روند طراحی شاتل فضایی

بندانگشتی|چپ|طرح‌های اولیه شاتل فضایی ایالات متحده

پیش از فرود بر ماه آپولو ۱۱ در سال ۱۹۶۹، ناسا مطالعات روی طراحی‌های شاتل فضایی را از اکتبر ۱۹۶۸ آغاز کرد. مطالعات اولیه «فاز آ» نامیده می‌شد و در ژوئن ۱۹۷۰، مطالعات دقیق‌تر و مشخص‌تر تحت عنوان «فاز ب» کلید خورد. کاربرد اصلی شاتل فضایی در فاز آ، پشتیبانی از ایستگاه فضایی آینده، جابه‌جایی حداقل چهار خدمه و حدود ۹٬۱۰۰ کیلوگرم محموله و همچنین قابلیت بازآمادگی سریع برای پروازهای بعدی بود؛ در حالی که محموله‌های بزرگ‌تر مانند ماژول‌های ایستگاه فضایی قرار بود توسط موشک ساترن ۵ پرتاب شوند.

دو طرح به عنوان گزینه‌های پیشرو ظاهر شدند. یکی توسط مهندسان مرکز فضایی جانسون طراحی شد و به‌ویژه توسط جورج مولر حمایت می‌شد. این یک سامانهٔ دو مرحله‌ای با فضاپیمای بال‌دلتا و به‌طور کلی پیچیده بود. تلاشی برای ساده‌سازی مجدد در قالب طرح DC-3 انجام شد که توسط ماکسیم فاژه (طراح کپسول مرکوری و وسایل نقلیه دیگر) طراحی شده بود. طرح‌های متعددی نیز از سوی شرکت‌های تجاری مختلف ارائه شد، اما با پافشاری هر یک از آزمایشگاه‌های ناسا بر نسخه اختصاصی خود، این طرح‌ها عموماً کنار گذاشته شدند.

در حالی که تیم‌های دیگر ناسا طیف گسترده‌ای از مأموریت‌های پس از آپولو را پیشنهاد می‌دادند که هزینه بسیاری از آن‌ها معادل یا بیشتر از برنامه آپولو بود، تمام این اتفاقات رخ می‌داد. در حالی که هر یک از این پروژه‌ها برای دریافت بودجه می‌جنگیدند، بودجه ناسا به شدت محدود شده بود. در نهایت سه گزینه در سال ۱۹۶۹ به معاون رئیس‌جمهور، اسپیرو اگنیو، ارائه شد. پروژه شاتل به دلیل تلاش‌های بی‌وقفه حامیانش در صدر قرار گرفت. تا سال ۱۹۷۰، شاتل به عنوان تنها پروژه اصلی برای بازه زمانی کوتاه‌مدت پس از آپولو انتخاب شد.

زمانی که بودجه برنامه زیر سؤال رفت، نگرانی‌هایی مبنی بر لغو پروژه ایجاد شد. این موضوع زمانی جدی‌تر شد که مشخص گشت ساترن ۵ دیگر تولید نخواهد شد؛ این بدان معنا بود که محموله قابل حمل به مدار باید هم از نظر جرم (تا ۲۷٬۵۰۰ کیلوگرم) و هم از نظر اندازه افزایش یابد تا جایگزین قابلیت‌های پرتاب سنگین آن شود؛ امری که برای کاوشگرهای بین‌سیاره‌ای و ماژول‌های ایستگاه فضایی ضروری بود. این تغییرات به معنای نیاز به وسیله‌ای بزرگ‌تر و گران‌تر در فاز ب بود. از این رو، ناسا تلاش کرد تا نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا و مشتریان دیگر را برای استفاده از شاتل در مأموریت‌هایشان ترغیب کند. برای کاهش هزینه‌های توسعه طرح‌های پیشنهادی، پیشران‌ها (بوسترها) اضافه شدند، یک مخزن سوخت یک‌بارمصرف در نظر گرفته شد و تغییرات بسیار دیگری اعمال گشت که به شدت قابلیت استفاده مجدد را کاهش و هزینه‌های عملیاتی و خود وسیله را افزایش داد.

