نظام إطلاق الأفراد HL-20

كان نظام إطلاق الأفراد HL -20 مفهومًا لمركبة فضائية تابعة لناسا ، مخصصة لمهام مدارية مأهولة، وقد درسه مركز لانغلي للأبحاث التابع لناسا حوالي عام 1990. وقد صُمم ليكون مركبة عودة إلى الغلاف الجوي ذات جسم رافع، على غرار تصميم المركبة الفضائية السوفيتية BOR-4 . ^{[ 1 ]} وكانت أهدافه المعلنة هي تحقيق تكاليف تشغيل منخفضة، وتحسين سلامة الطيران، وإمكانية الهبوط على مدارج تقليدية. ^{[ 2 ]} ولم يتم بناء أي معدات طيران.

مع تزايد الاهتمام الوطني بالحصول على وصول منتظم إلى الفضاء، دُرست عدة أنظمة نقل من الأرض إلى المدار في منتصف ثمانينيات القرن الماضي. أحد هذه الأنظمة، المعروف بنظام إطلاق الأفراد (PLS)، كان بإمكانه استخدام المركبة الفضائية HL-20 ونظام إطلاق قابل للاستهلاك لتوفير وصول مأهول يُكمّل مكوك الفضاء . في عام 1990، قام طلاب وأعضاء هيئة التدريس في جامعة ولاية كارولينا الشمالية وجامعة كارولينا الشمالية للزراعة والتقنية ببناء نموذج هندسي بحثي بالحجم الطبيعي للمركبة HL-20 لدراسة ترتيبات جلوس الطاقم، وقابلية السكن، وتصميم المعدات، ودخول وخروج الطاقم. استُخدم هذا النموذج الهندسي البحثي، الذي يبلغ طوله 9 أمتار (29 قدمًا)، في مركز لانغلي لتحديد المواصفات الخارجية والداخلية الكاملة للمركبة HL-20 لأغراض دراسات الاستخدام. 

كانت مهمة نظام الإطلاق المأهول (PLS) نقل الأشخاص وكميات صغيرة من البضائع من وإلى مدار أرضي منخفض، أي نظام تاكسي فضائي صغير. على الرغم من عدم الموافقة على تطويره، فقد صُممت طائرة الفضاء PLS كنموذج مكمل لمكوك الفضاء، وكان يُنظر إليها كإضافة إلى قدرة الولايات المتحدة على إطلاق المركبات المأهولة لثلاثة أسباب رئيسية: ^{[ 3 ]}

• ضمان وصول رواد الفضاء إلى الفضاء. في عصر محطة الفضاء فريدوم والمهام اللاحقة لمبادرة استكشاف الفضاء، من الضروري أن تمتلك الولايات المتحدة وسيلة بديلة لنقل الأفراد والشحنات الصغيرة القيّمة إلى مدار أرضي منخفض والعودة، في حال تعذر استخدام مكوك الفضاء.
• تعزيز سلامة الطاقم. على عكس مكوك الفضاء، لن تحتوي مركبة نقل الأفراد (PLS) على محركات دفع رئيسية أو حجرة حمولة كبيرة. وبإزالة متطلبات حمل الحمولات الكبيرة من مهام نقل الأفراد، ستكون مركبة نقل الأفراد مركبة صغيرة الحجم. وبالتالي، يصبح من الأسهل تصميم نظام إجهاض لاستعادة الطاقم بأمان خلال المراحل الحرجة من الإطلاق والعودة من المدار.
• تكاليف معقولة. نظرًا لكونها مركبة صغيرة مصممة باستخدام التقنيات المتاحة، يُتوقع أن تكون تكلفة تطوير نظام PLS منخفضة. كما أن تبسيط الأنظمة الفرعية واتباع نهج الطائرات في عمليات PLS الأرضية والجوية من شأنه أن يقلل بشكل كبير من تكاليف تشغيله.

اختلف التصميمان اللذان تم النظر فيهما لنظام PLS في خصائصهما الديناميكية الهوائية وقدراتهما على تنفيذ المهمة:

• استخدم مركز جونسون للفضاء شكلاً مخروطياً غير حاد (على غرار مركبات العودة المختلفة من مهمات القمر)، ويتضمن نظام مظلة للهبوط؛
• اقترح مركز لانغلي للأبحاث جسمًا رافعًا يمكنه الهبوط على مدرج تقليدي عند عودته من المدار. ^{[ 3 ]}

