اندازه کافی کم شدو فضاپیما به نزدیکی زمین رسید می توان چترهای نجات را بازکرد و بقیه مراحل فرود را به کمک چترهای نجات طی کرد.
در صورتی هم که چترهای نجات دیر بازشود این امکان هست که چتر نجات هم نتواند فضاپیما را نجات بدهد. نکته دیگر این که طناب های چتر باید بسیار محکم بوده تا تحت فشار شدید بخصوص موقع باز شدن چتر پاره نشود (از کابل های فولادی باید استفاده شود) و چتر یدکی حتما باید باشد.
نکته : دربعضی از ماموریت های نخستین فضانوردان به چترهای نجاتی که سفینه را حفظ کنند اطمینانی نداشتند از این رو در آخرین مراحل که فضاپیما به نزدیکی دریا می رسید فضانوردان از سفینه بیرون پریده و با چتر نجات خود در دریا فرود می امدند .
۳) شروع باز شدن چترها
وقتی فضاپیما به طبقات پائین جو که غلیظ تر می باشد رسیده و سرعت فضاپیما به اندازه کافی کم شد در مرحله اول دو چتر ترمز باز شده تا سرعت فضاپیما به ۲۰۰Km/h برسد بعد این دو چتر از فضاپیما جدا شده و سه چتر اصلی باز می شود تا سرعت به ۳۵Km/h برسد البته سه چتر برای ایمنی حداکثر می باشد و دو چتر هم کافی است . (درماموریت آپولو ۱۵ یکی ازچترها باز نشد ولی فضاپیما به سلامت به زمین رسید )
شکل شماره ۱۴ – فرود فضاپیما با چتر نجات
۴)فرود در آب
بیشتر روی زمین را اقیانوس پوشانده پس بهترین کار این است که فضاپیما در آب فرود بیاید در این صورت بدنه فضاپیما باید بتواند روی آب شناور باشد و امکانات ارتباطی و ردیابی و وسائل ضروری برای چند روز را داشته باشد. (البته این یک قاعده کلی نیست و بسیاری از فرودها در خشکی هم انجام شده است )
شکل شماره ۱۵ – فرود آمدن فضاپیما در روی آب و تبدیل شدن فضاپیما به قایق
۱۰- فرود بر روی کرات دیگر
در بخش های قبل درباره فرود برروی زمین ازمرحله اول که عبور ازجو میباشدتا مراحل پایانی که فرود با چترنجات و برروی آب (یاخشکی)میباشد را شرح دادیم در این بخش درباره فرود بر روی کرات دیگر ( ماه و مریخ و…) توضیح می دهیم.و برای این منظوراز فرود روی ماه که توسط فضانوردان آپولو در دهه ۱۹۶۰میلادی شروع می کنیم .
۱) فرود بر روی ماه
جاذبه ماه یک ششم جاذبه زمین و سرعت فرار در ماه یک پنجم سرعت فرار در زمین می باشد ازطرفی دیگر ماه جو ندارد و نمی توان همانند زمین از طرف پهن فضاپیما و با استفاده از «نظریه دماغه پهن»و درنهایت با چتر نجات(همانطور که در روی زمین دیدیم )برروی ماه فرود آمد. راه فرود آمدن بر روی ماه و سیاراتی که جو ندارند کم کردن سرعت با استفاده از ترمز موشکی می باشد.در این روش موقعی که فضاپیما درارتفاع بالائی قرار دارد با استفاده ازترمز موشکی سرعت فضاپیما را کم کرده تابه آرامی فرود بیاید .بنابراین فرود بر روی ماه و سیاراتی که جو ندارند(همچنین صعود ازروی ماه )بسیار آسانتر از زمین میباشد تنها ایراد آن مصرف سوخت با ارزشی می باشدکه همراه فضاپیما می باشد.با تمام این وجود به دلائل فنی و صرفه جوئی در سوختی که سفینه فرماندهی قادر نبود با خود بردارد(در مقاله “صعود “ بخش سوم “۳- فرار از گرانش ماه “ این موضوع را کامل تشریح کردیم ) قرار شد وسیله ای به نام ماه نشین طراحی شده و رفت و برگشت فضانوردان به ماه با ماه نشین صورت بگیرد . ماه نشین که بسیار سبک ساخته شده بود توانست براحتی فضانوردان را به ماه برده و برگرداند . برای مطالعه در مورد سفر به ماه مقاله“آپولو یازده”و “در مسیر ماه “ را مطالعه کنید.
