محطة الفضاء

ورد أول ذكر لأي شيء يشبه محطة فضائية في رواية " القمر الطوبي " لإدوارد إيفريت هيل عام 1868. ^{[ 2 ]} وكان كونستانتين تسيولكوفسكي وهيرمان أوبرث أول من أولى محطات الفضاء اهتمامًا جادًا ومبنيًا على أسس علمية، وذلك بفارق عقدين تقريبًا في أوائل القرن العشرين. ^{[ 3 ]}

في عام ١٩٢٩، نُشر كتاب هيرمان بوتوتشنيك " مشكلة السفر إلى الفضاء" ، وهو أول كتاب يتصور محطة فضائية ذات "عجلة دوارة" لخلق جاذبية اصطناعية . ^{[ ٢ ]} وخلال الحرب العالمية الثانية ، طُورت فكرة " مدفع الشمس "، وهو سلاح مداري نظري يدور حول الأرض على ارتفاع ٨٢٠٠ كيلومتر (٥١٠٠ ميل) . ولم تُجرَ أي أبحاث أخرى بشأنه. ^{[ ٤ ]} وفي عام ١٩٥١، نشر فيرنر فون براون تصورًا لمحطة فضائية ذات عجلة دوارة في مجلة كوليرز ويكلي ، مشيرًا إلى فكرة بوتوتشنيك. ومع ذلك، لم يبدأ تطوير محطة دوارة في القرن العشرين. ^{[ ٣ ]} 

انطلق أول إنسان إلى الفضاء وأكمل أول مدار له في 12 أبريل 1961، على متن فوستوك 1 .

كانت تصاميم محطات الفضاء المبكرة في معظمها مفاهيم نظرية، لكن العمل الذي أُجري في شركة كونفير بين عامي 1959 و1961 أثمر عن نموذج بالحجم الطبيعي لمحطة أبحاث فلكية مأهولة لتقييمها على الأرض. ^{[ 5 ]} كان برنامج أبولو، في مراحله التخطيطية الأولى، يتضمن بدلاً من الهبوط على سطح القمر ، رحلة مدارية مأهولة حول القمر ومحطة مختبرية مدارية حول الأرض، والتي كانت تُعرف أحيانًا باسم مشروع أوليمبوس ، كهدفين محتملين للبرنامج، إلى أن سارعت إدارة كينيدي في تنفيذه وجعلت برنامج أبولو يركز على ما كان مُخططًا له في الأصل، وهو الهبوط على سطح القمر. وقد اقتُرحت محطة مشروع أوليمبوس الفضائية، أو المختبر المداري لبرنامج أبولو، كهيكل فضائي قابل للطي مع وحدة القيادة والخدمة الخاصة بأبولو للالتحام. ^{[ 6 ]} وعلى الرغم من عدم تنفيذه، كان من المفترض أن تقوم وحدة القيادة والخدمة الخاصة بأبولو بمناورات الالتحام ، وأن تصبح في نهاية المطاف وحدة مدارية قمرية تُستخدم لأغراض شبيهة بالمحطة الفضائية.

لكن قبل ذلك، مهد برنامج جيميني الطريق وحقق أول عملية الالتقاء الفضائي (غير الملتحمة) مع جيميني 6 وجيميني 7 في عام 1965. وفي وقت لاحق في عام 1966، قام نيل أرمسترونج على متن جيميني 8 بأول عملية التحام فضائي على الإطلاق، بينما في عام 1967 كانت كوسموس 186 وكوسموس 188 أول مركبتين فضائيتين تلتحمان تلقائيًا.

في يناير 1969، قامت سويوز 4 وسويوز 5 بأول عملية نقل طاقم ملتحمة، ولكن ليس داخليًا، وفي مارس، قامت أبولو 9 بأول عملية نقل داخلي لرواد الفضاء بين مركبتين فضائيتين ملتحمتين.

في عام 1971، طوّر الاتحاد السوفيتي وأطلق أول محطة فضائية في العالم، ساليوت 1. [ ^{7 ] وانضمت} لاحقًا إلى سلسلتي ألماز وساليوت محطات سكايلاب ومير وتيانغونغ 1 وتيانغونغ 2. ولا تزال المعدات التي طُوّرت خلال الجهود السوفيتية الأولية قيد الاستخدام، حيث تشكّل نسخ مُطوّرة منها جزءًا كبيرًا من محطة الفضاء الدولية التي تدور في مدارها حتى اليوم. ويبقى كل فرد من أفراد الطاقم على متن المحطة لأسابيع أو شهور، ولكن نادرًا ما تتجاوز مدة إقامته عامًا واحدًا.

