عملية تصميم مكوك الفضاء

قبل هبوط  برنامج Apollo علي القمر في عام 1969 ، بدأت ناسا في دراسة تصاميم مكوك الفضاء في أكتوبر 1968. تمت الإشارة إلى الدراسات المبكرة باسم "المرحلة أ" ، وفي يونيو 1970 ، "المرحلة ب" ، والتي كانت أكثر تفصيلًا وتحديداً. كان الغرض الأساسي من استخدام المكوك الفضائي هو دعم المحطة الفضائية المستقبلية ، حيث كان ينقل طاقمًا مكونًا من أربعة أفراد على الأقل وحوالي 20,000 رطل (9,100 كـغ) من البضائع ، وقادرة على أن يتم استدارتها بسرعة لرحلات المستقبل. 
ظهر تصميمان في المركز الأول. تم تصميم إحداها بواسطة مهندسين في مركز رحلات الفضاء المأهولة ، ودافع عنها بشكل خاص جورج مولر . كان هذا نظامًا من مرحلتين مع مركبة فضائية مجنحة دلتا ، ومعقدة بشكل عام. جرت محاولة لإعادة التبسيط في شكل جهاز DC-3 ، صممه ماكسيم فادجيت ، الذي صمم كبسولة  ميركري بين مركبات أخرى. كما تم تقديم العديد من العروض من مجموعة متنوعة من الشركات التجارية ، ولكن انخفض بشكل عام على جانب الطريق حيث دفع كل مختبر ناسا لإصداره الخاص. 
كل هذا كان يحدث في وسط فرق ناسا الأخرى التي تقترح مجموعة واسعة من مهام ما بعد أبولو ، والتي ستتكلف سعر أبولو أو أكثر. كما قاتل كل من هذه المشاريع من أجل التمويل ، كانت ميزانية ناسا في الوقت نفسه مقيدة بشدة. تم تقديم ثلاثة في نهاية المطاف إلى نائب الرئيس أغنيو في عام 1969. ارتفع مشروع المكوك إلى القمة ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى الحملات الدؤوبة من قبل أنصاره. بحلول عام 1970، تم اختيار المكوك باعتباره المشروع الرئيسي الوحيد للإطار الزمني القصير الأجل لما بعد أبولو. 
عندما أصبح تمويل البرنامج موضع تساؤل، كانت هناك مخاوف من احتمال إلغاء المشروع. وأدى ذلك إلى بذل جهد لاهتمام سلاح الجو الأمريكي باستخدام المكوك لمهامهم أيضًا. كان سلاح الجو مهتمًا إلى حد ما ، لكنه طالب بمركبة أكبر بكثير ، أكبر بكثير من المفاهيم الأصلية. لتقليل تكاليف تطوير التصميمات الناتجة ، تمت إضافة معززات ، وتم اعتماد خزان وقود قابل للتخلص ، وأدخلت العديد من التغييرات الأخرى التي قللت بشكل كبير من قابلية إعادة الاستخدام وأضفت إلى حد كبير تكاليف السيارة والتشغيل. بموافقة سلاح الجو ، ظهر النظام في شكله التشغيلي     .

