مهندسی بی‌نهایت: انرگیا-بوران؛ پاسخ شرق به شاتل فضایی ناسا

فهرست

درحالی‌که در ایالات‌متحده، برنامه‌ریزی‌های سازمانی تاثیر بسزایی بر سرنوشت پروژه‌های فضایی داشته و دارند؛ در اتحاد جماهیر شوروی، برخی از شخصیت‌ها نقشی کلیدی و تاحدی فراسازمانی را در زمینه‌ی برنامه‌ریزی‌های فضایی بازی می‌کردند. بی‌شک، در میان نقش‌آفرینان صنعت فضایی شوروی، می‌توان از سرگئی پاولوویچ کارالیوف به‌عنوان بانفوذترین چهره یاد کرد.

به‌لطف موفقیت پروژه‌های اسپوتنیک (ارسال اولین ماهواره به فضا) و وستوک (ارسال اولین انسان به فضا) در اواخر دهه‌ی ۵۰ و ابتدای دهه‌ی ۶۰ میلادی، کارالیوف، که از او با نام «طراح ارشد» یاد می‌شود؛ ‌بیشترین اعتبار را در میان طراحان برنامه‌ی فضایی شوروی کسب کرده بود. درحالی‌که کارالیوف بیشتر به‌واسطه‌ی مهارت‌های مدیریتی و طراحی راکت‌ها شناخته شده می‌شد؛ از والنتین گلوشکو نیز به‌عنوان بانفوذترین طراح پیش‌ران‌های فضایی در شوروی یاد می‌شود.

سرگئی پاولوویچ کارالیوف (سمت راست) و والنتین گلوشکو (سمت چپ)

زمانی‌که روس‌ها تصمیم گرفتند تا راکتی برای رسیدن به ماه طراحی کنند؛ شکی وجود نداشت که وظیفه‌ی طراحی راکت بر عهده‌ی کارالیوف خواهد بود و پیش‌ران‌های راکت هم توسط گلوشکو طراحی خواهند شد. اما در همان ابتدای برنامه‌ریزی‌ها، شکافی عمیق میان کارالیوف و گلوشکو ایجاد شد. گلوشکو در نظر داشت تا پیش‌رانی طراحی کند که از دی‌متیل‌هیدرازین نامتقارن (UDMH) و دی‌نیتروژن تتراکسید برای تولید نیرو استفاده می‌کرد؛ اما کارالیوف این ترکیب را خطرناک می‌دانست و خواستار استفاده از RP1 (نفت سفیدِ به‌شدت تصفیه‌شده) و اکسیژن مایع بود.

مقاله‌ی مرتبط:

پس از مدتی، اختلافات فنی میان کارالیوف و گلوشکو جنبه‌ی شخصی به‌خود گرفت. در دوران حکومت استالین، کارالیوف مدتی را در زندان و اردوگاه‌های کار اجباری گذرانده بود. به‌عقیده‌ی او، گلوشکو یکی از افرادی بود که با اعترافات خود زمینه‌ی زندانی شدن وی را فراهم کرده بودند. درنهایت، حتی رایزنی‌های انجام شده از سوی مقامات دولتی نیز کمکی به رفع اختلافات میان این دو شخص نکرد و کارالیوف مجبور شد تا برای طراحی پیش‌ران‌های راکت جدیدش، که N1 نام داشت، دست به دامن شخصی به‌نام نیکولای کوزنتسوف شود. کوزنتسوف تجربه‌ی فراوانی در زمینه‌ی طراحی پیش‌ران‌های جت داشت؛ اما تجربه‌ی وی در طراحی پیش‌ران‌های فضایی آن‌چنان زیاد نبود. با وجود تجربه‌ی محدودT کوزنتسوف پیش‌ران‌هایی طراحی کرد که بسیار جلوتر از زمان خود بودند؛ اما پیچیدگی‌های طراحی جدید کوزنتسوف، مشکلات زیادی را برای راکت N1 ایجاد کردند.

راکت N1

هشت سال پس از مرگ کارالیوف، در سال ۱۹۷۴، پروژه‌ی N1 پس از چندین پرتاب ناموفق به پایان رسید؛ اما پایان پروژه‌ی N1 و شکست روس‌ها در رسیدن به ماه، به این معنا نبود که آن‌ها دست از تلاش برای ساخت راکت‌های فوق سنگین کشیده بودند. پس از شکست سنگین پروژه‌ی N1 و نافرجامی روس‌ها در رساندن انسان به سطح ماه، گلوشکو توانست در پروژه‌ی طراحی و ساخت راکت فوق‌سنگین دیگری نقشی کلیدی داشته باشد؛ راکتی موسوم به انرگیا (Energia؛ به‌روسی: Энергия)، که از دیدگاه فنی، یکی از موفق‌ترین پروژه‌های فضایی اتحاد جماهیر شوروی بود.

فضاپیمای چندبارمصرف بوران و راکت انرگیا

اهمیت انرگیا تنها به توانایی‌های فنی قابل‌توجه آن مربوط نمی‌شود؛ انرگیا، وظیفه‌ی حمل اولین مدارگرد چندبارمصرف اتحاد شوروی را هم برعهده داشت. این مدارگرد بوران (Buran؛ به‌روسی: Буран) نام داشت و از آن به‌عنوان پاسخ روس‌ها به شاتل فضایی یاد می‌شود. در حقیقت، توسعه‌ی راکت انرگیا و مداگرد بوران، در قالب برنامه‌ی «سیستم فضایی چندبارمصرف» صورت گرفت. برنامه‌ای که همانند برنامه‌ی طراحی و ساخت شاتل، با هدف کاهش هزینه‌ی سفرهای فضایی شروع شده بود.

البته برخلاف شاتل که به‌طور یک‌پارچه طراحی شده بود؛ طراحی راکت انرگیا به‌گونه‌ای بود که می‌توانست محموله‌هایی به‌غیر از مدارگرد بوران را با خود حمل کند. در جریان پروژه‌ی سیستم فضایی چندبارمصرف، درکنار راکتِ حامل و مدارگرد، محموله‌ای آزمایشی و یک‌بارمصرف نیز توسعه داده شد که «پولیوس» نام داشت. ساخت دو هواپیمای ترابری اطلس و آنتونوف-۲۲۵ نیز از جمله دستاوردهای پروژه‌ی سیستم فضایی چندبارمصرف بود.