## فرایند تصمیم‌گیری
در سال ۱۹۶۹، اسپیرو اگنیو ریاست «شورای ملی هوانوردی و فضا» را بر عهده داشت که گزینه‌های پس از برنامه فضایی آپولو را برای فعالیت‌های پرواز فضایی انسانی بررسی می‌کرد. توصیه‌های این شورا به شدت بر تصمیمات دولت نیکسون تأثیر گذاشت. شورا چهار گزینه اصلی را در نظر گرفت:
* یک مأموریت سفر انسان به مریخ
* ادامه فرود بر ماه
* برنامه زیرساختی در مدار پایینی زمین
* توقف فعالیت‌های فضایی انسانی

بر اساس مشاوره شورای فضا، ریچارد نیکسون تصمیم گرفت گزینه زیرساخت‌های مدار پایینی زمین را دنبال کند. این برنامه عمدتاً شامل ساخت یک ایستگاه فضایی به همراه توسعه یک شاتل فضایی بود. با این حال، محدودیت‌های بودجه مانع از اجرای همزمان هر دو برنامه شد. ناسا ترجیح داد ابتدا برنامه شاتل‌های فضایی را توسعه دهد و سپس قصد داشت از شاتل برای ساخت و سرویس‌دهی یک ایستگاه فضایی استفاده کند.

## بحث بر سر طراحی شاتل
در طول مطالعات اولیه شاتل، بحث‌هایی بر سر طراحی بهینه شاتل در جریان بود که بهترین تعادل را میان قابلیت، هزینه توسعه و هزینه عملیاتی برقرار کند. در ابتدا، یک طراحی کاملاً قابل استفاده مجدد ترجیح داده می‌شد. این طرح شامل یک بوستر سرنشین‌دار بال‌دار بسیار بزرگ بود که یک مدارگرد سرنشین‌دار بال‌دار کوچک‌تر را حمل می‌کرد. پیشران، مدارگرد را به ارتفاع و سرعت معینی می‌رساند و سپس جدا می‌شد. پیشران به زمین بازمی‌گشت و به صورت افقی فرود می‌آمد، در حالی که مدارگرد به مسیر خود به سمت مدار پایینی زمین ادامه می‌داد. پس از اتمام مأموریت، مدارگرد بال‌دار وارد جو شده و به صورت افقی روی باند فرود می‌آمد. ایده این بود که قابلیت استفاده مجدد کامل باعث کاهش هزینه‌های عملیاتی شود.

اما مطالعات بیشتر نشان داد که برای بالا بردن مدارگردی با قابلیت حمل محموله مورد نظر، به پیشرانی عظیم نیاز است. در سیستم‌های فضایی و هوانوردی، هزینه به شدت با جرم در ارتباط است، بنابراین این امر به معنای بسیار بالا بودن هزینه کل وسیله بود. هم پیشران و هم مدارگرد دارای موتورهای راکت و همچنین موتورهای جت برای استفاده در اتمسفر بودند و سیستم‌های سوخت و کنترل مجزا برای هر حالت پیشرانش داشتند. علاوه بر این، بحث‌های همزمانی دربارهٔ میزان بودجه موجود برای توسعه برنامه در جریان بود.

رویکرد رقیب دیگر، حفظ خط تولید ساترن ۵ و استفاده از ظرفیت بالای حمل محموله آن برای پرتاب یک ایستگاه فضایی در قالب چند محموله بزرگ (به جای چندین محموله کوچک شاتل) بود. یک مفهوم مرتبط دیگر، سرویس‌دهی به ایستگاه فضایی با استفاده از موشک تایتان III-M نیروی هوایی برای پرتاب کپسول بزرگ‌تر پروژه جمینای موسوم به «جمینای بزرگ»، یا نسخه کوچک‌تر «گلایدر» شاتل بدون موتورهای اصلی و با مخزن محموله ۴٫۵ در ۹ متری بود.

حامیان شاتل پاسخ دادند که با تعداد پرتاب کافی، یک سیستم قابل استفاده مجدد هزینه‌های کلی کمتری نسبت به موشک‌های یک‌بارمصرف خواهد داشت. برخی مطالعات تئوری به ۵۵ پرتاب شاتل در سال اشاره داشتند؛ با این حال، طراحی نهایی انتخاب شده از این نرخ پرتاب پشتیبانی نمی‌کرد. به‌ویژه، حداکثر نرخ تولید مخزن خارجی شاتل فضایی در کارخانه مونتاژ میشو ناسا به ۲۴ مخزن در سال محدود بود.