مناقشة تصميم المكوك

خلال دراسات المكوك المبكرة ، كان هناك جدل حول تصميم المكوك الأمثل الذي يوفر أفضل قدرة متوازنة وتكلفة التطوير وتكلفة التشغيل. في البداية كان من المفضل تصميم قابل لإعادة الاستخدام بالكامل. وشمل ذلك تقوية مأهولة مجنحة كبيرة للغاية والتي ستحمل مركبة مدارية مجنحة أصغر. سترفع المركبة المعززة المدار إلى ارتفاع وسرعة معينين ، ثم تنفصل. سيعود الداعم ويهبط أفقياً ، بينما يستمر المدار في مدار أرضي منخفض . بعد الانتهاء من مهمتها ، فإن المسبار المجنح سيعود ويهبط أفقياً على مدرج. كانت الفكرة أن إعادة الاستخدام الكاملة من شأنها أن تعزز انخفاض تكاليف التشغيل. 
ومع ذلك ، أظهرت دراسات أخرى أن هناك حاجة إلى معزز ضخم لرفع المسبار مع القدرة على الحمولة المطلوبة. في أنظمة الفضاء والطيران ، ترتبط التكلفة ارتباطًا وثيقًا بالوزن ، مما يعني أن التكلفة الإجمالية للمركبة ستكون مرتفعة جدًا. سيكون لكل من المعزز والمسبار محركات صواريخ بالإضافة إلى محركات نفاثة للاستخدام داخل الغلاف الجوي ، بالإضافة إلى أنظمة وقود وتحكم منفصلة لكل وضع دفع. بالإضافة إلى ذلك ، كانت هناك مناقشات متزامنة حول مقدار التمويل المتاح لتطوير البرنامج. 
كان هناك طريقة منافسة أخرى وهي الحفاظ على خط إنتاج ساتورن 5 واستخدام سعة الحمولة الكبيرة لإطلاق محطة فضائية في عدد قليل من الحمولات بدلاً من حمولات المكوك الصغيرة. كان هناك مفهوم آخر يتعلق بخدمة المحطة الفضائية باستخدام Air Force تايتان 3-ام لإطلاق كبسولة جمناي أكبر ، تسمى " جمناي الأكبر " ، أو إصدار "طائرة شراعية" أصغر من المكوك مع عدم وجود محركات رئيسية و خليج حمولة 15' في 30 '. 
أجاب مؤيدو المكوك أنه بالنظر إلى إطلاقات كافية ، فإن النظام القابل لإعادة الاستخدام سيكون له تكاليف إجمالية أقل من الصواريخ التي يمكن التخلص منها. في حالة تقسيم إجمالي تكاليف البرنامج على عدد معين من عمليات الإطلاق ، فإن معدل إطلاق مكوك عالي قد يؤدي إلى انخفاض تكاليف التشغيل. وهذا بدوره من شأنه أن يجعل تكلفة المكوك تنافسية مع أو تفوق على منصات الإطلاق. أشارت بعض الدراسات النظرية إلى 55 عملية إطلاق مكوكية في السنة ، ولكن التصميم النهائي الذي تم اختياره لن يدعم معدل الإطلاق. على وجه الخصوص ، كان الحد الأقصى لمعدل إنتاج الخزانات الخارجية محدودًا بـ 24 خزانًا سنويًا في مرفق ميتشود للتجميع التابع لناسا. 
لم تكن متطلبات الحمولة الصافية المدمجة للمحطة الفضائية الجوية والقوة الجوية كافية للوصول إلى معدلات إطلاق المكوك المطلوبة. لذلك ، كانت الخطة تتمثل في أن تستخدم جميع عمليات إطلاق الفضاء الأمريكية في المستقبل - المحطة الفضائية ، القوات الجوية ، الأقمار الصناعية التجارية ، والبحث العلمي - فقط مكوك الفضاء. معظم التعزيزات المستهلكة الأخرى سيتم التخلص التدريجي منها. 
تم في النهاية التخلي عن المعزز القابل لإعادة الاستخدام بسبب عدة عوامل: السعر المرتفع (بالاقتران مع محدودية التمويل) والتعقيد التقني ومخاطر التطوير. بدلاً من ذلك ، تم اختيار تصميم يعاد استخدامه جزئياً (وليس بالكامل) ، حيث يتم التخلص من خزان دافع خارجي لكل عملية إطلاق ، وتم تجديد صواريخ التعزيز ومدار المكوك لإعادة الاستخدام. 
في البداية كان على المدار أن يحمل مادة دافعة سائلة. ومع ذلك ، أظهرت الدراسات أن حاملة الوقود الدافع في خزان خارجي سمحت بحمولة حمولة أكبر في مركبة أصغر حجمًا. كان هذا يعني أيضًا التخلص من الخزان بعد كل عملية إطلاق ، لكن هذا كان جزءًا صغيرًا نسبيًا من تكاليف التشغيل. 
افترضت التصميمات السابقة أن المدار المجنح سيحتوي أيضًا على محركات نفاثة للمساعدة في المناورة في الغلاف الجوي بعد إعادة الدخول. ومع ذلك ، اختارت ناسا في نهاية الأمر مركبة تدور حول الإنزلاق ، تعتمد جزئيًا على الخبرة التي اكتسبتها المركبات السابقة التي انزلقت من الصاروخ ، مثل نورث أمريكان إكس-15 وأجسام الرفع . إن استثناء محركات الطائرات ووقودها من شأنه أن يقلل من التعقيد ويزيد الحمولة الصافية . 
وكان النقاش الأخير المتبقي حول طبيعة التعزيز. درست وكالة ناسا أربعة حلول لهذه المشكلة: تطوير المرحلة الحالية من ساتورن ، محركات بسيطة تعمل بالوقود السائل تعمل بالضغط من تصميم جديد، صاروخ واحد كبير صلب ، أو اثنين (أو أكثر) أصغر. كان المهندسون في مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا (حيث تمت إدارة تطوير زحل الخامس ) قلقين بشكل خاص بشأن موثوقية الصواريخ الصارمة للمهام المأهولة.