كانت المحطات الأولى ذات تصميمات متجانسة، تُبنى وتُطلق كوحدة واحدة، وتحتوي عادةً على جميع مؤنها ومعداتها التجريبية. ثم يُرسل طاقم للانضمام إلى المحطة وإجراء البحوث. وبعد نفاد المؤن، تُهجر المحطة. ^{[ 7 ]}

كانت محطة ساليوت 1 أول محطة فضائية أُطلقت من قِبل الاتحاد السوفيتي في 19 أبريل 1971. حملت جميع المحطات السوفيتية الأولى اسم "ساليوت"، ولكن كان من بينها نوعان متميزان: مدنية وعسكرية. عُرفت المحطات العسكرية، ساليوت 2 وساليوت 3 وساليوت 5 ، أيضًا باسم محطات ألماز . ^{[ 8 ]}

بُنيت محطتا ساليوت 6 وساليوت 7 المدنيتان بمنفذي إرساء، مما سمح لطاقم ثانٍ بالوصول إليهما حاملاً مركبة فضائية جديدة؛ إذ كان بإمكان مركبة سويوز البقاء في الفضاء لمدة 90 يومًا، وعندها كان لا بد من استبدالها بمركبة سويوز جديدة. ^{[ 9 ]} وقد أتاح ذلك وجود طاقم لإدارة المحطة بشكل مستمر. كما زُوّدت محطة سكايلاب الأمريكية (1973-1979) بمنفذي إرساء، مثل محطات الجيل الثاني، ولكن المنفذ الإضافي لم يُستخدم قط. وقد سمح وجود منفذ ثانٍ في المحطات الجديدة بإرساء مركبات الإمداد بروجرس بالمحطة، مما يعني إمكانية جلب إمدادات جديدة لدعم المهمات طويلة الأمد. وقد تم توسيع هذا المفهوم في ساليوت 7، التي رست بشكل كامل مع قاطرة TKS قبل فترة وجيزة من إخلائها؛ وقد مثّل ذلك دليلاً على جدوى استخدام محطات الفضاء المعيارية. ويمكن اعتبار محطات ساليوت اللاحقة مرحلة انتقالية بين المجموعتين. ^{[ 8 ]}

على عكس المحطات السابقة، تميزت محطة الفضاء السوفيتية "مير" بتصميمها المعياري ؛ حيث يتم إطلاق وحدة أساسية، ثم تُضاف إليها وحدات إضافية، عادةً ما يكون لكل منها دور محدد. تتيح هذه الطريقة مرونة أكبر في التشغيل، فضلاً عن الاستغناء عن الحاجة إلى مركبة إطلاق واحدة فائقة القوة . كما صُممت المحطات المعيارية منذ البداية بحيث يتم تزويدها بالإمدادات عبر مركبات الدعم اللوجستي، مما يُطيل عمرها التشغيلي على حساب الحاجة إلى عمليات إطلاق دعم منتظمة. ^{[ 10 ]}

تنقسم محطة الفضاء الدولية إلى قسمين رئيسيين، هما القطاع المداري الروسي (ROS) والقطاع المداري الأمريكي (USOS). أُطلقت الوحدة الأولى من محطة الفضاء الدولية، زاريا ، في عام 1998. ^{[ 11 ]}

استطاعت وحدات الجيل الثاني من القطاع المداري الروسي الانطلاق على متن صاروخ بروتون ، والوصول إلى المدار الصحيح، والالتحام ذاتيًا دون تدخل بشري. ^{[ 12 ]} ويتم توصيل الطاقة والبيانات والغازات والوقود تلقائيًا. ويتيح النهج الروسي المستقل تجميع محطات الفضاء قبل إطلاق الطاقم.

تتميز وحدات الجيل الثاني الروسية بإمكانية إعادة تهيئتها لتلبية الاحتياجات المتغيرة. في عام 2009، كانت مؤسسة الطاقة الروسية (RKK Energia) تدرس إمكانية إزالة بعض وحدات نظام التشغيل الروسي (ROS) وإعادة استخدامها في مجمع التجميع والتجارب المداري المأهول (OPSEK) بعد انتهاء مهمة محطة الفضاء الدولية (ISS). ^{[ 13 ]} مع ذلك، في سبتمبر 2017، صرّح رئيس وكالة الفضاء الروسية (Roscosmos) بأنه قد تمّت دراسة الجدوى التقنية لفصل المحطة لتشكيل مجمع التجميع والتجارب المداري المأهول (OPSEK)، وأنه لا توجد حاليًا أي خطط لفصل الجزء الروسي من محطة الفضاء الدولية. ^{[ 14 ]}