نیازهای محموله‌ای ایستگاه فضایی و نیروی هوایی برای رسیدن به نرخ پرتاب مورد نظر شاتل کافی نبود؛ بنابراین، برنامه این شد که تمامی پرتاب‌های فضایی آینده ایالات متحده (ایستگاه‌های فضایی، نیروی هوایی، ماهواره‌های تجاری و تحقیقات علمی) تنها از شاتل فضایی استفاده کنند. اکثر پیشران‌های یک‌بارمصرف دیگر قرار بود به تدریج کنار گذاشته شوند.

طرح پیشران قابل استفاده مجدد در نهایت به دلیل چندین عامل کنار گذاشته شد: قیمت بالا (همراه با بودجه محدود)، پیچیدگی فنی و ریسک توسعه. در عوض، یک طراحی نیمه‌قابل استفاده مجدد (نه کاملاً) انتخاب شد که در آن یک مخزن سوخت خارجی در هر پرتاب دور انداخته می‌شد و پیشران‌های موشکی و مدارگرد شاتل برای استفاده مجدد بازسازی می‌شدند.

در ابتدا قرار بود مدارگرد سوخت مایع خود را حمل کند. با این حال، مطالعات نشان داد که حمل پیشران در یک مخزن خارجی، اجازه می‌دهد تا مخزن محموله در یک فضاپیمای بسیار کوچک‌تر، بزرگ‌تر باشد. این کار به معنای دور انداختن مخزن پس از هر پرتاب بود، اما این موضوع بخش نسبتاً کوچکی از هزینه‌های عملیاتی را تشکیل می‌داد.

طراحی‌های اولیه فرض می‌کردند که مدارگرد بال‌دار برای کمک به مانور در جو پس از ورود به جو، دارای موتورهای جت نیز باشد. با این حال ناسا در نهایت یک مدارگرد گلایدری (بدون موتور جت) را انتخاب کرد که بخشی از این تصمیم بر اساس تجربه وسایل نقلیه قبلی «راکت و سپس گلاید» مانند نورث امریکن ایکس-۱۵ و بدنه‌های لیفتینگ بود. حذف موتورهای جت و سوخت آن‌ها باعث کاهش پیچیدگی و افزایش ظرفیت محموله می‌شد.

تصمیم دیگر دربارهٔ تعداد خدمه بود. برخی معتقد بودند شاتل نباید بیش از چهار نفر حمل کند، یعنی حداکثر تعدادی که می‌توانستند از صندلی‌پران استفاده کنند. یک فرمانده، خلبان، متخصص مأموریت و متخصص محموله برای هر مأموریتی کافی بودند. ناسا انتظار داشت که شرکت‌کنندگان پرواز فضایی بیشتری را به عنوان متخصص محموله حمل کند، بنابراین وسیله را برای حمل افراد بیشتری طراحی کرد.

آخرین بحث باقی‌مانده دربارهٔ ماهیت پیشران‌ها (بوسترها) بود. ناسا چهار راه حل را برای این مشکل بررسی کرد: توسعه مرحله پایینی ساترن موجود، موتورهای سوخت مایع ساده با فشار تغذیه و طراحی جدید، یک راکت جامد تک‌واحدی بزرگ، یا دو (یا بیشتر) راکت جامد کوچک‌تر. مهندسان مرکز پروازهای فضایی مارشال ناسا (جایی که توسعه ساترن ۵ مدیریت می‌شد) به‌ویژه نگران قابلیت اطمینان موشک سوخت جامد برای مأموریت‌های سرنشین‌دار بودند.