سبقت عدة مركبات فضائية ذات جسم رافع ، من بينها M2-F2 و M2-F3 و HL-10 و X-24 A وX-24B ، تصميم مكوك الفضاء ، وأثرت فيه ، حيث قام طيارون تجريبيون بتجربتها بين عامي 1966 و1975. وقد طُرحت فكرة M2-F2 وHL-10 في ستينيات القرن الماضي لنقل 12 شخصًا إلى محطة فضائية بعد إطلاقهما على متن صاروخ ساتورن 1B . وتطور مفهوم HL-20 PLS من هذه التصاميم الأولية، متأثرًا بشكل أكبر بالطائرة السوفيتية MiG-105 ، وخاصةً BOR-4 . ويشير رمز "HL" إلى المركبة الهابطة الأفقية، بينما يعكس الرقم "20" مشاركة مركز لانغلي الطويلة الأمد في مفهوم الجسم الرافع، والذي شمل مركبة نورثروب HL-10.

تتمتع المركبات الفضائية ذات الجسم الرافعة بعدة مزايا مقارنةً بالمركبات ذات الأشكال الأخرى. فبفضل خصائص الرفع العالية أثناء الطيران عبر الغلاف الجوي عند عودتها من المدار، تستطيع المركبة الوصول إلى مساحة أرضية أكبر، مما يزيد من فرص الهبوط المتاحة في مواقع محددة. كما أن قوة التباطؤ أثناء الدخول ستكون محدودة إلى حوالي 1.5  جي. ^{[ 4 ]} وهذا أمر بالغ الأهمية عند إعادة أفراد طاقم محطة الفضاء الدولية المرضى أو المصابين أو الذين يعانون من ضعف اللياقة البدنية إلى الأرض. وسيكون الهبوط على مدرجات ذات عجلات ممكنًا، مما يسمح باستعادة المركبات بسهولة ودقة في العديد من المواقع حول العالم، بما في ذلك موقع الإطلاق في مركز كينيدي للفضاء . ^{[ 3 ]}

في الأصل، كانت مهمة نظام دعم الحياة الفضائية الأساسية هي نقل الركاب إلى محطة الفضاء فريدوم. أما بالنسبة لمهمة محطة الفضاء الأساسية، فكان حجم الطاقم يتراوح بين 8 و10 أفراد، وذلك بحسب التصميم. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

تبدأ عملية نموذجية لمهمة HL-20 في مركز كينيدي للفضاء، حيث تُعالج المركبة HL-20 أفقيًا في منشأة مخصصة لمعالجة المركبات، بينما تُعالج مركبة الإطلاق المستهلكة رأسيًا في منشأة منفصلة. يتم ربط مركبة الإطلاق بالـ HL-20 على منصة الإطلاق، وتبدأ عملية الإطلاق بمجرد مرور محطة الفضاء الدولية فوق موقع الإطلاق.

بعد الإطلاق، سيدخل الصاروخ HL-20 في البداية مدارًا منخفضًا على ارتفاع 200 كيلومتر (100 ميل بحري) لملاحقة محطة الفضاء الدولية، ثم ينتقل إلى مدار محطة الفضاء الدولية على ارتفاع 410 كيلومترات (220 ميلًا بحريًا) . بعد الالتقاء والالتحام بمحطة الفضاء الدولية، سيتم تبديل الطاقم، وسيبدأ الصاروخ HL-20 في التباطؤ للعودة إلى الأرض .  

ستهبط المركبة HL-20 أفقياً على مدرج مشابه لمدرج عودة مكوك الفضاء . وقد تصل مدة المهمة الإجمالية إلى 72 ساعة فقط. ^{[ 3 ]}

تضمنت المهام المحتملة الأخرى المحددة لنظام دعم الأقمار الصناعية (PLS) عمليات إنقاذ رواد الفضاء العالقين في المدار، ومهام التوصيل والمراقبة ذات الأولوية، ومهام صيانة الأقمار الصناعية. بالنسبة لهذه المهام الأخرى، سيبقى التصميم الأساسي لطائرة HL-20 دون تغيير، ولكن سيتم تعديل الأنظمة الفرعية والترتيبات الداخلية وفقًا لأماكن إقامة الطاقم، ومدة المهمة، والمعدات المطلوبة لكل مهمة على حدة. ^{[ 3 ]}

يُمكن تكييف مفهوم HL-20 لنظام الإطلاق الفضائي (PLS) مع العديد من مفاهيم مركبات الإطلاق. كان صاروخ تيتان 4 نظامًا معززًا موجودًا يُمكن استخدامه لإطلاق نماذج أولية غير مأهولة، أو كنظام مأهول بعد تعديله. ^{[ 6 ]} وكان من بين خيارات أنظمة الإطلاق المستقبلية نظام الإطلاق الوطني الذي كان قيد الدراسة من قبل القوات الجوية ووكالة ناسا في التسعينيات. يعتمد اختيار نظام الإطلاق لنظام HL-20 PLS على كلٍ من التاريخ المطلوب لبدء عمليات PLS الأولية وتكلفة تطوير المعززات وعمليات الإطلاق.

