عملية تصميم المكوك الفضائي

قبل هبوط أبولو 11 على القمر في عام 1969 ، بدأت ناسا دراسات تصميمات مكوك الفضاء في وقت مبكر من أكتوبر 1968. وقد أُطلق على الدراسات المبكرة اسم "المرحلة أ"، وفي يونيو 1970، "المرحلة ب"، والتي كانت أكثر تفصيلاً وتحديدًا. كان الاستخدام الأساسي المقصود لمكوك الفضاء المرحلة أ هو دعم محطة الفضاء المستقبلية ، ونقل طاقم لا يقل عن أربعة أفراد وحوالي 20000 رطل (9100 كجم) من البضائع، والقدرة على الدوران بسرعة للرحلات المستقبلية، مع رفع حمولات أكبر مثل وحدات محطة الفضاء بواسطة صاروخ ساتورن 5 .

برز تصميمان في المقدمة. أحدهما صممه مهندسون في مركز رحلات الفضاء المأهولة ، وكان جورج مولر هو من دافع عنه بشكل خاص . كان هذا نظامًا من مرحلتين بمركبة فضائية ذات أجنحة دلتا، ومعقدًا بشكل عام. جرت محاولة لإعادة التبسيط في شكل طائرة DC-3 ، التي صممها ماكسيم فاجيت ، الذي صمم كبسولة ميركوري من بين مركبات أخرى. كما تم تقديم العديد من العروض من مجموعة متنوعة من الشركات التجارية ولكنها سقطت بشكل عام على جانب الطريق حيث دفع كل مختبر تابع لوكالة ناسا إلى إصداره الخاص.

كان كل هذا يحدث في خضم فرق ناسا الأخرى التي اقترحت مجموعة واسعة من مهام ما بعد أبولو، والتي سيكلف عدد منها ما يعادل تكلفة أبولو أو أكثر. ^{[ بحاجة لمصدر ]} وبينما كانت كل هذه المشاريع تناضل من أجل التمويل، كانت ميزانية ناسا مقيدة بشدة في نفس الوقت. وفي النهاية، تم تقديم ثلاثة مشاريع إلى نائب رئيس الولايات المتحدة سبيرو أجنيو في عام 1969. وارتفع مشروع المكوك إلى القمة، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى الحملات الدؤوبة التي قام بها مؤيدوه. ^{[ بحاجة لمصدر ]} وبحلول عام 1970، تم اختيار المكوك باعتباره المشروع الرئيسي الوحيد لفترة ما بعد أبولو القصيرة الأجل.

عندما أصبح تمويل البرنامج موضع تساؤل، كانت هناك مخاوف من إمكانية إلغاء المشروع. أصبح هذا الأمر ملحًا بشكل خاص عندما أصبح من الواضح أن صاروخ ساتورن 5 لن يتم إنتاجه بعد الآن، مما يعني أن الحمولة إلى المدار بحاجة إلى زيادة في كل من الكتلة - حتى 60600 رطل (27500 كجم) - والحجم لتكملة قدرات الرفع الثقيل، اللازمة للمسبارات بين الكواكب المخطط لها ووحدات محطة الفضاء، مما يعني أن هناك حاجة إلى مركبة أكبر وأكثر تكلفة خلال المرحلة ب. لذلك، حاولت وكالة ناسا إثارة اهتمام القوات الجوية الأمريكية ومجموعة متنوعة من العملاء الآخرين باستخدام المكوك في مهامهم أيضًا. لخفض تكاليف تطوير التصاميم المقترحة، تمت إضافة معززات، وتم اعتماد خزان وقود يمكن التخلص منه، وتم إجراء العديد من التغييرات الأخرى التي قللت بشكل كبير من إمكانية إعادة الاستخدام وأضافت بشكل كبير إلى تكاليف المركبة والتشغيل.