اجزای تشکیل‌دهنده‌ی پروژه‌ی سیستم فضایی چندبارمصرف

راکت انرگیا

در ماه مه ۱۹۷۴، پروژه‌ی موشک فوق‌سنگین N1 متوقف شد. هدف از طراحی و ساخت N1، رساندن انسان به سطح ماه بود؛ اما پس از شکست‌های پیاپی و صرف وقت و هزینه‌ی زیاد، روس‌ها از ادامه‌ی پروژه منصرف شدند. پس از شکست N1، دفتر طراحی سرگئی کارالیوف با دفتر طراحی والنتین گلوشکو ادغام شدند تا گلوشکو و همکارانش، طراحی راکت جدیدی را شروع کنند که قرار بود وولکان (Vulcan) نامیده شود. همانند N1، هدف از ساخت وولکان نیز رساندن کیهان‌نوردان روس به سطح ماه بود.

اما در فوریه‌ی ۱۹۷۶، برنامه‌ریزان فضایی شوروی با درخواست جدیدی به سراغ گلوشکو آمدند. آن‌ها خواستار طراحی راکتی بودند که توانایی حمل مدارگردی مشابه شاتل فضایی آمریکایی‌ها را داشته باشد. هرچند روس‌ها در ابتدا در رابطه با طرح شاتل‌ خوش‌بین نبودند؛ اما به‌تدریج نگرانی آن‌ها پیرامون جنبه‌های نظامی برنامه‌ی شاتل افزایش یافت و همین نگرانی‌ها آن‌ها را متقاعد کرد تا فضاپیمایی شبیه به شاتل طراحی کنند.

از مجموعه مقالات مهندسی بی‌نهایت

گلوشکو که ریاست دفتر طراحی انرگیا را در اختیار داشت، طرحی با نام انرگیا-بوران را ارائه داد. براساس این طرح، یک راکت فوق‌سنگین با توانایی حمل مدارگردی مشابه شاتل ایجاد می‌شد؛ اما این راکت می‌توانست محموله‌های دیگر را هم به فضا ارسال کند. درحالی‌که وظیفه‌ی طراحی راکت برعهده‌ی دفتر طراحی انرگیا بود؛ دفتر طراحی مولنیا نیز مسئولیت ساخت مدارگرد بوران را برعهده گرفت.

ساختار انرگیا

راکت پرتاب‌گر انرگیا، در اصل قرار بود یک خانواده‌ی گسترده از راکت‌ها را تشکیل دهد. این راکت از یک هسته‌ی مرکزی استفاده می‌کند که می‌تواند به حداکثر ۸ بوستر (تقویت‌کننده) مجهز شود؛ البته در دو پرتاب انجام‌شده توسط این راکت، تنها از ۴ بوستر استفاده شد. برای تأمین نیروی لازم جهت پرتاب انرگیا هم از ترکیب اکسیژن و هیدروژن استفاده می‌شد؛ ترکیبی که در مقایسه با سوخت استفاده شده در راکت‌هایی مانند پروتون، ضرر بسیار کمی به طبیعت وارد کرده و نیروی بیشتری هم تولید می‌کند. از دیدگاه تئوری، با اتصال ۸ بوستر به بخش مرکزی انرگیا، امکان رساندن محموله‌ای ۲۰۰ تنی به مدار نزدیک زمین (LEO) وجود داشت.

هسته‌ی مرکزی و چهار بوستر جانبی انرگیا

انرگیا که قوی‌ترین راکت طراحی شده در اتحاد شوروی است، دارای دو مرحله است. مرحله‌ی اول (بلاک A) که حول بخش مرکزی نصب می‌شود، شامل ۴ (تا ۸) بوستر سوخت مایع است. هرکدام از این بوسترها به پیش‌رانی موسوم به RD-170 مجهز هستند که دارای ۴ نازل خروجی است و از ترکیب سوختی موسوم به RG-1 (که شبیه به RP-1 است) و اکسیژن مایع نیرو می‌گیرد. این پیش‌ران، قوی‌ترین پیش‌ران با سوخت مایع و محفظه‌های احتراق چندگانه است و در حال حاضر نمونه‌های مشتق شده از آن در راکت‌های آنگارا، اطلس ۵ و انتاریز مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای مرحله‌ی دوم انرگیا (بلاک Ts) از چهار پیش‌ران RD-0120 استفاده شده است، که در بخش مرکزی قرار گرفته‌اند و از ترکیب اکسیژن و هیدروژن مایع استفاده می‌کند.

انرگیا قوی‌ترین راکت ساخته‌شده در شوروی است

تمام پیش‌ران‌های استفاده شده در راکت انرگیا از حلقه‌ی احتراق بسته استفاده می‌کنند؛ بدین شکل که گازهای خارج شده از توربین نیز مجددا به محفظه‌ی احتراق تزریق می‌شوند. چنین طرحی موجب افزایش بازده پیش‌ران‌ها می‌شود. برای افزایش ضریب اطمینان، پیش‌ران‌ها به‌صورت دو‌به‌دو و با فاصله‌ی زمانی اندکی از یکدیگر فعال می‌شوند. وظیفه‌ی کنترل نازل‌های پیش‌ران نیز برعهده‌ی یک سیستم کنترل هیدرولیک خودکار است که ضریب خطای آن حداکثر به ۱ درصد محدود می‌شود.

در جدول زیر می‌توانید مشخصات فنی مرحله‌ی اول (با چهار بوستر) و مرحله‌ی دوم راکت را مشاهده کنید.

