XS-1 (مركبة فضائية)

كانت مركبة DARPA XS-1 مركبة فضائية تجريبية /صاروخًا مُعززًا، مُصممة لحمل أقمار صناعية صغيرة إلى المدار لصالح وزارة الدفاع الأمريكية . ^{[ 1 ]} وقد صُممت لتكون قابلة لإعادة الاستخدام بمعدل مرة واحدة يوميًا، بهدف مُعلن يتمثل في القيام بذلك لمدة عشرة أيام متتالية. ^{[ 2 ]} كان الهدف من XS-1 هو استبدال المرحلة الأولى من الصاروخ متعدد المراحل مباشرةً ، وذلك بالإقلاع عموديًا والتحليق بسرعة تفوق سرعة الصوت وعلى ارتفاع شبه مداري عالٍ، مما يُتيح فصل مرحلة أو أكثر من المراحل العلوية القابلة للاستهلاك ونشر حمولة في مدار أرضي منخفض . ثم تعود XS-1 إلى الأرض، حيث يُمكن صيانتها بسرعة كافية لتكرار العملية مرة واحدة على الأقل كل 24 ساعة. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

استمر برنامج داربا XS-1 من عام 2013 إلى عام 2020. ^{[ 5 ]} بعد سنوات من التطوير وتقديم المقترحات، في مايو 2017، اختارت وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (داربا) ^{[ 6 ]} شركة بوينغ للمرحلة 2/3 لبناء واختبار مركبة فضائية من طراز XS-1 (يُعرف الآن باسم برنامج المركبة الفضائية التجريبية). ^{[ 7 ]} في ذلك الوقت، كان من المقرر أن تبدأ الرحلات التجريبية في موعد لا يتجاوز عام 2020. ^{[ 7 ]} في 22 يناير 2020، أُعلن أن شركة بوينغ ستتوقف عن المشاركة في البرنامج، مما أنهى البرنامج فعليًا. ^{[ 8 ]}

أنشأت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) برنامج XS-1 (الذي أعيدت تسميته لاحقًا إلى برنامج الطائرة الفضائية التجريبية)، بهدف تعزيز الأمن القومي من خلال ابتكار شكل جديد وغير مكلف وسريع من الطائرات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت . وقد روجت الوكالة لمفاهيم مثل الوصول إلى مدار أرضي منخفض في غضون أيام، والصواريخ غير المأهولة القابلة لإعادة الاستخدام ، واستبدال المعززات الخارجية بمعززات داخلية ذاتية التشغيل تعمل بالوقود المبرد، والقدرة على إطلاق حمولات تتراوح بين 410 و1400 كيلوغرام (900 إلى 3000 رطل) في مدار قطبي ، وأجنحة مركبة معدنية قادرة على تحمل رحلات تفوق سرعة الصوت دون المدارية ودرجات حرارة تتجاوز 1600 درجة مئوية (3000 درجة فهرنهايت) ، وتقنية الطيران الذاتي التي طورها برنامج الوصول إلى الفضاء بمساعدة الإطلاق المحمول جواً (ALASA) التابع لوكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة ، والوصول إلى سرعة 10 ماخ . ^{[ 9 ]}    

جاء برنامج XS-1 بعد عدة محاولات فاشلة سابقة لتطوير مركبة إطلاق فضائية قابلة لإعادة الاستخدام . لم تُحلّق مركبة روكويل X-30 في ثمانينيات القرن الماضي، ومركبة X-33 فينشر ستار في تسعينياته، بسبب عدم نضج التقنيات المستخدمة آنذاك. وكانت آخر محاولات وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) برنامج الوصول السريع، والحمولات الصغيرة، والإطلاق الميسور التكلفة ^{[ 10 ] [ 11 ]} (RASCAL) في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، بهدف وضع حمولات تزن 140 كيلوغرامًا (300 رطل) في المدار بتكلفة تقل عن 750 ألف دولار.  

أُعلن عن برنامج XS-1 في نوفمبر 2013 خلال فعالية خاصة بالصناعة نظمتها وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA). وذكرت الوكالة أن برنامج XS-1 أكثر جدوى بفضل التقنيات المتطورة، بما في ذلك هياكل الطائرات والخزانات المركبة خفيفة الوزن ومنخفضة التكلفة، والحماية الحرارية المتينة، وأنظمة الدفع القابلة لإعادة الاستخدام والميسورة التكلفة، وأنظمة إدارة صحة الطائرات. ^{[ 5 ]} وفي 5 فبراير 2014، تحدثت جيس سبونابل، مديرة برنامج XS-1، أمام مجموعة عمليات الفضاء المستقبلية التابعة لناسا، قائلةً: "تتمثل الرؤية هنا في كسر حلقة التكاليف المتزايدة لأنظمة الفضاء، وتمكين الوصول الروتيني إلى الفضاء، وتطوير مركبات تفوق سرعة الصوت." ^{[ 12 ]}