في عام 1969، ترأس نائب رئيس الولايات المتحدة سبيرو أجنيو المجلس الوطني للملاحة الجوية والفضاء ، والذي ناقش خيارات ما بعد أبولو للأنشطة الفضائية البشرية . ^[1] كانت توصيات المجلس ستؤثر بشكل كبير على قرارات الإدارة . نظر المجلس في أربعة خيارات رئيسية:

• رحلة بشرية إلى المريخ
• برنامج القمر المتابعة
• برنامج البنية التحتية للمدار الأرضي المنخفض
• إيقاف الأنشطة الفضائية البشرية

بناءً على نصيحة مجلس الفضاء، اتخذ الرئيس نيكسون قرارًا بمواصلة خيار البنية التحتية للمدار الأرضي المنخفض . يتكون هذا البرنامج بشكل أساسي من بناء محطة فضائية ، جنبًا إلى جنب مع تطوير مكوك فضائي . ومع ذلك، حالت قيود التمويل دون متابعة تطوير كلا البرنامجين في وقت واحد. اختارت وكالة ناسا تطوير برنامج مكوك الفضاء أولاً، ثم خططت لاستخدام المكوك من أجل بناء محطة فضائية وخدمتها.

خلال دراسات المكوك المبكرة، كان هناك نقاش حول التصميم الأمثل للمكوك الذي يوازن بشكل أفضل بين القدرة وتكلفة التطوير وتكلفة التشغيل. في البداية، كان التصميم القابل لإعادة الاستخدام بالكامل مفضلًا. وتضمن ذلك معززًا مجنحًا كبيرًا جدًا يحمل مركبة مدارية مأهولة بجناح أصغر. سترفع مركبة التعزيز المركبة المدارية إلى ارتفاع وسرعة معينين، ثم تنفصل. سيعود المعزز ويهبط أفقيًا، بينما تستمر المركبة المدارية في مدار أرضي منخفض . بعد إكمال مهمتها، ستعود المركبة المدارية المجنحة وتهبط أفقيًا على مدرج. كانت الفكرة هي أن إعادة الاستخدام الكاملة من شأنها أن تعزز انخفاض تكاليف التشغيل.

ومع ذلك، أظهرت دراسات أخرى أن هناك حاجة إلى معزز ضخم لرفع مركبة فضائية بقدرة الحمولة المطلوبة. وفي أنظمة الفضاء والطيران، ترتبط التكلفة ارتباطًا وثيقًا بالكتلة، لذا فإن هذا يعني أن التكلفة الإجمالية للمركبة ستكون مرتفعة للغاية. سيكون لكل من المعزز والمركبة الفضائية محركات صاروخية 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 نهج تنافسي آخر وهو الحفاظ على خط إنتاج صاروخ ساتورن 5 واستخدام سعته الكبيرة من الحمولة لإطلاق محطة فضائية في عدد قليل من الحمولات بدلاً من العديد من حمولات المكوك الأصغر. وكان هناك مفهوم ذو صلة وهو صيانة محطة الفضاء باستخدام صاروخ تيتان 3-إم التابع للقوات الجوية لإطلاق كبسولة جيميني أكبر ، تسمى " بيج جيميني "، أو نسخة "شراعية" أصغر من المكوك بدون محركات رئيسية ومساحة حمولة 15 قدمًا × 30 قدمًا (4.6 مترًا × 9.1 مترًا).

أجاب مؤيدو المكوك أنه في حالة إطلاق عدد كافٍ من المركبات الفضائية، فإن النظام القابل لإعادة الاستخدام سيكون له تكاليف إجمالية أقل من الصواريخ التي يمكن التخلص منها. إذا قسمت إجمالي تكاليف البرنامج على عدد معين من عمليات الإطلاق، فإن معدل إطلاق المكوك المرتفع سيؤدي إلى انخفاض تكاليف ما قبل الإطلاق. وهذا بدوره سيجعل تكلفة المكوك تنافسية مع أو متفوقة على قاذفات الاستبدال. ذكرت بعض الدراسات النظرية 55 عملية إطلاق مكوكية سنويًا؛ ومع ذلك، فإن التصميم النهائي المختار لم يدعم معدل الإطلاق هذا. على وجه الخصوص، تم تقييد معدل إنتاج الخزان الخارجي الأقصى بـ 24 خزانًا سنويًا في منشأة تجميع ميشود التابعة لوكالة ناسا .

لم تكن متطلبات محطة الفضاء والقوات الجوية كافية للوصول إلى معدلات إطلاق المكوك المطلوبة. لذلك، كانت الخطة هي أن تستخدم جميع عمليات الإطلاق الفضائية الأمريكية المستقبلية - محطات الفضاء والقوات الجوية والأقمار الصناعية التجارية والأبحاث العلمية - مكوك الفضاء فقط. سيتم التخلص التدريجي من معظم المعززات القابلة للاستبدال الأخرى.