نام پیش‌ران تعداد پیشران تراست (سطح دریا) تراست (خلاء) تکانه‌ی ویژه (سطح دریا) تکانه‌ی ویژه (خلاء) مرحله‌ی اول
RD-170 ۴ ۲۹۰۰۰ کیلونیوتون ۳۲۰۰۰ کیلونیوتون ۳۰۹ ثانیه ۳۳۸ ثانیه مرحله‌ی دوم
RD-0120 ۴ ۵۸۰۰ کیلونیوتون ۷۵۰۰ کیلونیوتون ۳۵۹ ثانیه ۴۵۴ ثانیه  فرایند پرتاب راکت انرگیا

آماده‌سازی راکت انرگیا و نصب محموله روی آن، طبق سنت همیشگی روس‌ها به‌صورت افقی انجام می‌شود. پس از رسیدن انرگیا و محموله به سکوی پرتاب، راکت به حالت عمودی در می‌آید تا باقی فرایند آماده‌سازی در همان حال به انجام برسد. به‌منظور افزایش ضریب اطمینان راکت، اکثر قطعات انرگیا دارای قطعه‌ی پشتیبان هستند. دراین‌میان می‌توان به کابل‌های متصل به بخش‌های متحرک، پمپ‌ها، منبع نیرو و جداکننده‌های انفجاری اشاره کرد. سیستم کامپیوتر داخلی نیز می‌تواند برخی تصمیمات را به‌صورت خودکار اتخاذ کند؛ تصمیماتی که می‌توانند احتمال از دست رفتن محموله را کاهش دهند. در نرم‌افزار کنترلی انرگیا، ۵۰۰ موقعیت اضطراری و رویه‌های مقابله با آن پیش‌بینی شده‌اند.

راکت انرگیا روی سکوی پرتاب

۱۴۶ ثانیه پس از شروع به‌کار راکت، درحالی‌که انرگیا محموله‌ی خود را به ارتفاع ۵۲ کیلومتری رسانده و با سرعت ۱.۸ کیلومتر بر ثانیه در حرکت است، بوسترهای مرحله‌ی اول به‌صورت دوبه‌دو (با فاصله‌ی زمانی ۱۵ تا ۲۵ ثانیه) از بخش مرکزی جدا می‌شوند. ۸ دقیقه بعد، بوسترها در محلی در ۴۲۶ کیلومتری نقطه‌ی پرتاب به زمین می‌رسند. سازندگان راکت، امکان تجهیز هر بوستر به چترها و راکت‌های کاهش‌دهنده‌ی سرعت را هم پیش‌بینی کرده بودند تا بتوان پس از هر پرتاب آن‌ها را بازیابی کرد. جالب اینجا است که حتی پروژه‌ای برای نصب بال‌های جمع شونده روی بوسترها هم کلید خورده بود؛ هرچند که این پروژه هیچ‌گاه به سرانجام نرسید. در دو پرتاب اولیه‌ی انرگیا، خبری از ابزارهای کاهش‌دهنده‌ی سرعت در بوسترهای جانبی نبود؛ چرا که به‌جای آن‌ها، ابزارهایی برای جمع‌آوری و ارسال داده‌های مربوط‌به عملکرد راکت روی بوسترها نصب شده بودند. براساس برنامه‌ریزی‌ها، در صورت بازیابی هر بوستر، امکان استفاده از آن‌ها در ۹ پرتاب دیگر وجود داشت.

مرحله‌ی دوم نیز ۴۷۶ ثانیه پس از شروع فعالیت راکت، در ارتفاع ۱۵۰ کیلومتری از محموله‌ی اصلی جدا می‌شود و در اقیانوس آرام سقوط می‌کند. بازگشت مرحله‌ی دوم به اقیانوس آرام باعث می‌شود تا از آلودگی بیشتر مدارهای نزدیک به زمین جلوگیری شود. در صورتی که راکت انرگیا در حال حمل مدارگرد بوران باشد؛ پس از جدا شدن از راکت، وظیفه‌ی رساندن بوران به مدار موردنظر، برعهده‌ی پیش‌ران‌های کوچک نصب شده روی مدارگرد خواهد بود.

پیش از پرداختن به محموله‌ی آزمایشی پولیوس، می‌توانید به کمک جدول زیر، برخی از مولفه‌های انرگیا را با دیگر راکت‌های سنگین مقایسه کنید.

انرگیا ساترن ۵ N1 فالکون هوی وزن (تن)
۲۴۰۰ ۲۹۷۰ ۲۷۵۰ ۱۴۲۱ تعداد مراحل
۲ ۲ یا ۳ ۵ +۲ وزن محموله به مدار نزدیک زمین (تن) ۱۰۰ ۱۴۰ ۹۵ ۶۳.۸ اولین پرواز ۱۹۸۷ ۱۹۶۷ ۱۹۶۹ ۲۰۱۸ پولیوس

راکت فوق‌سنگین انرگیا، درنهایت روز پانزدهم ماه مه سال ۱۹۸۷ از سکوی پرتاب خود در پایگاه فضایی بایکانور جدا شد تا رهسپار فضا شود. به این دلیل که در این تاریخ مدارگرد بوران هنوز آماده‌ی پرواز نبود، وظیفه‌ی حمل محموله‌ای غیرقابل بازگشت، موسوم به پولیوس (Polyus؛ به‌روسی: Полюс) برعهده‌ی انرگیا قرار گرفت. نام اصلی این محموله Skif-DM بود؛ اما به دلائلی، در رسانه‌های عمومی از نام پولیوس استفاده می‌شد. پولیوس قرار بود حامل نوعی سلاح لیزری باشد که به‌عنوان پاسخ روس‌ها به پروژه‌ی جنگ ستارگان شناخته می‌شد؛ اما در زمان پرتاب اعلام شد که پولیوس حامل مجموعه‌ای از ابزارها برای انجام چند آزمایش علمی در لایه‌های فوقانی اتمسفر بوده است. با وجود چنین ادعاهایی، نمی‌توان به‌طور قطع اطمینان داشت که محموله‌ی پولیوس صرفا ابزاری غیرنظامی بود یا خیر.