تورط القوات الجوية

خلال منتصف الستينيات من القرن الماضي ، ألغيت القوات الجوية للولايات المتحدة الأمريكية كلا من مشاريعها الفضائية الرائدة ، بوينج 20-X داينا-سور و المختبر المداري المأهول . وهذا يدل على حاجتها إلى التعاون مع ناسا لوضع رواد فضاء عسكريين في المدار. بدوره ، من خلال تلبية احتياجات القوات الجوية ، أصبح المكوك نظامًا وطنيًا حقيقيًا ، يحمل جميع الحمولات العسكرية والمدنية.  
سعت ناسا لدعم سلاح الجو للمكوك. بعد حرب الأيام الستة والغزو السوفيتي لتشيكوسلوفاكيا ، كشفت القيود المفروضة على شبكة استطلاع الأقمار الصناعية بالولايات المتحدة ، وشدد تورط القوات الجوية على القدرة على إطلاق أقمار التجسس جنوبًا في مدار قطبي من فاندنبرغ إيه إف بي . هذا يتطلب طاقات أعلى من مدارات الميل الأقل. يأمل سلاح الجو أيضًا أن يتمكن المكوك من استعادة الأقمار الصناعية السوفيتية ويهبط بسرعة. وبالتالي ، أرادت القدرة على الهبوط عند نقطة الانطلاق في فاندنبرغ بعد مدار واحد ، على الرغم من أن الأرض تدور على بعد 1و000 ميل أسفل المسار المداري. هذا يتطلب حجم جناح دلتا أكبر من المكوك البسيط "DC-3" السابق. ومع ذلك ، فقد رغبت ناسا أيضًا في زيادة القدرة على المناورة لأن دراسات أخرى أظهرت أن تصميم مكوك DC-3 له قيود لم يكن متوقعًا في البداية. أطلقت القوات الجوية أكثر من 200 مهمة استطلاع للأقمار الصناعية بين عامي 1959 و 1970 ، وسيكون الحجم الكبير للحمولات العسكرية للجيش ذا قيمة في جعل المكوك أكثر اقتصادا.   
على الرغم من الفوائد المحتملة للقوات الجوية ، إلا أن الجيش كان راضيًا عن معززاته المستهلكة ولم يكن يحتاج إلى المكوك أو يريده كما فعلت ناسا. نظرًا لأن وكالة الفضاء كانت بحاجة إلى دعم خارجي ، فقد حصلت وزارة الدفاع والمكتب الوطني للاستطلاع (NRO) على السيطرة الأساسية على عملية التصميم. على سبيل المثال ، خططت ناسا 40 by 12 قدم (12.2 by 3.7 م)   حاوية الشحن ، لكن NRO حددت 60 by 15 قدم (18.3 by 4.6 م)  60 by 15 قدم (18.3 by 4.6 م)   الخليج لأنه يتوقع أن تصبح أقمار الاستخبارات المستقبلية أكبر. عندما اقترح فاجيت مرة أخرى خليج حمولة عريض 12 قدمًا ، أصر الجيش على الفور تقريبًا على الاحتفاظ بعرض 15 قدمًا. حصل سلاح الجو أيضًا على ما يعادل استخدام إحدى المكوكات مجانًا على الرغم من عدم دفع تكاليف تطوير المكوك أو بنائه. في مقابل تنازلات ناسا ، أدلى سلاح الجو بشهادة أمام لجنة الفضاء في مجلس الشيوخ نيابة عن المكوك في مارس 1971.    
وكحافز آخر للجيش لاستخدام المكوك ، قيل إن الكونغرس أخبر وزارة الدفاع بأنها لن تدفع ثمن أي أقمار صناعية غير مصممة لتناسب حاوية الشحن في المكوك.  على الرغم من أن NRO لم تعيد تصميم الأقمار الصناعية الموجودة للمكوك ، احتفظت المركبة بالقدرة على استرجاع الشحنات الكبيرة مثل هيكساجون كاي اتش-9 من المدار للتجديد ودرست الوكالة إعادة تزويد القمر الصناعي في الفضاء.  
خطط سلاح الجو لإقامة أسطول من المكوكات الخاص به ، وإعادة بناء منشأة إطلاق منفصلة مستمدة في الأصل من برنامج مختبر المدار الملغى في فاندنبرغ الذي يطلق عليه الستة المعقدين للإطلاق الفضائي (SLC-6) . ومع ذلك ، لأسباب مختلفة ، ويرجع ذلك في جزء كبير منه إلى فقدان المكوك الفضائي تشالنجر في 28 يناير 1986 ، في نهاية المطاف توقف العمل على SLC-6 مع عدم وجود عمليات إطلاق مكوكية من هذا الموقع من أي وقت مضى. تم استخدام SLC-6 في نهاية المطاف لإطلاق مركبة الإطلاق أثينا المستهلكة التي صنعتها شركة لوكهيد مارتن ، والتي تضمنت القمر الصناعي الناجح لرصد الأرض من ايكونوس في سبتمبر 1999 قبل إعادة تشكيلها مرة أخرى للتعامل مع الجيل الجديد من بوينغ دلتا الرابع . حدث الإطلاق الأول لطائرة ديلتا 4 الثقيلة من SLC-6 في يونيو 2006 ، حيث أطلق NROL-22 ، وهو قمر صناعي مصنف لمكتب الاستطلاع الوطني الأمريكي (NRO).