شکل شماره ۱۶ – سفینه ماه نشین آپولو ۱۱
۲) فرود بر روی مریخ
شتاب سطحی مریخ از زمین کمتر (حدود یک سوم) و از ماه بیشتر می باشد . از طرف دیگر مریخ نه همانند ماه فاقد جو بوده که بتوان تنها با اتکا به ترمز های موشکی بر روی مریخ فرود آمد و نه همانند زمین جوی ضخیم داشته که به کمک «نظریه دماغه پهن» و استفاده ازجو مریخ به عنوان ترمز گرانشی فرود آمد.بنابر این برای فرود بر مریخ باید از هر دو روش استفاده کرد .فرود بر روی سیارات اینچنینی مشکل تر از فرود بر روی زمین و ماه می باشد و دانشمندان با سختی توانستند روشی مناسب برای فرود در روی مریخ پیدا کنند. توضیحات بیشتر در مورد مریخ و فرود کاوشگرها در روی مریخ را در مقاله “ مریخ “ دنبال کنید .
شکل شماره ۱۷ – فرود بر روی مریخ با چتر و ترمز موشکی
۳) فرود بر روی سیارات بزرگ
در منظومه شمسی سیارات بزرگتر از زمین غول های گازی می باشند که سطح قابل نشستن ندارند و اگر فضاپیمائی وارد جو آنها بشود بر اثر نیروها و دمای آیرودینامیک که ایجاد می شود منهدم می شوند و از سپر حفاظتی که برای جو زمین طراحی شده کاری بر نمی آید تنها سیاره هم اندازه زمین ناهید می باشد که فشار جو آن ۹۰برابر زمین با دمای۴۷۰درجه و باران های اسیدسولفوریک مکانی جهنمی است که هیچ کاوشگری در سطح آن دوام نمی آورد.(حداکثر ۱۱۰دقیقه) از طرفی فرود و ماندن بر روی اجسامی که بسیار کوچک بوده و گرانش کمی دارند هم مشکل میباشدو باید فضاپیما خود را با گیره های نگهدارنده بر سطح جسم محکم کند.
۱۰ – خلاصه مطلب
حال فضاپیمائی را در نظربگیرید که به سفر فضائی(ماه و مریخ و… مدار زمین) رفته و قصد بازگشت به زمین را دارد . به نظر می رسد که این کار (فرود بر روی زمین و همچنین کرات دیگر ) سهل و ساده بوده و هیچگونه تکنولوژی بالائی نیاز ندارد . در این مقاله نشان دادیم که چنین نیست. و این کار اگر به درستی انجام نشود می تواند منجر به نابودی فضاپیما و کشته شدن فضانوردان شود .
در این بخش خلاصه ای از بخش های مختلف مقاله را ارائه می دهیم کسانی که به هر دلیل نمی توانند وقت گذاشته و کل مقاله را مطالعه کنند می توانند فقط این قسمت را مطالعه کنند .
۱)مروری بر چند اصطلاح در رابطه با فرود بر روی سیارات
برخواستن از روی سیارات کرات آسمانی و رسیدن به سرعت گریز و فرار از گرانش یک طرف قضیه بوده و فرود بر روی سیارات (بخصوص سیارات دارای جو ) یک طرف دیگر قضیه می باشد در بخش های بعدی در مورد ورود به جو (بازگشت به جو زمین) و مسائل در ارتباط با آن توضیح مفصل می دهیم قبل از آن چند اصطلاح را در این رابطه توضیح می دهیم . ( آیرودینامیک ، نیروی نیروی برا و پسار ، خط کارامان و سپر حفاظتی )
۲)مرز هوا و فضا
متاسفانه تعریف دقیقی برای مرز میان هوا و فضا وجود ندارد زیرا اتمسفر زمین به یکباره قطع نمی شود که بتوان پایان اتمسفر را پایان هوا و شروع فضادرنظر گرفت بلکه به آرامی رقیق و رقیق تر شده تا آنگاه که بکلی ناپدید شود یکی از مرزهائی که برای هوا و فضا تعیین کردند خط کارامان می باشد که از ارتفاع ۱۰۰ کیلومتری شروع می شود در این بخش در مورد خط کارامان توضیح می دهیم .
۳)سقوط درجو
حرکت اشیاء به سمت داخل گازهای موجود درجو یک سیاره از فضای بیرونی آن را ورودبه جو سیاره می نامند. این ورود به دو صورت انجام می شود.ورود کنترل شده مانند فضاپیماها و شاتل ها و…ساخته های دست بشر و ورود کنترل نشده مانند سنگ های آسمانی و …در این بخش در مورد ورود کنترل نشده به جو زمین توضیح داده و نشان می دهیم که وقتی جسمی به صورت کنترل نشده وارد جو زمین می شود چه نیروهائی به آن وارد شده و چه بر سرش می آید.همچنین به نقش جو زمین درحفاظت از موجودات زمینی درمقابل برخورد شهاب سنگ ها توضیح می دهیم.و نشان می دهیم که سنگ های مهاجم بر اثر وارد شدن به جو می سوزند و از بین میروند و فقط تعداد کمی به زمین میرسند و جو زمین مانع از رسیدن شهاب سنگ ها به زمین می شود.