پولیوس

 براساس اطلاعات موجود، پولیوس چیزی شبیه به یک ایستگاه فضایی کوچک و خودکار بود که مجموعه‌ای از ابزارهای علمی را در خود جای داده بود. تولید امواج گرانشی مصنوعی در لایه‌های فوقانی اتمسفر، انجام آزمایشاتی مربوط‌به یونوسفر و تولید سیگنال‌های یونیزه با امواج بلند از جمله‌ی این آزمایش‌ها بودند. طول پولیوس حدودا ۳۷ متر بود و قطر آن به ۴.۱ متر می‌رسید. این محموله‌ی ۸۰ تنی از دو بخش تشکیل می‌شد؛ بخش کاربردی که وظیفه‌ی انجام مانورهای مداری، تأمین نیرو، ارسال اطلاعات به زمین، تنظیم دما و... را برعهده داشت و بخشی موسوم به AIM که ابزارهای آزمایشی را در خود جای داده بود. بخش کاربردی شباهت بسیار زیادی به ایستگاه فضایی سالیوت داشت و بسیاری از قطعات آن هم قطعات اضافه‌ی برخی فضاپیماهای قدیمی‌تر بودند که با تعدادی از قطعات ساخته شده برای ایستگاه فضایی میر-۲ ترکیب شده بودند. پولیوس دارای چهار پیش‌ران اصلی، ۲۰ رانشگر کمکی و ۱۶ رانشگر با دقت بالا بود تا بتواند به مدار مناسب دست پیدا کرده و موقعیت خود را در مدار تغییر دهد.  نیروی لازم برای ابزارهای آزمایشی پولیوس هم با استفاده از پنل‌های خورشیدی تأمین می‌شد.

اولین و تنها پرتاب پولیوس

پرتاب پولیوس، که اولین پرتاب راکت انرگیا نیز بود، برای سپتامبر ۱۹۸۶ برنامه‌ریزی شده بود؛ اما به‌دلیل مشکلات و تاخیرهای متعدد، برنامه‌ی پرتاب به ماه مه ۱۹۸۷ موکول شد. پرتاب انرگیا-پولیوس آن‌چنان رویداد مهمی بود که رهبر وقت شوروی، میخائیل گورباچف به پایگاه فضایی بایکانور سفر کرد تا شاهد پرتاب انرگیا-پولیوس باشد. بااین‌حال، دست‌اندرکاران پروژه که احتمال می‌دادند این پرتاب ناموفق باشد، با استفاده از بهانه‌های مختلف پرتاب را به تعویق انداختند. آن‌ها می‌دانستند که گورباچف قرار است روز سیزدهم ماه مه عازم نیویورک شود و نمی‌تواند مدت زیادی را در بایکانور سپری کند.

پولیوس و راکت انرگیا

از سوی دیگر، گورباچف هم صرفا برای بازدید از انرگیا-پولیوس به بایکانور نیامده بود؛ هدف اصلی وی، کسب اطمینان از این مسئله بود که پولیوس حامل هیچ‌گونه سلاح فضایی بالقوه‌ای نیست. پس از عزیمت گورباچف از بایکانور، روز ۱۵ مه به‌عنوان تاریخ پرتاب انرگیا-پولیوس تعیین شد. تکنیسین‌ها آماده‌بودند تا در ساعت ۳ عصر به وقت محلی (۴ عصر به وقت مسکو) فرمان پرتاب را صادر کنند؛ اما برخی مشکلات فنی کار را به تعویق انداخت. درنهایت، در ساعت ۸:۳۰ شب، فرمان پرتاب صادر شد؛ هرچند که همین پرتاب شروعی بود برای مجموعه‌ای از مشکلات جدید.

در اولین ثانیه‌های پرتاب، راکت انرگیا به‌طور خطرناکی به‌سمت چپ حرکت کرد. این حرکتِ ناخواسته به سمت چپ، حاصل اشکال در الگوریتم‌های کنترل پرواز بود؛ اما چند ثانیه بعد، سیستم کنترل خودکار پرواز توانست این تغییر زاویه را اصلاح کند. لازم به ذکر است که مشکل مربوط‌به الگوریتم کنترل پرواز در پرتاب دوم انرگیا برطرف شد.

لحظه‌ی پرتاب انرگیا-پولیوس

براساس برنامه‌ریزی‌های انجام شده، ۴۶۰ ثانیه پس از پرتاب، در ارتفاع ۱۱۰ کیلومتری، پولیوس از انرگیا جدا می‌شد. اما پس از همین جدا شدن، زنجیره‌ای از مشکلات موجب شدند تا پولیوس نتواند در مدار موردنظر قرار گیرد و درنهایت با پروازی بالستیک به سمت زمین بازگردد؛ پروازی که به قعر اقیانوس آرام ختم شد. زمانی‌که پولیوس از انرگیا جدا شد، از ۱۶ رانش‌گرِ دقیق که وظیفه‌ی پایدارسازی موقعیت فضاپیما را برعهده داشتند، تنها یک رانش‌گر فعال ‌شد؛ با این وجود، فرایند اصلاح موقعیت پولیوس ادامه پیدا کرد. این فرایند قرار بود باعث چرخش ۱۸۰ درجه‌ای پولیوس در مدار شود؛ اما پس از انجام چرخش ۱۸۰ درجه‌ای، رانش‌گرهای کنترل‌کننده به فرمان توقف پاسخ نمی‌دادند. درکنار این مشکلات، پس از فعال‌سازی پیش‌ران‌های اصلی نیز مشخص شد که این پیش‌ران‌ها از سرعت کافی برای قرار دادن پولیوس در مدار برخوردار نیستند. مجموع این مشکلات به‌معنای ناکامی در قرارگیری پولیوس در مدار بود.

دستاوردهای پرتاب انرگیا-پولیوس

هرچند در جریان پرتاب انرگیا-پولیوس، فضاپیمای پولیوس نتوانست در مدار مناسب قرار گیرد؛ اما همین پرتاب به‌منزله‌ی یک پیروزی تمام‌عیار برای راکت انرگیا بود. چرا که این راکت مأموریت خود را با موفقیت کامل به انجام رسانده بود. این موفقیت اعتماد به‌نفس دست‌اندرکاران برنامه‌ی فضایی شوروی را افزایش داد تا با جدیت بیشتری برنامه‌ی پرتاب مدارگرد بوران توسط راکت انرگیا را دنبال کنند.