تصميم نهائي

بينما من المحتمل أن تختار ناسا معززات السوائل لو كانت لديها سيطرة كاملة على التصميم ، أصر مكتب الإدارة والميزانية على معززات قوية أقل تكلفة بسبب انخفاض تكاليف التطوير المتوقعة.    حين أن تصميم الداعم الذي يعمل بالوقود السائل يوفر أداء أفضل، وتكاليف أقل لكل رحلة، وأقل تأثيرًا بيئيًا ومخاطر أقل على التطوير، فقد كان يُنظر إلى التعزيزات الصلبة على أنها تتطلب تمويلًا أقل لتطوير في وقت كانت فيه لبرنامج المكوك العديد من العناصر المختلفة التي تتنافس للحصول على أموال تنمية محدودة. كان التصميم النهائي الذي تم اختياره عبارة عن مركبة مدارية مجنحة تحتوي على ثلاثة محركات تعمل بالوقود السائل وخزان خارجي كبير قابل للاستهلاك كان يعمل بالوقود السائل لهذه المحركات ، واثنين من معززات الصواريخ الصلبة القابلة لإعادة الاستخدام. 
في ربيع عام 1972 ، قدمت شركة لوكهيد للطائرات ، ماكدونيل دوغلاس ، غرومان ، وأمريكا الشمالية روكويل مقترحات لبناء المكوك. اعتقدت مجموعة اختيار وكالة ناسا أن مكوك لوكهيد كان معقدًا ومكلفًا للغاية ، ولم تكن لدى الشركة خبرة في بناء مركبة فضائية مأهولة. ماكدونيل دوغلاس كانت باهظة الثمن ولديها مشكلات فنية. وكان جرومان تصميم ممتاز الذي بدا أيضا مكلفا للغاية. كان مكوك أمريكا الشمالية الأقل تكلفة وأكثرهم واقعية ، وكان تصميمه هو الأسهل للصيانة المستمرة ، وأظهر حادث أبولو 13 الذي شمل وحدة القيادة والخدمة في أمريكا الشمالية تجربته في فشل النظام الكهربائي. أعلنت ناسا عن اختيارها لأمريكا الشمالية في 26 يوليو 1972.   
استخدم برنامج مكوك الفضاء لغة برمجة هال / اس.  كان المعالج الأول المستخدم هو 8088 ثم 80386 . كان كمبيوتر إلكترونيات المكوك المداري الفضائي IBM AP-101 .

عرض استعادي إلى الوراء بعد ثلاثة عقود

تختلف الآراء حول الدروس المستفادة من المكوك. تم تطويره مع تكلفة تطوير الأصلي والتقديرات وقت معين للرئيس ريتشارد نيكسون في عام 1971،  بتكلفة US $ 6,744,000,000 في 1971 مقابل تقدير ال 5,150,000,000 $ الأصلي.  تكاليف التشغيل ، ومعدل الطيران ، الحمولة الصافية ، والموثوقية كانت مختلفة عما كان متوقعا ، ولكن.