وفي نهاية المطاف، تم التخلي عن الصاروخ المعزز القابل لإعادة الاستخدام بسبب عدة عوامل: السعر المرتفع (إلى جانب التمويل المحدود)، والتعقيد التقني، ومخاطر التطوير. وبدلاً من ذلك، تم اختيار تصميم قابل لإعادة الاستخدام جزئيًا (وليس بالكامل)، حيث تم التخلص من خزان الوقود الخارجي لكل عملية إطلاق، وتم تجديد صواريخ الدفع والمكوك الفضائي لإعادة الاستخدام.

في البداية، كان من المقرر أن تحمل المركبة الفضائية وقودها السائل الخاص بها . ومع ذلك، أظهرت الدراسات أن حمل الوقود في خزان خارجي يسمح بمساحة حمولة أكبر في مركبة أصغر بكثير. كما يعني ذلك التخلص من الخزان بعد كل إطلاق، لكن هذا كان جزءًا صغيرًا نسبيًا من تكاليف التشغيل.

افترضت التصميمات السابقة أن المركبة المدارية المجنحة ستحتوي أيضًا على محركات نفاثة للمساعدة في المناورة في الغلاف الجوي بعد إعادة الدخول. ومع ذلك، اختارت ناسا في النهاية مركبة مدارية انزلاقية، استنادًا جزئيًا إلى الخبرة المكتسبة من مركبات الصواريخ ثم الانزلاق السابقة مثل X-15 وأجسام الرفع . سيؤدي حذف المحركات النفاثة ووقودها إلى تقليل التعقيد وزيادة الحمولة.

كان القرار الآخر هو حجم الطاقم. قال البعض إن المكوك يجب ألا يحمل أكثر من أربعة، وهو الحد الأقصى الذي يمكن استخدام مقاعد القذف فيه . كان القائد والطيار وأخصائي المهمة وأخصائي الحمولة كافيين لأي مهمة. توقعت وكالة ناسا أن تحمل المزيد من المشاركين في رحلات الفضاء كمتخصصين في الحمولة، لذلك صممت المركبة لحمل المزيد. ^[2]

كان النقاش المتبقي الأخير يدور حول طبيعة الصواريخ المعززة. وقد درست وكالة ناسا أربعة حلول لهذه المشكلة: تطوير المرحلة السفلية الحالية من صاروخ ساتورن، أو محركات بسيطة تعمل بالوقود السائل تحت الضغط بتصميم جديد، أو صاروخ صلب واحد كبير، أو صاروخان أصغر (أو أكثر). وكان المهندسون في مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا (حيث تم إدارة تطوير صاروخ ساتورن 5) قلقين بشكل خاص بشأن موثوقية الصواريخ الصلبة للمهام المأهولة.

خلال منتصف الستينيات، ألغت القوات الجوية الأمريكية كلاً من مشروعيها الفضائيين الرئيسيين، X-20 Dyna-Soar و Manned Orbiting Laboratory . وقد أظهر هذا حاجتها للتعاون مع وكالة ناسا لوضع رواد فضاء عسكريين وحمولات في المدار. أطلقت القوات الجوية أكثر من 200 مهمة استطلاع عبر الأقمار الصناعية بين عامي 1959 و1970، وكان الحجم الكبير من الحمولات العسكرية مفيدًا في جعل المكوك أكثر اقتصادا. ^{[3] : 213-216} بدوره، من خلال تلبية احتياجات القوات الجوية، أصبح المكوك نظامًا وطنيًا حقيقيًا، يحمل جميع الحمولات العسكرية والمدنية. ^[4]