شکل شماره ۱۸ – ورود و سوختن شهاب سنگ
۴)نظریه دماغه پهن و شکل فضاپیماها
فضاپیمائی را درنظر بگیرید که ازجو زمین خارج شده و به فضا رفته است تا ماموریتی را انجام بدهد، حال این فضاپیما می خواهد دوباره به جو برگردد . اگر این فضاپیما تمهیدات کافی به کار نبرد و به صورت کنترل شده و درست واردجو نشود مانند یک شهاب سنگ در جو سوخته و نابود می شود و یا در بهترین حالت بشدت به سطح زمین برخورد کرده و تکه تکه می شود. در این بخش ابتدا در مورد این موضوع که فضاپیما از کدام سمت (جلو یا عقب) واردجو شود توضیح داده و در بخش های بعدی مسائل دیگر را در رابطه با ورود فضاپیما به جو و فرود آن بر روی زمین و مسائل و مشکلات مربوط به آن توضیح می دهیم .
۵)ورود فضاپیما به جو
برای ورود سالم وبی خطر یک فضاپیما به جو در درجه اول فضاپیما باید یک شکل صحیح داشته باشد و به صورت درست ازجو خارج و به صورت درست به جو وارد شود.بنابر این فضاپیما باید از سر دوکی شکل و تیز برای “ کم کردن مقاومت هوا “ ازجو خارج و از انتهای پهن برای “افزایش مقاومت هوا “به جو وارد شود (نظریه دماغه پهن) در این بخش در مورد زاویه و نحوه ورود به جو توضیحات کافی می دهیم .
شکل شماره ۱۹ – ورود فضاپیما به جو و داغ شدن سپر حرارتی
۶)سپرحفاظتی ( حرارتی )
ورود به جو زمین(و کلا همه کراتی که دارای جو می باشند)خطرناکترین قسمت از مأموریت فضاپیماها میباشد. ورود فضاپیماها بدون سپرحفاظتی به جو موجب انهدام و نابودی فضاپیما میشود بنابر این فضاپیماها و شاتل ها برای ورود به جو نیازمند سپرحفاطتی می باشند. در این بخش در مورد سپرحفاظتی توضیح می دهیم .
شکل شماره ۲۰ – پوشاندن فضاپیما با سپر حرارتی
۷)آخرین مراحل فرود
بعد از رسیدن فضاپیما به جو اولین لحظه های خطرناک شروع می شود.فضاپیما باید به سلامت وارد جو شده و از این مرحله عبور کند در مورد عبور فضاپیما ازجو که دغدغه همیشگی فضانوردان می باشد در بخشهای قبلی توضیح دادیم بعد از گذر از این مرحله فضاپیما باید به سلامت بر روی زمین یا دریا فرود بیایند
۸)فرود بر روی کرات دیگر
در بخش های قبل درباره فرود برروی زمین ازمرحله اول که عبور ازجو میباشدتا مراحل پایانی که فرودباچترنجات و برروی آب(یاخشکی)میباشد را شرح دادیم دراین بخش درباره فرود بر روی کرات دیگر (ماه و مریخ و…) توضیح می دهیم.و برای این منظوراز فرود روی ماه که توسط فضانوردان آپولو در دهه ۱۹۶۰میلادی شروع می کنیم .
برای مطالعه سایر مقاله های نجومی روی شکل زیر کلیک کنید.
برای مطالعه مقاله های روانشناسی اینجا را کلیک کنید .
عکس های طبیعت, طبیعت خوانسار , شکوفه های بهاری , گلستان کوه ,دانلود آلبوم های کامل بهترین و زیباترین عکس ها ,آلبوم هائی با صدها عکس کیفیت بالا , در هیچ کجای اینترنت این عکسها را پیدا نمیکنید , عکس هابدون استفاده از تکنیک های فتوشاپ تهیه شده , کاملا طبیعی
برای آموزش کامل و حرفه ای گوگل مپ روی شکل زیر کلیک کنید
۱) هر گونه اظهار نظر را در فرم اظهار نظر کاربران وارد کنید .
۲) نظرات بعد از تایید مدیریت نشان داده می شود .
۳) با انتقادات و پیشنهادات سازنده خود ما را هرچه بیشتر همراهی کنید . مدیریت از انتقادات و پیشنهادات سازنده شما استقبال میکند .
۴) نوشته های قرمز پر رنگ ارجاع به لینک هستند که هنوز لینک آنها قرار داده نشده است ( هنوز صفحه آنها منتشر نشده است )
۵) نوشته های آبی پر رنگ ارجاع به لینک هستند که لینک آنها قرار داده شده است (صفحه آنها منتشر شده است )
۶) هرگونه بهره برداری : کپی تمام و یا قسمتی از مطالب این سایت بدون ارجاع منبع آن ممنوع می باشد .
۷) تکثیر فایل های Pdf با ذکر منبع آزاد ولی فروش آن تحت هر عنوان و با ذکر منبع هم ممنوع می باشد.
