دراسة تصميمات مكوك الفضاء

كانت مركبة الإطلاق الثقيلة مشروعًا بحثيًا أجرته وكالة ناسا لتحويل منصة إطلاق مكوك الفضاء إلى منصة إطلاق مخصصة للشحنات غير المأهولة. كان من المقرر دمج الخزان الخارجي ومعززات الصواريخ الصلبة لمكوك الفضاء مع وحدة شحن تحل محل مدار المكوك وتضم المحركات الرئيسية لمكوك الفضاء . وكان من المقرر استخدام كبسولة عودة باليستية كهيكل للمحرك الرئيسي، تحمل من 2 إلى 4 محركات رئيسية لمكوك الفضاء ، بالإضافة إلى تركيب مرحلة الحمولة/التعزيز. وكان من المقرر استعادتها بواسطة مظلات في المناطق النائية الأسترالية أو شمال المكسيك. وأُضيفت أجنحة رفع صغيرة لتحسين دقة الهبوط. تمت دراسة مفاهيم مختلفة لمركبة الإطلاق الثقيلة بين عامي 1984 و1995، وأصبحت تُعرف في النهاية باسم مكوك الفضاء-سي، الذي كان يفتقر إلى المحركات القابلة لإعادة الاستخدام وكبسولات العودة الباليستية.

من الناحية النظرية، كان من شأن مفهوم المكوك الفضائي "سي" أن يقلل تكاليف تطوير مركبة إطلاق ثقيلة من خلال إعادة استخدام التكنولوجيا التي طُوّرت لبرنامج المكوك الفضائي. وكان من المقرر أيضاً استخدام معدات المكوك الفضائي التي انتهى عمرها الافتراضي. وتضمن أحد المقترحات تحويل المكوك الفضائي "كولومبيا" أو "إنتربرايز" إلى منصة إطلاق شحنات للاستخدام لمرة واحدة.

كان يُعتقد أن متطلبات الصيانة والسلامة المنخفضة للمركبة غير المأهولة، مع مكوك الفضاء تشالنجر، ستتيح معدل إطلاق أعلى. قبل كارثة تشالنجر ، كانت ناسا تتوقع حوالي 14 رحلة مكوكية سنويًا. في أعقاب الحادث ، اتضح أن هذا المعدل غير ممكن لأسباب عديدة.

سيُطلق المكوك الفضائي "شاتل-سي" مركبة هبوط قمرية غير مأهولة ووحدة دفع، بينما ستُطلق مركبة ثانية مركبة استكشاف مأهولة لتنفيذ مهام قمرية. كما سيُمثل "شاتل-سي" المكون المأهول من المفهوم الدولي لاستكشاف موارد القمر الذي طُرح عام 1993.

في أوائل التسعينيات، أدرج مهندسو ناسا الذين خططوا لمهمة مأهولة إلى المريخ تصميمًا للمكوك الفضائي "سي" لإطلاق ستة أجزاء غير قابلة لإعادة الاستخدام، يزن كل منها 80 طنًا، لتكوين مركبتين فضائيتين تدوران حول الأرض . وبعد أن دعا الرئيس جورج دبليو بوش إلى إنهاء برنامج المكوك الفضائي بحلول عام 2010، تم التخلي عن هذه التصاميم المقترحة. ^{[ 2 ]}

كان ماغنوم مركبة إطلاق ضخمة فائقة الثقل، صممها مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا في منتصف التسعينيات. كان من المفترض أن يكون ماغنوم معززًا يبلغ ارتفاعه حوالي 96 مترًا (315 قدمًا) ، بحجم ساتورن 5 ، وقد صُمم في الأصل لحمل مهمة مأهولة إلى المريخ . كان من المقرر أن يستخدم معززين جانبيين موصولين، على غرار معززات الصواريخ الصلبة لمكوك الفضاء ، ولكن باستخدام الوقود السائل. تضمنت بعض التصاميم معززات جانبية مزودة بأجنحة ومحركات نفاثة، مما كان سيمكنها من العودة إلى منطقة الإطلاق بعد انفصالها أثناء الطيران. صُمم ماغنوم لحمل حوالي 80 طنًا من الحمولة إلى مدار أرضي منخفض . ^{[ 3 ]}  