سعت وكالة ناسا للحصول على دعم القوات الجوية للمكوك. بعد أن كشفت حرب الأيام الستة والغزو السوفييتي لتشيكوسلوفاكيا عن القيود في شبكة استطلاع الأقمار الصناعية للولايات المتحدة ، أكد تورط القوات الجوية على القدرة على إطلاق أقمار تجسس جنوبًا إلى مدار قطبي من قاعدة فاندنبرغ الجوية . يتطلب هذا طاقات أعلى من المدارات ذات الميل المنخفض. ومع ذلك، لتتمكن من العودة إلى الأرض بعد مدار واحد، على الرغم من دوران الأرض على بعد 1000 ميل تحت المسار المداري، يتطلب حجم جناح دلتا أكبر من المكوك البسيط "DC-3" السابق. بالإضافة إلى ذلك، فإن تكوين الجناح المستقيم الذي يفضله ماكس فاجيت كان سيتطلب من المركبة الطيران في حالة توقف لمعظم إعادة الدخول وكان لديه مشاكل أثناء عمليات الإجهاض للإطلاق، وهو موقف لا تحبه وكالة ناسا. ^[5] من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن جناح الدلتا كان بناءً على طلب القوات الجوية الأمريكية فقط، ومع ذلك فهذه مجرد أسطورة.

على الرغم من الفوائد المحتملة للقوات الجوية، إلا أن الجيش كان راضيًا عن معززاته القابلة للتصرف، وكان لديه حاجة أقل للمكوك مقارنة بوكالة ناسا. ولأن وكالة الفضاء كانت بحاجة إلى دعم خارجي، فقد اكتسبت وزارة الدفاع ومكتب الاستطلاع الوطني السيطرة الأساسية على عملية التصميم. على سبيل المثال، خططت وكالة ناسا لحجرة شحن بمساحة 40 × 15 قدمًا (12.2 × 4.6 مترًا)، لكن مكتب الاستطلاع الوطني حدد حاوية بمساحة 60 × 15 قدمًا (18.3 × 4.6 مترًا) لأنه توقع أن تصبح أقمار الاستخبارات المستقبلية أكبر. عندما اقترح فاجيت مرة أخرى حاوية حمولة بعرض 12 قدمًا (3.7 مترًا)، أصر الجيش على الفور تقريبًا على الاحتفاظ بعرض 15 قدمًا (4.6 مترًا). ^[3] كما اكتسبت القوات الجوية ما يعادل استخدام إحدى المكوكات مجانًا على الرغم من عدم دفع ثمن تطوير المكوك أو بنائه. في مقابل تنازلات وكالة ناسا، أدلت القوات الجوية بشهادتها أمام لجنة الفضاء بمجلس الشيوخ نيابة عن المكوك الفضائي في مارس 1971. ^{[3] : 216، 232–234  [6]}

كحافز آخر للجيش لاستخدام المكوك، ورد أن الكونجرس أبلغ وزارة الدفاع أنه لن يدفع ثمن أي أقمار صناعية غير مصممة لتناسب حاوية شحن المكوك. ^[7] وعلى الرغم من أن NRO لم تقم بإعادة تصميم الأقمار الصناعية الموجودة للمكوك، إلا أن المركبة احتفظت بالقدرة على استعادة الشحنات الكبيرة مثل KH-9 HEXAGON من المدار للتجديد، ودرست الوكالة إعادة تزويد القمر الصناعي في الفضاء. ^[8]

الاستخدام العسكري المحتمل للمكوك - بما في ذلك إمكانية استخدامه للتحقق من امتثال الاتحاد السوفيتي لمعاهدة SALT II - ربما تسبب في عدم قيام الرئيس جيمي كارتر بإلغاء المكوك في عامي 1979 و 1980، عندما تأخر البرنامج عن الموعد المحدد بسنوات وتجاوز الميزانية بمئات الملايين من الدولارات. ^[9] خططت القوات الجوية لامتلاك أسطولها الخاص من المكوك وإعادة بناء منشأة إطلاق منفصلة مستمدة في الأصل من برنامج مختبر المدار المأهول الملغى في فاندنبرغ يسمى مجمع الإطلاق الفضائي السادس (SLC-6) . ومع ذلك، ولأسباب مختلفة، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى فقدان مكوك الفضاء تشالنجر في 28 يناير 1986، توقف العمل في SLC-6 في النهاية ولم تحدث عمليات إطلاق مكوك من ذلك الموقع على الإطلاق. تم استخدام SLC-6 في النهاية لإطلاق مركبات الإطلاق القابلة للتصرف أثينا التي بنتها شركة لوكهيد مارتن ، والتي تضمنت قمر المراقبة الأرضية التجاري الناجح IKONOS في سبتمبر 1999 قبل إعادة تكوينه مرة أخرى للتعامل مع الجيل الجديد من Boeing Delta IV . حدث أول إطلاق لصاروخ دلتا الرابع الثقيل من SLC-6 في يونيو 2006، حيث أطلق NROL-22، وهو قمر صناعي سري لمكتب الاستطلاع الوطني الأمريكي (NRO).