في المقابل، أُطلقت الوحدات الأمريكية الرئيسية على متن مكوك الفضاء ، وقام الطاقم بتثبيتها على محطة الفضاء الدولية أثناء عمليات السير في الفضاء . كما تم في هذه المرحلة توصيل الطاقة الكهربائية والبيانات والدفع وسوائل التبريد، مما أدى إلى تكوين وحدة متكاملة غير مصممة للتفكيك، ويجب إخراجها من المدار كوحدة واحدة. ^{[ 15 ]}

محطة أكسيوم هي محطة فضائية تجارية مُخطط لها، ستبدأ كوحدة واحدة مُلتحمة بمحطة الفضاء الدولية. حصلت شركة أكسيوم سبيس على موافقة وكالة ناسا على المشروع في يناير 2020. من المتوقع إطلاق الوحدة الأولى، وهي وحدة نقل الطاقة للحمولة (PPTM)، إلى محطة الفضاء الدولية في موعد لا يتجاوز عام 2027. ^{[ 16 ]} ستبقى وحدة PPTM في محطة الفضاء الدولية حتى إطلاق وحدة هابيتات وان (Hab-1) التابعة لشركة أكسيوم بعد حوالي عام، وبعدها ستنفصل عن محطة الفضاء الدولية لتلتحم بوحدة Hab-1. ^{[ 16 ]}

أُطلق أول مختبر فضائي صيني، تيانغونغ-1، في سبتمبر 2011. ^{[ 17 ]} ثم نجحت المركبة الفضائية غير المأهولة شنتشو 8 في عملية الالتقاء والالتحام التلقائي في نوفمبر 2011. بعد ذلك، التحمت المركبة المأهولة شنتشو 9 بتيانغونغ-1 في يونيو 2012، تلتها المركبة المأهولة شنتشو 10 في عام 2013. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

بحسب مكتب هندسة الفضاء المأهول الصيني ، دخلت المركبة الفضائية تيانغونغ-1 الغلاف الجوي فوق جنوب المحيط الهادئ ، شمال غرب تاهيتي ، في 2 أبريل 2018 الساعة 00:15 بالتوقيت العالمي المنسق. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

أُطلق مختبر الفضاء الثاني تيانغونغ-2 في سبتمبر 2016، بينما دُمجت خطة تيانغونغ-3 مع تيانغونغ-2. ^{[ 22 ]} دخلت المحطة الغلاف الجوي بشكل مُتحكم به في 19 يوليو 2019 واحترقت فوق جنوب المحيط الهادئ. ^{[ 23 ]}

محطة تيانغونغ الفضائية ( بالصينية :天宫؛ بينيين : Tiāngōng ؛ وتعني حرفيًا " القصر السماوي " )، التي أُطلق أول وحدة منها في 29 أبريل 2021، ^{[ 24 ]} تدور في مدار أرضي منخفض، على ارتفاع يتراوح بين 340 و450 كيلومترًا فوق سطح الأرض، بزاوية ميل مداري تتراوح بين 42 و43 درجة. وتم توسيع الوحدة الأساسية في عام 2022 بإضافة وحدتين مختبريتين، ليصل إجمالي سعة المحطة إلى ستة رواد فضاء. واكتمل بناء المحطة في 5 نوفمبر 2022. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

تُصنع محطات الفضاء من مواد متينة تتحمل إشعاع الفضاء ، والضغط الداخلي، والنيازك الدقيقة ، والتأثيرات الحرارية للشمس، ودرجات الحرارة المنخفضة لفترات طويلة. وعادةً ما تُصنع من الفولاذ المقاوم للصدأ ، والتيتانيوم ، وسبائك الألومنيوم عالية الجودة ، مع طبقات عازلة مثل الكيفلار كدرع واقٍ من المقذوفات. ^{[ 50 ]}

تحتوي محطة الفضاء الدولية على وحدة قابلة للنفخ واحدة، هي وحدة بيجلو القابلة للتمدد ، والتي تم تركيبها في أبريل  2016 بعد وصولها إلى المحطة على متن مهمة إعادة التموين CRS-8 التابعة لشركة سبيس إكس . ^{[ 51 ] [ 52 ]} تزن هذه الوحدة، التي استندت إلى أبحاث ناسا في التسعينيات، 1400 كيلوغرام (3100 رطل) ، وقد نُقلت وهي مضغوطة قبل أن يتم تثبيتها على المحطة بواسطة ذراع المحطة الفضائية ونفخها لتوفير حجم 16 مترًا مكعبًا (21 ياردة مكعبة ) . على الرغم من أنها صُممت في البداية لعمر افتراضي يبلغ عامين، إلا أنها ظلت مثبتة وتُستخدم للتخزين حتى أغسطس 2022. ^{[ 53 ] [ 54 ]}    