## مشارکت نیروی هوایی
در اواسط دهه ۱۹۶۰، هر دو پروژه بزرگ فضایی سرنشین‌دار نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا، یعنی بوئینگ ایکس-۲۰ داینا-سور و آزمایشگاه مداری دارای سرنشین، لغو شدند. این موضوع نشان‌دهنده نیاز نیروی هوایی به همکاری با ناسا برای قرار دادن فضانوردان نظامی و محموله‌های خود در مدار بود. نیروی هوایی بین سال‌های ۱۹۵۹ تا ۱۹۷۰ بیش از ۲۰۰ مأموریت ماهواره شناسایی پرتاب کرده بود و حجم بالای محموله‌های نظامی می‌توانست در اقتصادی‌تر کردن شاتل بسیار ارزشمند باشد. در مقابل، با خدمت‌رسانی به نیازهای نیروی هوایی، شاتل به یک سیستم واقعاً ملی تبدیل شد که تمامی محموله‌های نظامی و غیرنظامی را حمل می‌کرد.

ناسا به دنبال حمایت نیروی هوایی از شاتل بود. پس از آنکه جنگ شش‌روزه و تهاجم اعضای پیمان ورشو به چکسلواکی محدودیت‌های شبکه ماهواره شناسایی ایالات متحده را آشکار کرد، مشارکت نیروی هوایی بر توانایی پرتاب ماهواره‌های جاسوسی به سمت جنوب در مدار قطبی از پایگاه نیروی هوایی وندنبرگ متمرکز شد. این امر مستلزم انرژی بیشتری نسبت به مدارهای با انحراف کمتر بود. با این حال، برای اینکه شاتل بتواند پس از یک دور گردش، علیرغم چرخش ۱۶۰۰ کیلومتری زمین در زیر مسیر مداری، به زمین بازگردد، به بال‌دلتای بزرگ‌تری نسبت به طرح ساده اولیه «DC-3» نیاز داشت. علاوه بر این، پیکربندی بال مستقیم که مورد علاقه ماکسیم فاژه بود، وسیله را مجبور می‌کرد در بیشتر زمان ورود به جو در حالت واماندگی (Stall) پرواز کند و در هنگام لغو پرتاب نیز مشکلاتی داشت که مورد پسند ناسا نبود. این یک باور اشتباه رایج است که بال‌دلتا صرفاً به درخواست نیروی هوایی طراحی شده است، در حالی که این تنها یک افسانه است.

علیرغم مزایای بالقوه، ارتش از پیشران‌های یک‌بارمصرف خود راضی بود و کمتر از ناسا به شاتل نیاز داشت. چون آژانس فضایی به حمایت خارجی نیاز داشت، وزارت دفاع ایالات متحده آمریکا (DoD) و دفتر ملی شناسایی (NRO) کنترل اصلی بر فرآیند طراحی را به دست گرفتند. به عنوان مثال، ناسا یک مخزن محموله ۱۲ در ۴.۵ متری را برنامه‌ریزی کرده بود، اما NRO یک مخزن ۱۸ در ۴.۵ متری را تعیین کرد زیرا انتظار داشت ماهواره‌های جاسوسی آینده بزرگ‌تر شوند. هنگامی که فاژه دوباره عرض ۳.۵ متری را پیشنهاد داد، ارتش بلافاصله بر حفظ عرض ۴.۵ متری پافشاری کرد. نیروی هوایی همچنین معادل استفاده رایگان از یکی از شاتل‌ها را به دست آورد، علیرغم اینکه هزینه‌ای برای توسعه یا ساخت آن پرداخت نکرده بود. در عوضِ این امتیازات ناسا، نیروی هوایی در مارس ۱۹۷۱ در «کمیته فضای سنا» به نفع شاتل شهادت داد.

به عنوان انگیزه دیگری برای ارتش جهت استفاده از شاتل، گزارش شده است که کنگره به وزارت دفاع اعلام کرده بود بودجه هیچ ماهواره‌ای را که برای جا گرفتن در مخزن محموله شاتل طراحی نشده باشد، پرداخت نخواهد کرد. اگرچه NRO ماهواره‌های موجود را برای شاتل بازطراحی نکرد، اما این وسیله قابلیت بازیابی محموله‌های بزرگی مانند ماهواره‌های KH-9 HEXAGON را از مدار برای بازسازی حفظ کرد.