گورباچف نگران جنبه‌های نظامی محموله‌ی پولیوس بود

داده‌های جمع‌آوری شده در جریان مأموریت انرگیا-پولیوس، اطلاعات ارزشمندی را در اختیار کارشناسان قرار داد تا از رخ دادن مشکلات احتمالی در جریان پرتاب بوران جلوگیری کنند. شکی نیست که مأموریت پرتاب بوران، به‌مراتب مهم‌تر از مأموریت پرتاب پولیوس بود. اثبات توانایی انرگیا در حمل محموله‌هایی که به‌صورت نامتقارن روی راکت نصب شده‌اند نیز از دیگر دستاوردهای مأموریت انرگیا-پولیوس بود. به کمک این مأموریت، طراحان انرگیا با مشکلات و کاستی‌های موجود در رویه‌ی پرتاب راکت هم بیشتر آشنا شدند و می‌توانستند این مشکلات را تا زمان پرتاب بوران برطرف کنند.

بوران و پیشینه‌ی فضاپیماهای چندبارمصرف در شوروی

حتی پیش از ورود اولین انسان به‌فضا، علاقه‌مندان به کیهان‌نوردی در اندیشه‌ی ایجاد فضاپیماهایی چندبارمصرف بودند. در دهه‌ی ۳۰ میلادی، سرگئی کارالیوف و همکارانش در حال کار روی نوعی گلایدر بودند که به موتورهایی شبیه به موتورهای استفاده شده در راکت‌های فضایی مجهز بود. در دهه‌ی ۵۰ نیز دانشمندان شوروی برنامه‌های تحقیقاتی مختلفی در زمینه‌ی فضاپیماهای چندبارمصرف را دنبال می‌کردند؛ اما ایده‌های همین دانشمندان نیز تا حد زیادی از ایده‌ی دو دانشمند آلمانی به‌نام‌های یوجین سنگِر و آیرین بردت نشئات گرفته بود. سنگر و بردت ایده‌ی ساخت بمب‌افکنی را ارائه داده بودند که بخشی از مسیر خود را در فضا طی می‌کرد و می‌توانست اهدافی در خاک ایالات‌متحده را هدف قرار دهد.

پس از پایان جنگ جهانی دوم، ایده‌ها و نتایج تحقیقات دانشمندان آلمانی به دست محققین روس و آمریکایی افتاد. در اتحاد شوروی، ولادیمیر چلومی، که ریاست دفتر طراحی شماره‌ی ۵۲ در وزارت صنایع هوایی را برعهده داشت، از ایده‌های سنگر و بردت برای توسعه‌ی موشک‌های کروز و ارائه‌ی طرح مدارگرد فضایی بال‌دار استفاده کرد.

اولین تلاش‌ها

دو طرح «بوریا» (به‌معنای طوفان) و «زویِزدا» (به‌معنای ستاره) از جمله طرح‌هایی بودند که در اواسطه دهه‌ی ۵۰ و براساس ایده‌ی اولیه‌ی دانشمندان آلمانی ایجاد شده بودند. در طرح بوریا، که تا مرحله‌ی پرتاب‌های آزمایشی نیز پیش رفت، دانشمندان به‌دنبال ساخت موشک‌های کروز قاره‌پیمایی بودند که بخشی از مسیر خود را در فضا طی می‌کردند و می‌توانستند نقاط دوردست را با سلاح‌های اتمی هدف قرار دهند. پروژه‌ی زویِزدا نیز طرحی برای ساخت پرنده‌ای سرنشین‌دار بود؛ این پرنده ترکیبی از هواپیما و فضاپیما بود و از آن به‌عنوان «هوافضاپیما» (Aerospace Plane) یاد می‌شد.

موشک کروز قاره‌پیمای بوریا

از اواسط دهه‌ی  ۶۰، دفتر طراحی میکویان، که بیشتر به‌خاطر ساخت هواپیماهای جنگنده‌ی خانواده‌ی «میگ» شناخته می‌شود، در حال کار روی طرحی موسوم به «اسپایرال» بود. براساس طرح اسپایرال، یک مدارگرد چندبارمصرف بال‌دار، روی قسمت فوقانی یک «هواپیمای مادر» نصب می‌شد. پس از رسیدن به ارتفاع مناسب، مدارگرد از هواپیمای مادر جدا می‌شد و با فعال شدن موتور راکتی مسیر خود را به سمت فضا ادامه می‌داد. مشکل اصلی طرح اسپایرال این بود که هواپیمای مادر بایستی به سرعت ۶ ماخ دست پیدا می‌کرد؛ حتی با فناوری‌های امروزی نیز دستیابیِ چنین پرنده‌ای به سرعت ۶ ماخ، مسئله‌ای دور از تصور است.

فضاپیمای اسپایرال و هواپیمای مادر

بوران

پروژه‌ی ساخت مدارگرد چندبارمصرفی موسوم به «بوران» در اوائل دهه‌ی هفتاد کلید خود. هدف روس‌ها از توسعه‌ی بوران، مقابله با طرح شاتل فضایی آمریکایی‌ها بود. از نگاه رهبران شوروی، شاتل یک ابزار نظامی خطرناک بود و لازم بود تا ابزاری شبیه به آن در شوروی نیز توسعه یابد. پروژه‌ی ساخت بوران ۱۸ سال به‌طول انجامید و در این مدت بیش از ۱ میلیون نفر در قالب ۱۲۸۶ شرکت و ۸۶ سازمان دولتی، در این پروژه به فعالیت پرداختند. پروژه‌ای عظیم، که به‌ویژه در واپسین سال‌های توسعه، فشار زیادی را بر اقتصاد رو به زوال اتحاد شوروی وارد کرد.

مدارگرد بوران و جنگنده‌ی میگ-۲۵ فاکسبت

از نظر طراحی، بوران شباهت بسیار زیادی به شاتل فضایی آمریکایی‌ها دارد. شباهتی که موجب گمانه‌زنی‌های فراوان در رابطه با طراحی بوران شده است. به‌ادعای روس‌ها، شباهت بوران به شاتل، به این دلیل است که هردو مدارگرد برای پاسخ دادن به نیازهای مشابهی طراحی شده‌اند. از سوی دیگر، منابع غربی، جاسوسی صنعتی روس‌ها را به‌عنوان یکی از دلایل شباهت بوران به شاتل قلمداد می‌کنند. به‌ادعای این منابع، مأموران سازمان اطلاعاتی شوروی، با هدف قرار دادن مراکز علمی و شرکت‌های درگیر در توسعه‌ی شاتل، اطلاعات ارزشمندی را در رابطه با این مدارگرد به دست آوردند و از این اطلاعات در ساخت بوران بهره بردند. ساخت بوران در سال ۱۹۸۰ شروع شد و در سال ۱۹۸۴ اولین نمونه از این مدارگرد آماده شد. البته از یک سال قبل، انجام برخی آزمایش‌های پروازی با کمک نمونه‌ای یک-هشتمی از بوران، که BOR-5 نام داشت، شروع شده بود.