في حين أن وكالة ناسا ربما كانت ستختار المعززات السائلة لو كانت لديها سيطرة كاملة على التصميم، أصر مكتب الإدارة والميزانية على معززات صلبة أقل تكلفة بسبب انخفاض تكاليف تطويرها المتوقعة. ^{[3] : 416-423  [10]} في حين أن تصميم المعزز الذي يعمل بالوقود السائل يوفر أداءً أفضل وتكاليف أقل لكل رحلة وتأثيرًا بيئيًا أقل ومخاطر تطوير أقل، فقد اعتُبر أن المعززات الصلبة تتطلب تمويلًا أقل للتطوير في وقت كان فيه برنامج المكوك يحتوي على العديد من العناصر المختلفة المتنافسة على أموال التطوير المحدودة. كان التصميم النهائي الذي تم اختياره عبارة عن مركبة مدارية مجنحة بثلاثة محركات تعمل بالوقود السائل وخزان خارجي كبير قابل للتصرف يحتوي على وقود سائل لهذه المحركات ومعززان صاروخيان صلبان قابلان لإعادة الاستخدام .

في ربيع عام 1972، قدمت شركة لوكهيد إيركرافت وماكدونيل دوغلاس وجرومان ونورث أميركان روكويل مقترحات لبناء المكوك. اعتقدت مجموعة اختيار ناسا أن مكوك لوكهيد كان معقدًا للغاية ومكلفًا للغاية، ولم تكن الشركة لديها خبرة في بناء المركبات الفضائية المأهولة. كان مكوك ماكدونيل دوغلاس مكلفًا للغاية وكان به مشكلات فنية. كان لدى جرومان تصميم ممتاز بدا باهظ الثمن أيضًا. كان مكوك نورث أميركان هو الأقل تكلفة والأكثر واقعية في توقعات التكلفة، وكان تصميمه هو الأسهل للصيانة المستمرة، وأثبت حادث أبولو 13 الذي شمل وحدة القيادة والخدمة التابعة لشركة نورث أميركان خبرتها في حالات فشل النظام الكهربائي. أعلنت ناسا اختيارها لشركة نورث أميركان في 26 يوليو 1972. ^{[3] : 429–432}

استخدم برنامج مكوك الفضاء لغة البرمجة HAL/S . ^[11] وكان أول معالج دقيق تم استخدامه هو 8088 ولاحقًا 80386. وكان كمبيوتر إلكترونيات الطيران لمركبة مكوك الفضاء هو IBM AP-101 .

تختلف الآراء حول الدروس المستفادة من المكوك الفضائي. فقد تم تطويره وفقًا لتقديرات تكلفة التطوير والوقت الأصلية التي أعطيت للرئيس ريتشارد نيكسون في عام 1971، ^[12] بتكلفة 6.744 مليار دولار  في عام 1971 (ما يعادل 38.9 مليار دولار في عام 2023) ^[13] مقابل تقدير أصلي قدره 5.15  مليار دولار. ^[14] ومع ذلك، كانت تكاليف التشغيل ومعدل الطيران وسعة الحمولة والموثوقية مختلفة عن المتوقع. ^[12]

• بوران (مركبة فضائية)
• مرحلة واحدة إلى المدار
• أوضاع إجهاض المكوك الفضائي
• برنامج المكوك الفضائي
• عملية تصميم مركبة الفضاء سبيس إكس
• دراسة تصاميم المكوك الفضائي

• الدكتور فيرنر فون براون - "الطائرة الفضائية التي يمكنها أن تضعك في مدار حول الأرض" (Popular Science، يوليو 1970)

• مقالة عن مكوك الفضاء أسترونوتيكس
• ناسا: قرار مكوك الفضاء
• مقدمة لخطط إطلاق المركبات الفضائية في المستقبل [1963-2001]، بقلم م. ليندروس
• 10 مكوكات فضائية لم تطير أبدًا (لوكهيد ستاركليبر، كرايسلر سيرف، مكوكات المرحلة ب، روكويل سي-1057، مكوك سي، مركبة الإطلاق الجوي (ALSV)، هيرميس، بوران، مكوك ثان، لوكهيد مارتن فينتشر ستار)