• ساليوت 1 - أول محطة فضائية، أُطلقت عام 1971
• سكايلاب – تم إطلاقها في عملية إطلاق واحدة في مايو 1973
• مير – أول محطة فضائية معيارية يتم تجميعها في المدار
• محطة الفضاء الدولية – محطة فضائية معيارية يتم تجميعها في المدار
• محطة تيانغونغ الفضائية – محطة فضائية صينية

تُشكّل بيئة محطة الفضاء تحدياتٍ عديدة أمام استيطان الإنسان فيها، تشمل مشاكل قصيرة الأجل كقلة إمدادات الهواء والماء والغذاء، والحاجة إلى إدارة الحرارة المهدرة ، ومشاكل طويلة الأجل كعدم الجاذبية وارتفاع مستويات الإشعاع المؤين . ويمكن لهذه الظروف أن تُسبّب مشاكل صحية مزمنة لسكان محطة الفضاء، منها ضمور العضلات ، وتدهور العظام ، واضطرابات التوازن ، واضطرابات البصر ، وارتفاع خطر الإصابة بالسرطان . ^{[ 55 ]}

قد تسعى الموائل الفضائية المستقبلية إلى معالجة هذه المشكلات، ويمكن تصميمها لتكون صالحة للسكن لفترات تتجاوز الأسابيع أو الأشهر التي تستغرقها المهمات الحالية عادةً. تشمل الحلول الممكنة توليد جاذبية اصطناعية بواسطة هيكل دوار ، وتوفير دروع واقية من الإشعاع ، وتطوير أنظمة بيئية زراعية في الموقع. بل قد تستوعب بعض التصاميم أعدادًا كبيرة من الناس، لتصبح بمثابة "مدن فضائية" يقيم فيها الناس بشكل شبه دائم. ^{[ 56 ]}

يمكن أن تُنتج الفطريات التي تنمو على متن محطات الفضاء أحماضًا تُؤدي إلى تحلل المعادن والزجاج والمطاط. وعلى الرغم من تزايد عدد الأساليب الجزيئية المستخدمة للكشف عن الكائنات الدقيقة، إلا أن الوسائل السريعة والفعّالة لتقييم قدرة الخلايا الميكروبية على البقاء، وفقًا لسلالتها التطورية، لا تزال غير متوفرة. ^{[ 57 ]}

ومثل المركبات الفضائية غير المأهولة القريبة من الشمس، تعتمد محطات الفضاء في النظام الشمسي الداخلي عمومًا على الألواح الشمسية للحصول على الطاقة. ^{[ 58 ]}

يتم جلب الهواء والماء إلى محطة الفضاء من الأرض بواسطة مركبة فضائية قبل إعادة تدويرهما. ويمكن توفير الأكسجين الإضافي بواسطة مولد أكسجين يعمل بالوقود الصلب . ^{[ 59 ]}

كانت محطة الفضاء السوفيتية ساليوت 5 آخر محطة فضائية للاستخدام العسكري ، والتي تم إطلاقها في إطار برنامج ألماس ودارت في المدار بين عامي 1976 و1977. ^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]}

تُستخدم العديد من المركبات الفضائية للالتحام بمحطات الفضاء. وكانت رحلة سويوز T-15 في الفترة من مارس إلى يوليو 1986 أول مركبة فضائية، وحتى عام 2016، المركبة الوحيدة التي زارت محطتين فضائيتين مختلفتين، وهما مير وساليوت 7. ^{[ 65 ]}

شملت الأبحاث التي أجريت على متن محطة مير أول مشروع بحثي طويل الأمد تابع لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) بعنوان EUROMIR  95 والذي استمر 179  يومًا وتضمن 35 تجربة علمية. ^{[ 104 ]}

خلال العشرين عامًا الأولى من تشغيل محطة الفضاء الدولية، أُجري ما يقارب 3000 تجربة علمية في مجالات علم الأحياء والتكنولوجيا الحيوية، وتطوير التكنولوجيا، والأنشطة التعليمية، والبحوث البشرية، والعلوم الفيزيائية، وعلوم الأرض والفضاء. ^{[ 105 ] [ 106 ]}

في محطة الفضاء الدولية ، يدفع بعض الضيوف 50 مليون دولار لقضاء أسبوع يعيشون فيه حياة رواد الفضاء . ومن المتوقع أن يتوسع قطاع السياحة الفضائية لاحقاً بمجرد انخفاض تكاليف الإطلاق بشكل كافٍ. وبحلول نهاية العقد الحالي، قد تصبح الفنادق الفضائية شائعة نسبياً.