پیش‌نمونه‌ی یک-هشتمی بوران (BOR-5)

با پیشرفت پروژه، پنج نمونه‌ی دیگر با اندازه‌ی اصلی بوران تولید شدند و از آن‌ها برای مقاصد مختلف استفاده شد. یکی از این پنج نمونه، با نام OK-GLI شناخته می‌شد و از لحاظ آیرودینامیکی کاملا مشابه نمونه‌ی نهایی بوران بود. این پرنده به موتورهای جت مجهز بود و می‌توانست همانند هواپیماهای عادی عملیات نشست‌وبرخواست روی باند را انجام دهد. از این پرنده نه‌تنها در آزمایش‌های آیرودینامیکی، بلکه برای آماده‌سازی کیهان‌نوردانی که قرار بود بوران را کنترل کنند هم استفاده شد.

توسعه‌ی بوران شامل ایجاد نرم‌افزارهای پروازی و کنترلی جدید نیز می‌شد. از آنجا که طرح بوران، طرحی بی‌سابقه در اتحاد شوروی بود، لازم بود تا نرم‌افزار پروازی کاملا جدیدی برای آن توسعه داده شود. نرم‌افزارهای جدیدی هم برای استفاده در مجموعه‌های آزمایشی، که وظیفه‌ی آماده‌سازی بوران برای پرواز را برعهده داشتند، ایجاد شدند. براساس تخمین‌های توسعه‌دهندگانِ بوران، توسعه‌ی نرم‌افزارهای لازم برای این پروژه با زبان اسمبلی سال‌ها به‌طول می‌انجامید و به مشارکت هزاران برنامه‌نویس نیاز داشت. باتوجه‌به این مسئله، طراحان بوران دست به دامن مؤسسه‌ی ریاضیات کاربردی کلدیش شدند. این مؤسسه دست به توسعه‌ی زبان برنامه‌نویسی مسئله محور و سطح بالایی موسوم به PROL2 زد؛ از این زبان برای توسعه‌ی نرم‌افزارهای کنترلی بوران استفاده شد.

متخصصان فعال در مؤسسه‌ی کلدیش، زبان برنامه‌نویسی دیگری موسوم به DIPOL را هم برای توسعه‌ی نرم‌افزارهای آزمایشی و کنترلی ایجاد کردند. یک محیط توسعه و اشکال‌زدایی، موسوم به SAPO PROLOGUE و سیستم‌عاملی موسوم به Prolog Manager نیز از جمله نرم‌افزارهای استفاده شده برای توسعه‌ی سریع‌تر پروژه‌ی بوران بودند. جالب این است که کار روی این زبان‌های برنامه‌نویسی پس از پایان پروژه‌ی بوران هم ادامه پیدا کرد و منجر به توسعه‌ی زبان برنامه‌نویسی و الگوسازی DRAKON شد که امروزه نیز مورد استفاده‌ی سازمان فضایی روسیه قرار می‌گیرد.

یکی دیگر از بخش‌های پروژه‌ی بوران، آموزش کیهان‌نوردان برای انجام مأموریت به کمک بوران بود. هفت کیهان‌نورد انتخاب شده برای پروژه‌ی بوران، به‌کمک نمونه‌ی پروازی مدارگرد، یعنی OK-GLI، آموزش‌های لازم را دریافت می‌کردند. در مجموع، ۲۴ پرواز آموزشی با نمونه‌ی OK-GLI انجام شد و از این تعداد، در ۱۷ پرواز بوران در حالت فرود خودکار قرار داشت. لازم به ذکر است که به‌دلیل اهمیت بالای برنامه‌ی بوران، داشتن تجربه‌ی سفر فضایی و فعالیت به‌عنوان خلبان آزمایشی، از جمله پیش‌نیازهای حضور در جمع گروه پروازی بوران بود.

علاوه‌بر آموزش کیهان‌نوردان، تغییرات زیادی نیز در پایگاه فضایی بایکانور ایجاد شد تا بتواند میزبان انرگیا-بوران باشد. سکوی پرتابی که به پروژه‌ی نافرجام N1 اختصاص داشت، مورد تغییرات فراوان قرار گرفت تا پذیرای راکت انرگیا باشد. یک باند فرود و برخی تجهیزات فرودگاهی هم به پایگاه فضایی اضافه شدند تا امکان فرود بوران پس از مأموریت‌ها و همچنین امکان نشست و برخاست دو هواپیمای ترابری اطلس و آنتونوف-۲۲۵ وجود داشته باشد.

سکوی ویژه‌ای که در نزدیکی باند پروازی جدید قرار داشت هم امکان جداسازی و نصب بوران و دیگر تجهیزات روی هواپیماهای باری آنتونوف-۲۲۵ و اطلس را فراهم می‌کرد. ساختمان‌های اداری، مرکز کنترل عملیات و سالن‌های آماده‌سازی راکت و مدارگرد هم از دیگر موارد اضافه شده به پایگاه فضایی بایکانور بودند. در حال حاضر، از سالن‌های آماده‌سازی راکت انرگیا و مدارگرد بوران، برای آماده‌سازی فضاپیماهای سایوز و پروگرس استفاده می‌شود.