بحلول يوليو 2014، مُنحت ثلاث شركات عقودًا لتصميم مركبة تجريبية. الشركات المختارة هي: بوينغ بالتعاون مع بلو أوريجين ، وماستن سبيس سيستمز بالتعاون مع إكس كور إيروسبيس ، ونورثروب غرومان بالتعاون مع فيرجن غالاكتيك . على عكس برامج داربا الأخرى التي سُلمت إلى قطاعات من الجيش الأمريكي بعد إثبات نجاحها، صُممت هذه المبادرة منذ البداية لتكون شراكة مباشرة بين الوكالة والصناعة. في أغسطس 2015، تلقت بوينغ ونورثروب غرومان وماستن سبيس سيستمز تمويلًا إضافيًا من داربا لمواصلة تطوير مفاهيم التصميم الخاصة بالمرحلة 1ب من البرنامج. اعتبارًا من عام 2015^{[ 13 ]}​

بدأت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) المرحلة الثانية من برنامج XS-1 في أبريل 2016. ^{[ 14 ]} وفي يوليو 2016، صرّحت الوكالة بأنها تعتقد أن "الوقت مناسب لبذل جهد متجدد، بدأ في عامي 2013/2014، ولكن [في عام 2016] تم تسريعه من خلال عملية تقديم عروض، مما أتاح الفرصة لابتكار العديد من المفاهيم الصناعية. ووفقًا لمتطلبات [طلب العروض]، يجب أن تظل المركبة المجنحة [المتطلبات] قادرة على القيام بـ 10 رحلات جوية في 10 أيام، بسعة حمولة تزيد عن 3000 رطل بتكلفة تقل عن 5 ملايين دولار أمريكي لكل رحلة." ^{[ 15 ]}

في مايو 2017، اختارت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) شركة بوينغ لتنفيذ المرحلة الثانية/الثالثة من المشروع، وذلك لبناء واختبار المركبة الفضائية التجريبية XS-1 (التي تُعرف الآن باسم برنامج المركبة الفضائية التجريبية). ^{[ 7 ]} تضمن عقد المرحلة الثانية/الثالثة تمويلًا من وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة بقيمة 146 مليون دولار، بالإضافة إلى مساهمة غير محددة من الشركة. ^{[ 16 ]}

في 22 يناير 2020، أعلنت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) أن شركة بوينغ ستنسحب من برنامج XS-1 "فوراً" وتنهي البرنامج فعلياً. ^{[ 8 ] [ 16 ]}

أهداف البرنامج اعتبارًا من سبتمبر 2013 كانت: ^{[ 3 ] [ 17 ]} يجب أن تحمل الطائرة الفضائية حمولة تتراوح بين 3000 و5000 رطل (1400-2300 كجم) إلى مدار أرضي منخفض بتكلفة أقل من 5 ملايين دولار أمريكي لكل رحلة، ^{[ 4 ]} بمعدل 10 رحلات أو أكثر سنويًا؛ في ذلك الوقت، يتطلب إطلاق هذا النوع من الحمولة استخدام معزز مينوتور IV القابل للاستهلاك من شركة أوربيتال ساينسز ، والذي يبلغ سعره 55 مليون دولار مرة واحدة في السنة.   

• الطيران بسرعة تفوق سرعة الصوت إلى 10 ماخ (12300 كم/ساعة) أو أعلى  
• وقت إنجاز سريع خلال يوم واحد، بما في ذلك السفر 10 مرات في 10  أيام
• حمولة وزنها 1800 كيلوغرام (4000 رطل) في مسار إلى المدار  
• تكلفة الإطلاق أقل من 1/10 من تكلفة أنظمة الإطلاق الحالية، أي ما يقرب من 5 ملايين دولار أمريكي  لكل رحلة ^{[ 4 ].}
• مركبة بدون طاقم
• استخدام معزز المرحلة الأولى القابل لإعادة الاستخدام للطيران بسرعات تفوق سرعة الصوت إلى ارتفاع شبه مداري، مقترنًا بمرحلة علوية واحدة أو أكثر قابلة للاستهلاك والتي من شأنها فصل ونشر قمر صناعي ^{[ 18 ] [ 19 ]}

حصلت شركات بوينغ ، ونورثروب غرومان لأنظمة الفضاء، وماستن لأنظمة الفضاء على عقود تصميم مفاهيمي للمرحلة الأولى.

أجرت بوينغ دراسات تجارية مع بلو أوريجين في البداية. يسمح تصميم بوينغ للصاروخ المعزز ذاتي التشغيل بحمل المرحلة الثانية والحمولة إلى ارتفاعات عالية ونشرها في الفضاء. ثم يعود الصاروخ المعزز إلى الأرض، حيث يمكن تجهيزه بسرعة للرحلة التالية بتطبيق مبادئ التشغيل والصيانة المشابهة للطائرات الحديثة. ^{[ 20 ]}