كان الهدف من تصميم نظام HL-20 PLS هو استكمال مكوك الفضاء بنقل آمن وموثوق للطاقم بأقل تكلفة. ^{[ 3 ]} وكانت سلامة الطاقم ذات أهمية قصوى، حيث ركز تصميم HL-20 على حماية الطاقم أثناء عمليات الإطلاق الفاشلة واستعادة المركبة. ^{[ 3 ]} كما ركزت متطلبات أخرى على تقليل تكاليف دورة حياة النظام من خلال ضمان سهولة التشغيل، وانخفاض تكلفة التصنيع، وارتفاع إمكانية الاستخدام. ^{[ 3 ]} وباستثناء مدة المهمة، كان من المتوقع أن يبلغ وقت التسليم 43 يومًا. ^{[ 5 ]}

يبلغ طول المركبة HL-20 الإجمالي حوالي 8.8 متر (29 قدمًا) وامتداد جناحيها 7.2 متر (23.5 قدمًا) ، ما يجعلها أصغر بكثير من مكوك الفضاء؛ إذ يمكن وضعها داخل حجرة حمولة المكوك عند طي جناحيها. ويُقدّر وزنها الفارغ بحوالي 10 أطنان (23,000 رطل ) مقارنةً بوزن مكوك الفضاء الفارغ البالغ 84 طنًا (185,000 رطل ) . وعلى الرغم من أن قمرة قيادتها أصغر من قمرة قيادة المكوك، إلا أنها تتجاوز حجم قمرة قيادة طائرات رجال الأعمال الصغيرة الحالية. ^{[ 6 ]}    

إن التركيز على سهولة الصيانة من شأنه أن يقلل تكاليف تشغيل نظام HL-20 PLS. سيتم تجهيز المركبة في وضع أفقي، وتتيح ألواح الوصول الخارجية الكبيرة سهولة الوصول إلى الأنظمة الفرعية، مما يسهل صيانتها أو استبدالها. سيركز اختيار وتصميم هذه الأنظمة الفرعية على البساطة ويقلل متطلبات الصيانة: على سبيل المثال، سيتم استبدال الأنظمة الهيدروليكية بأنظمة تحكم كهربائية بالكامل. علاوة على ذلك، وعلى عكس مكوك الفضاء، لن يحتوي HL-20 على حجرة حمولة أو محرك دفع رئيسي، وسيكون نظام الحماية الحرارية الخاص به ، على الرغم من تشابهه مع نظام مكوك الفضاء المكون من بلاطات وطلاءات قابلة للتآكل، أسرع بكثير في الفحص والصيانة نظرًا لصغر حجم HL-20. هذه التغييرات في التصميم وتبسيط الأنظمة الفرعية، إلى جانب اعتماد فلسفات صيانة الطائرات، من شأنها أن تقلل ساعات العمل اللازمة لتجهيز HL-20 إلى أقل من 10% من متطلبات مكوك الفضاء.

لحماية الطاقم أثناء عملية إطلاق فاشلة، يشتمل نظام الإطلاق HL-20 على العديد من ميزات السلامة. صُمم تصميمه الداخلي، الذي يتضمن سلمًا وفتحة، للسماح بخروج سريع للركاب والطاقم في حالات الطوارئ على منصة الإطلاق. في حالات الطوارئ التي تستدعي مغادرة الطاقم فورًا (كحريق أو انفجار مركبة الإطلاق)، يُجهز نظام الإطلاق HL-20، على غرار صواريخ برنامج أبولو، بصواريخ هروب طارئة لدفع النظام بعيدًا عن الصاروخ المعزز. عند الوصول إلى مسافة آمنة، تُفتح ثلاث مظلات طوارئ لإبطاء هبوط المركبة في المحيط. عند الهبوط في الماء، تضمن أجهزة الطفو القابلة للنفخ بقاء إحدى فتحتي النظام على الأقل فوق سطح الماء، لتكون متاحة لخروج الطاقم في حالات الطوارئ.