احتمال استفاده نظامی از شاتل (از جمله امکان استفاده از آن برای تأیید پایبندی شوروی به معاهده سالت) احتمالاً باعث شد رئیس‌جمهور جیمی کارتر در سال‌های ۱۹۷۹ و ۱۹۸۰، زمانی که برنامه سال‌ها از زمان‌بندی عقب و صدها میلیون دلار بیش از بودجه بود، آن را لغو نکند. نیروی هوایی قصد داشت ناوگان شاتل‌های خود را داشته باشد و تأسیسات پرتاب جداگانه‌ای را در وندنبرگ به نام مجتمع پرتاب فضایی شماره ۶ (SLC-6) بازسازی کرد. با این حال، به دلایل مختلف، به‌ویژه پس از فاجعه شاتل فضایی چلنجر در سال ۱۹۸۶، کار روی SLC-6 متوقف شد و هیچ پرتاب شاتلی از آن مکان انجام نگرفت.

## طراحی نهایی
[بندانگشتی|طراحی نهایی نیمه‌قابل استفاده مجدد با مخزن سوخت خارجی یک‌بارمصرف و پیشران‌های [موشک سوخت جامد قابل بازیابی]]
در حالی که ناسا احتمالاً اگر کنترل کامل طراحی را داشت پیشران‌های مایع را انتخاب می‌کرد، «اداره مدیریت و بودجه» به دلیل هزینه‌های توسعه پیش‌بینی شده کمتر، بر پیشران‌های جامد ارزان‌تر پافشاری کرد. در حالی که طراحی پیشران با سوخت مایع عملکرد بهتر، هزینه کمتر در هر پرواز، اثرات زیست‌محیطی کمتر و ریسک توسعه کمتری داشت، پیشران‌های جامد در زمانی که برنامه شاتل عناصر مختلفی برای دریافت بودجه محدود داشت، به سرمایه‌گذاری اولیه کمتری نیاز داشتند. طراحی نهایی که انتخاب شد شامل یک مدارگرد با موتور اصلی شاتل فضایی، یک مخزن خارجی شاتل فضایی بزرگ حاوی سوخت مایع برای این موتورها و دو موشک سوخت جامد قابل استفاده مجدد بود.

در بهار ۱۹۷۲، شرکت‌های لاکهید، مک‌دانل داگلاس، گرامن و نورث امریکن اوییشن پیشنهادهای خود را برای ساخت شاتل ارائه دادند. گروه انتخاب ناسا طرح لاکهید را بیش از حد پیچیده و گران دانست؛ مک‌دانل داگلاس مشکلات فنی داشت و طرح گرامن نیز گران به نظر می‌رسید. شاتلِ نورث امریکن کمترین هزینه و واقع‌بینانه‌ترین پیش‌بینی‌های مالی را داشت و طراحی آن برای تعمیر و نگهداری آسان‌تر بود. همچنین حادثه آپولو ۱۳ مربوط به فضاپیمای ساخت نورث امریکن، تجربه این شرکت در مواجهه با خرابی‌های سیستم الکتریکی را ثابت کرده بود. ناسا در ۲۶ ژوئیه ۱۹۷۲، نورث امریکن را به عنوان برنده اعلام کرد.

برنامه شاتل فضایی از زبان برنامه‌نویسی HAL/S استفاده می‌کرد. اولین ریزپردازنده مورد استفاده ۸۰۸۸ و بعدها اینتل ۸۰۳۸۶ بود. کامپیوتر اویونیک مدارگرد شاتل فضایی نیز مدل IBM AP-101 بود.

## نگاه به گذشته

بندانگشتی|کانسپت اولیه از نحوه سرویس‌دهی به شاتل فضایی

نظرات درباره درس‌های آموخته شده از شاتل متفاوت است. این برنامه با تخمین‌های هزینه و زمان اولیه که در سال ۱۹۷۱ به رئیس‌جمهور ریچارد نیکسون ارائه شده بود، توسعه یافت. هزینه توسعه ۶.۷۴۴ میلیارد دلار (به دلار سال ۱۹۷۱) در مقابل برآورد اولیه ۵.۱۵ میلیارد دلاری بود. با این حال، هزینه‌های عملیاتی، نرخ پرواز، ظرفیت محموله و قابلیت اطمینان آن با آنچه پیش‌بینی شده بود، تفاوت داشت.

## جستارهای وابسته
* بوران
* تک رانشگر به مدار
* برنامه شاتل‌های فضایی

## منابع

* 

رده:برنامه شاتل فضایی
رده:طراحی فضاپیما