استغلت شركة نورثروب غرومان خبرتها في مجال الطائرات والمركبات الفضائية والأنظمة ذاتية التشغيل للعمل مع فريقها المكون من شركة سكيلد كومبوزيتس لقيادة عمليات التصنيع والتجميع، وشركة فيرجن غالاكتيك لإدارة عمليات نقل المركبات الفضائية التجارية؛ وقد عملت كلتا الشركتين، فيرجن غالاكتيك وسكيلد كومبوزيتس، على مشروع سبيس شيب تو ، وهو خط النقل الفضائي التجاري الوحيد في العالم. كما استفاد الفريق من التقنيات التي طُوّرت خلال مشاريع مماثلة لوكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) ووكالة ناسا ومختبر أبحاث القوات الجوية الأمريكية ، وذلك لتحقيق عائد على استثمارات الحكومة. وشمل مفهومهم إطلاقًا من منصة نظيفة باستخدام منصة إطلاق ناقلة ذات بنية تحتية وأطقم أرضية محدودة، وعمليات طيران ذاتية التشغيل بدرجة عالية، وهبوطًا أفقيًا واستعادة على مدارج قياسية. ^{[ 18 ]}

تتمتع شركة ماستن لأنظمة الفضاء بخبرة واسعة في مجال المركبات الصاروخية السريعة القابلة لإعادة الاستخدام، حيث حققت تصاميمها للإقلاع والهبوط العمودي (VTVL) من طرازات Xombie وXoie وXaero أهداف البرنامج المتمثلة في إجراء 10 رحلات خلال 10 أيام، أو تجاوزتها. وعلى الرغم من أن الشركة تضم حوالي 30 موظفًا ويقع مقرها الرئيسي في مبنى صغير بمطار موهافي الجوي والفضائي ، إلا أنها أمضت سنوات في تشغيل أنظمة VTVL صغيرة متنوعة في رحلات قصيرة من المطار الفضائي، لتكون بمثابة منصات اختبار لأنظمة التوجيه والملاحة والتحكم (GNC) المصممة لهبوط المركبات الفضائية بأمان على سطح القمر، وربما على كواكب أخرى. وقد أظهر تصميمها نظام VTVL ينطلق عموديًا من منصة إطلاق مزودة بأجنحة وزعنفة ذيل. وقد دخلت شركة ماستن لأنظمة الفضاء في شراكة مع شركة XCOR Aerospace في المرحلة 1A. ^{[ 21 ]}

المرحلتان الثانية والثالثة

في مايو 2017، اختيرت شركة بوينغ شريكةً لوكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) لبناء المركبة الفضائية XS-1. ^{[ 22 ]} وكان من المقرر أن تُزوّد ​​شركة إيروجيت روكيتداين المركبة بمحركات AR-22، المُشتقة من محرك RS-25 . ^{[ 23 ]} وشمل عقد المرحلتين الثانية والثالثة لبناء النموذج الأولي وإطلاقه تمويلًا من وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) بقيمة 146 مليون دولار أمريكي . ^{[ 16 ]}

كان تصميم بوينغ عبارة عن مركبة إقلاع عمودي وهبوط أفقي ( VTHL ) ^{[ 7 ]} تُسمى فانتوم إكسبريس، وكان الهدف منها زيادة وصول الولايات المتحدة إلى الفضاء. ^{[ 24 ]} تشمل المواصفات المخطط لها ارتفاعًا للمركبة يبلغ 30 مترًا (100 قدم) ، وامتداد جناحين يبلغ 19 مترًا (62 قدمًا) . كان من المقرر أن تستخدم فانتوم إكسبريس محرك إيروجيت روكيتداين AR-22 ، الذي صُمم في الأصل لبرنامج مكوك الفضاء، ولكن تم تعديله لإعادة استخدامه عشر مرات خلال عشرة أيام، بتكلفة تقل عن 5 ملايين دولار لكل عملية إطلاق. كان الهدف هو إطلاق الأقمار الصناعية بتكلفة منخفضة وسرعة عالية، مع إمكانية إعادة الاستخدام لخفض تكلفة كل عملية إطلاق. تم إثبات متطلبات الأداء هذه على منصة اختبار في يوليو 2018. ^{[ 25 ]} في 22 يناير 2020، أُعلن أن قسم فانتوم ووركس التابع لشركة بوينغ سيتوقف عن المشاركة في البرنامج. صرح ممثلو شركة بوينغ بأن استثماراتهم في مشروع XS-1 ستُعاد توجيهها إلى مشاريع أخرى تابعة للشركة في مجالات الجو والبحر والفضاء. ^{[ 8 ]} لم تطلب وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) أي استرداد، إذ تلقت بوينغ الدفعات وفقًا للمراحل التي تم إنجازها في التطوير. لم يكن البرنامج عديم الجدوى تمامًا، فقد أثبت العمل المنجز أن التقنيات المتاحة آنذاك قادرة على دعم مشاريع جديدة مماثلة لبرنامج XS-1، ولم تكن هناك أي عوائق تقنية. ^{[ 26 ]}  

• الموقع الرسمي لطائرة بوينغ فانتوم إكسبريس
• فيديو رسوم متحركة لمفهوم الفنان DARPA XS-1 ، 2014.
• إشعار منح شركة ماستن لأنظمة الفضاء، بقيمة 3 ملايين دولار أمريكي ، وثيقة حكومية أمريكية، 27 يونيو 2014. فيديو رسوم متحركة لمفهوم الفنان لمشروع داربا XS-1