في أكتوبر 1989، بدأت شركة روكويل الدولية (قسم أنظمة الفضاء) مشروعًا تعاقديًا استمر عامًا كاملًا، بإدارة مركز لانغلي للأبحاث، لإجراء دراسة معمقة لتصميم وتشغيل نظام النقل الفضائي المأهول (PLS)، مع اعتبار نموذج HL-20 أساسًا للدراسة. وباستخدام منهجية الهندسة المتزامنة، أخذت روكويل في الاعتبار تدابير التصميم والتشغيل الفعّالة والقابلة للتطبيق عند وضع تصميم مفصل وفعّال من حيث التكلفة، إلى جانب خطة تصنيع وتقييم للعمليات. وكان من أهم نتائج هذه الدراسة إدراك أنه في حين أن عوامل التصميم والتكنولوجيا قد تُخفّض تكاليف نظام نقل فضائي مأهول جديد، فإن تحقيق وفورات كبيرة إضافية لن يكون ممكنًا إلا باعتماد فلسفة تشغيل جديدة تُعامل نظام النقل الفضائي المأهول (PLS) على نحو يُشبه التعامل مع طائرة ركاب عاملة، بدلًا من مركبة فضائية مخصصة للبحث والتطوير.

في أكتوبر 1991، بدأت شركة لوكهيد للتطوير المتقدم دراسة لتحديد جدوى تطوير نموذج أولي ونظام تشغيلي. وكانت أهدافهم تقييم السمات التقنية، وتحديد متطلبات التأهيل للطيران، ووضع تقديرات التكلفة والجدول الزمني.

أدى اتفاق تعاوني بين وكالة ناسا وجامعة ولاية كارولينا الشمالية وجامعة كارولينا الشمالية للعلوم الزراعية والتقنية إلى بناء نموذج بالحجم الطبيعي لمركبة الهبوط الفضائي HL-20 لإجراء المزيد من الأبحاث حول العوامل البشرية المتعلقة بهذا المفهوم. قام طلاب الجامعات، وفقًا لمتطلبات مركز لانغلي وبتوجيه من أساتذة الجامعة، بتصميم نموذج البحث خلال فصل الربيع من عام 1990، ثم استكملوا عملية البناء خلال فصل الصيف. استُخدم النموذج الناتج لتقييم العوامل البشرية، مثل عمليات دخول وخروج الطاقم، وحجم الطاقم وترتيبات السكن، ومتطلبات الرؤية للطاقم أثناء عمليات الالتحام والهبوط. ^{[ 3 ]}

تعتمد مركبة دريم تشيسر الفضائية على تصميم HL-20 ذي الجسم الرافعة. وقد طورتها شركة سبيس ديف لمسابقة خدمات النقل المداري التجاري لعام 2004 ، بينما كانت شركة سييرا نيفادا تتولى تطويرها لبرنامج تطوير الطاقم التجاري (CCDev). ^{[ 7 ]} لم تختر ناسا مركبة دريم تشيسر المأهولة للمرحلة النهائية من تطوير الطاقم التجاري (CCtCap). مع ذلك، اختارت ناسا مركبة دريم تشيسر المخصصة للشحن لبرنامج خدمات التموين التجاري 2 (CRS2).

كما اقترحت شركة أوربيتال ساينسز كوربوريشن نسخة مشتقة من HL-20 للجولة الثانية من تمويل CCDev، وهي المركبة الفضائية بروميثيوس .

تم اقتراح إطلاق المركبتين بدون غطاء على متن مركبة إطلاق أطلس 5 المأهولة .

• مارتن إكس-23 برايم
• كليبر
• ميكويان-غوريفيتش ميغ-105
• BOR-4
• ناسا إكس-38
• مطارد الأحلام
• بروميثيوس
• مكوك فضائي
• المركبة الفضائية
• HL-42 (مركبة فضائية)

• "HL-20" . ناسا. مؤرشف من الأصل بتاريخ 18-10-2006.
• نظام إطلاق الأفراد HL-20 على يوتيوب
• HL-10 و HL-20 على يوتيوب
• "HL-20" . رواد الفضاء . مؤرشف من الأصل بتاريخ 18-10-2006.
• سكالون، ويليام آي (1999). "الخصائص الديناميكية الهوائية وفعالية التحكم في تكوين الجسم الرافِع HL-20 عند سرعة ماخ 10 في الهواء" (ملف PDF) . ناسا. CiteSeerX 10.1.1.34.8652 . 
• "تحسين الأداء دون الصوتي لمفهوم نظام إطلاق الأفراد المقترح" (PDF) .
• "تصميم وتصنيع قاعدة الدعم والنموذج الداخلي لمركبة ناسا HL-20" (ملف PDF) . ناسا.
• "قدرات الإجهاض من منصة الإطلاق للجسم الرافعة HL-20" (ملف PDF) . ناسا.
• "تصميم وتصنيع نموذج ناسا HL-20 البحثي بالحجم الكامل" (ملف PDF) . ناسا.