سکوی اتصال و جداسازی

ابعاد و اجزای تشکیل‌دهنده‌ی بوران

بوران پرنده‌ای است به طول ۳۵.۴ و ارتفاع ۱۶.۵ متر (با احتساب سکان عمودی)؛ فاصله‌ی دوسر بال‌های آن نیز به ۲۴ متر می‌رسد. عرض بدنه‌ی بوران ۵.۶ و ارتفاع آن ۶.۲ متر است. قطر محفظه‌ی بار بوران ۴.۶ متر و طول آن ۱۸ متر است. وزن بوران در زمان رهسپار شدن به سمت فضا، به ۱۰۵ تن می‌رسد. این مدارگرد می‌تواند محموله‌های ۳۰ تنی را به فضا برساند و محموله‌هایی با حداکثر وزن ۱۵ تن را هم به زمین برگرداند. وزن سوخت حمل شده توسط بوران نیز به ۱۴ تن می‌رسد.

شکل ظاهری بوران بیشتر شبیه به یک هواپیما با بال‌های دلتاشکل است. در این بال‌ها، از سطوح کنترلی موسوم به Elevon استفاده شده که نقش شهپر و بالابر را بازی می‌کنند. سکان عمودی بوران نیز از دو قست تشکیل شده و نقش ترمز هوایی را هم بازی می‌کند. برای فرودِ بوران، سه چرخ فرود در نظر گرفته شده‌اند. یک چتر سرعت‌گیر نیز در محفظه‌ای در قسمت عقب بوران قرار دارد تا به کاهش سرعت مدارگرد در زمان حرکت روی باند کمک کند. این چترها که طول لازم برای فرود را به میزان ۵۰۰ متر کاهش می‌دهند، به‌صورت خودکار و پس از برخورد تمام چرخ‌ها با باند فعال می‌شوند و زمانی‌که سرعت مدارگرد به ۵۰ کیلومتر بر ساعت رسید، به‌طور خودکار از بدنه جدا می‌شوند.

کابین جلوی بوران بخشی کاملا ایزوله شده است که با فضای ۷۳ مترمکعب، می‌تواند ۲-۴ نفر خدمه‌ی پروازی و ۶ سرنشین دیگر (در مجموع ۱۰ نفر) را در خود جای دهد. علاوه‌بر ابزارهای کنترلی و صندلی‌های سرنشینان، ادوات الکترونیکی، نظیر رایانه‌های پروازی نیز درون همین محفظه‌ی ایزوله قرار دارند.

کابین بازسازی‌شده‌ی یکی از پیش‌نمونه‌های بوران

قسمت میانی مدارگرد بوران، فضایی خالی برای حمل بار است؛ این محفظه دارای درهای دوتایی است و می‌تواند محموله‌های متفاوتی را در خود جای دهد. یک بازوی هیدرولیکی ۱۵ متری، که به‌کمک دوربین و از درون کابین کنترل می‌شود نیز در این محفظه جا گرفته است؛ وظیفه‌ی این بازو، خارج کردن محموله‌ها از محفظه‌ی بار و قرار دادن آن‌ها در موقعیت مناسب است. البته در صورت نیاز، امکان برنامه‌ریزی عملکرد بازوی مکانیکی نیز وجود دارد؛ در این حالت، فعالیت بازو تحت کنترل رایانه‌های بوران خواهد بود و کیهان نوردان در آن دخالتی نخواهند داشت. علاوه‌بر این، اپراتورهای حاضر در مرکز فرماندهی زمینی نیز می‌توانند از زمین به کنترل این بازوی مکانیکی بپردازند. رادیاتورهای مربوط‌به سیستم کنترل دما هم درون درهای محفظه‌ی بار قرار گرفته‌اند. در قسمت زیر محفظه‌ی بار هم واحد تولید انرژی الکتریکی و سیستم تهویه‌ی مطبوع قرار گرفته است. موتورهای اصلی، سیستم هیدرولیک و واحد نیروی ثانویه نیز در قسمت عقب مدارگرد جای دارند.

باز شدن محفظه‌ی بار بوران

برای ساخت بوران از مواد مختلفی، از جمله فولاد و آلیاژهای آلومینیوم استفاده شده است. بخش‌هایی از مدارگرد درمسیر بازگشت، حین عبور از لایه‌های متراکم جو زمین، حرارت زیادی را تجربه می‌کنند. برای حفاظت از ابزارهای داخلی و سرنشینان بوران در مقابل حرارت شدید، این سطوح با کاشی‌هایی از جنس فیبر کوارتز پوشانده شده‌اند و می‌توانند حداکثر دمای ۱۳۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد را تحمل کنند. قسمت‌هایی مانند دماغه‌ی مدارگرد و لبه‌ی بال‌ها حرارت بیشتری را تجربه می‌کنند و در این بخش‌ها از کاشی‌های کربنی استفاده شده است. در مجموع، در ساخت بوران از ۳۸۶۰۰ کاشی مقاوم دربرابر حرارت استفاده شده است. انحنای خاص دماغه و بال‌های بوران نیز به‌گونه‌ای است که کمترین فشار حرارتی ممکن بر این پرنده وارد می‌شود. باتوجه‌به این تمهیدات، در زمان فرود بوران، دمای بدنه‌ی مدارگرد تنها ۱۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد است. سازه‌ی بوران در مجموع می‌تواند در ۱۰۰ مأموریت مورد استفاده قرار بگیرد.

قرار بود از هر مدارگرد بوران در ۱۰۰ مأموریت فضایی استفاده شود

پیش‌ران‌ها و رانش‌گرهای بوران تنها برای انجام مانورهای مداری طراحی شده‌اند. اصلاح مدار، جابه‌جایی‌های دقیق، تغییر جهت، پایدارسازی و شروع فرایند بازگشت به زمین از جمله وظائف پیش‌ران‌ها و رانش‌گرهای بوران هستند. دو پیشران اصلی بوران از ترکیب اکسیژن مایع و نفت سفید استفاده می‌کنند. ۴۶ رانش‌گر گازی کوچک نیز بخش دیگری از واحد هدایت بوران هستند. این ۴۶ رانش‌گر در قسمت دماغه و همچنین در دو سوی قسمت انتهایی مدارگرد جای دارند. در طرح اولیه‌ی بوران، امکان نصب چهار موتور جت از نوع AL-31 نیز پیش‌بینی شده بود؛ چنین موتورهایی به بوران اجازه می‌دادند تا مانند یک هواپیمای عادی، در هر فرودگاهی به زمین بنشیند. البته این موتورهای جت وزن اضافه‌ای را به بوران تحمیل می‌کردند و سوخت مورد استفاده برای آن‌ها نیز باعث سنگین‌تر شدن بوران می‌شد؛ با این حساب، در اولین و تنها پرتاب بوران، خبری از این موتورها نبود.

پیش‌ران اصلی و رانشگرهای بوران

علاوه‌بر موارد فوق، مجموعه‌ی تله‌متری، ابزارهای ارتباط صوتی و تصویری، سامانه‌ی پشتیبان حیات، سیستم تهویه‌ی مطبوع، ابزارهای ناوربری و سیستم تأمین نیرو، از دیگر اجزای تشکیل‌دهنده‌ی بوران هستند. تمامی این ابزارها، توسط رایانه‌های بوران کنترل می‌شوند و این امکان را برای سرنشینان بوران فراهم می‌کنند تا به مدت ۳۰ روز در فضا حضور داشته باشند.

برای حصول اطمینان از فعالیت صحیح تمام اجزای تشکیل‌دهنده، رایانه‌های بوران در هر ۳۲.۸ میلی‌ثانیه، تمام داده‌های دریافتی از اجزاء مختلف را پردازش کرده و خروجی لازم را ایجاد می‌کنند. رایانه‌های بوران براساس فلسفه‌ی کاهش بارِ کاری کیهان‌نوردان ساخته شده‌اند و بیشتر کارها را به‌صورت خودکار انجام می‌دهند. سیستم رایانه‌ای استفاده شده در این مدارگرد از ۴ رایانه تشکیل شده که تمام عملیات‌ها را به‌صورت مشابه و به‌طور هم‌زمان انجام می‌دهند. نتایج مربوط‌به هرپردازش نیز بین هر چهار رایانه مقایسه می‌شوند تا در صورت ایجاد خطا در یکی از رایانه‌ها، امکان شناسایی فوری وجود داشته باشد. در صورت خرابی یکی از رایانه‌ها، سه رایانه به کار خود ادامه می‌دهند؛ اما اگر تعداد رایانه‌های فعال به ۲ رایانه برسد و در نتایج پردازشی این دو رایانه تفاوتی وجود داشته باشد، یکی از آن‌ها به‌طور اتفاقی خاموش می‌شود و تنها از دستورالعمل‌های یک رایانه استفاده می‌شود. با این کار، در بدترین حالت نیز شانس خطا به ۵۰ درصد محدود می‌شود.

نگاه نزدیک به یکی از پیش‌نمونه‌های بوران

 پرتاب بوران و بازگشت به زمین

پرتاب بوران توسط راکت دومرحله‌ای انرگیا به انجام می‌رسد. در زمان شروع پرتاب، تمام موتورهای انرگیا فعال می‌شوند تا تراست (نیروی پیش‌رانش) ۳۴۸۴۰ کیلونیوتونی ایجاد شود؛ در لحظه‌ی پرتاب، وزن کل مجموعه‌ی انرگیا-بوران به حدود ۲۴۰۰ تن می‌رسد. بسته به وزن محموله‌ی حمل شده توسط بوران، می‌توان به مدارهای مختلفی دست پیدا کرد. برای مثال، در صورت حمل محموله‌ای ۳۰ تنی، درکنار ۸ تن سوخت، حداکثر می‌توان به مداری در ۲۵۰ کیلومتری زمین رسید. در صورت حمل محموله‌ای ۲۷ تنی به‌همراه ۱۴ تن سوخت، می‌توان به مداری در ۴۵۰ کیلومتری زمین نیز دست پیدا کرد.

در صورت وجود نقص در عملکرد مرحله‌ی اول یا دوم راکت انرگیا، رایانه‌های بوران، براساس میزان ارتفاع، دستور جدا شدن مدارگرد از راکت را صادر می‌کنند. در چنین مواقعی، به‌شرط دستیابی به ارتفاع مناسب پیش از وقوع نقص فنی، امکان فرود بوران روی زمین وجود خواهد داشت.

برای بازگشت، بوران به کمک رانش‌گرهای خود، چرخشی ۱۸۰ درجه حول محور عرضی خود انجام می‌دهد تا در وضعیت معکوس قرار گیرد. پس از قرار گرفتن در وضعیت معکوس، با استفاده از موتورهای اصلی، سرعت چرخش مدارگرد به‌دور زمین کاهش پیدا می‌کند. پس از کاهش سرعت، بوران چرخش ۱۸۰ درجه‌ی دیگری حول محور عرضی انجام می‌دهد تا به وضعیت قبلی بازگردد. پس از این چرخش ۱۸۰ درجه، بوران با زاویه‌ی حمله‌ی بالا وارد مسیر بازگشت می‌شود؛ در طی مسیر نیز رایانه‌ی بوران دستورهای لازم را برای کنترل موقعیت مدارگرد به رانش‌گرها ارسال می‌کند.

پس از رسیدن به ارتفاع ۲۰ کیلومتری از سطح زمین، کنترل مدارگرد تنها به‌وسیله‌ی سطوح کنترلی روی بال و سکان عمودی انجام می‌شود. جهت‌دهی بوران برای فرود در پایگاه فضایی بایکانور، در زمانی شروع می‌شود که این مدارگرد در فاصله‌ی ۲۰۰۰ کیلومتری از پایگاه قرار دارد. شروع فرایند جهت‌دهی از چنین فاصله‌ی دوری به مدارگرد اجازه می‌دهد تا در زمان رسیدن به باند فرود، به ارتفاع لازم رسیده و سرعت خود را در محدوده‌ی ۳۰۰ تا ۳۶۰ کیلومتر بر ساعت قرار دهد. طول باند لازم برای فرود بوران، بسته به سرعت فرود و شرایط جوی بین ۱۱۰۰ تا ۱۹۰۰ متر است. سیستم‌های هدایت رادیویی که تا شعاع ۵۰۰ کیلومتری پایگاه را پوشش می‌دهند، به بوران اجازه می‌دهند تا فرودی کاملا خودکار داشته باشد.

فرایند پرتاب و بازگشت بوران

اولین و تنها مأموریت بوران

اولین پروا