كان نظام الإطلاق الوطني (أو نظام الإطلاق الجديد) دراسةً أقرها الرئيس جورج بوش الأب عام 1991 لتحديد بدائل لمكوك الفضاء للوصول إلى مدار الأرض. وبعد ذلك بوقت قصير، طلبت وكالة ناسا من شركات لوكهيد للصواريخ والفضاء ، وماكدونيل دوغلاس ، وتي آر دبليو إجراء دراسة لمدة عشرة أشهر.

تم اقتراح سلسلة من مركبات الإطلاق، استنادًا إلى محرك الصاروخ ذي الوقود السائل المقترح للنقل الفضائي الرئيسي (STME) . وكان من المفترض أن يكون محرك STME نسخة مبسطة وقابلة للاستهلاك من محرك RS-25 . وكان صاروخ NLS-1 أكبر المركبات الثلاث المقترحة، وكان سيستخدم خزانًا خارجيًا معدلًا من مكوك الفضاء لمرحلته الأساسية. وكان من المفترض أن يزود الخزان أربعة محركات STME مثبتة في أسفله بالأكسجين السائل والهيدروجين السائل . وكان من المفترض أن تتسع المرحلة الثانية أو الحمولة أعلى المرحلة الأساسية، وأن يتم تركيب معززين صاروخيين صلبين قابلين للفصل من مكوك الفضاء على جانبي المرحلة الأساسية كما هو الحال في المكوك. وتشير الرسوم التوضيحية لتلك الفترة إلى أنه تم التفكير في صواريخ أكبر بكثير من NLS-1، باستخدام مضاعفات المرحلة الأساسية لصاروخ NLS-1. ^{[ 4 ]}

كانت ناسا تخطط لاستبدال صواريخ الدفع الصلبة (SRBs) التي ظهرت بعد مكوك تشالنجر بمحرك صاروخي صلب متطور (ASRM) جديد، كان من المقرر أن تتولى شركة إيروجيت تصنيعه . وكان من المفترض أن يُبنى هذا المحرك في منشأة جديدة صممتها شركة راست إنترناشونال، وهي شركة متعاقدة من الباطن، في موقع محطة طاقة نووية تابعة لهيئة وادي تينيسي، والتي أُلغي مشروعها في يلو كريك، بولاية ميسيسيبي. وكان من المفترض أن يُنتج محرك ASRM قوة دفع إضافية لزيادة حمولة المكوك الفضائي لنقل الوحدات ومكونات البناء إلى محطة الفضاء الدولية. إلا أن برنامج ASRM أُلغي عام 1993، بعد أن تم تركيب أنظمة التجميع الآلية وأجهزة الكمبيوتر في الموقع، وبعد إنفاق ما يقارب ملياري دولار، وذلك بعد أن فضّلت ناسا إجراء تعديلات طفيفة على صواريخ الدفع الصلبة الحالية. ^{[ 6 ]}

ركز جزء كبير من عقد دراسة تطوير مكوك الفضاء التابع لوكالة ناسا ومركز مارشال لرحلات الفضاء على تطوير معززات سائلة قابلة للاسترداد. وكان من المقرر أن تسلك هذه المعززات مسار طيران مشابهاً لمحركات الصواريخ الصلبة، حيث تنفصل وتفتح مظلة للهبوط في المحيط الأطلسي. وكان من المفترض أن تكون قابلة للاسترداد في الماء، وأن تستخدم أبواباً صدفية لحماية المحركات من الغمر في مياه البحر المالحة.

تعود مفاهيم معززات الارتداد السائل إلى أوائل سبعينيات القرن الماضي. كانت معززات المكوك الفضائي الأصلية معززات ارتداد ضخمة مأهولة. دُرست هذه الفكرة طوال ثمانينيات القرن الماضي، ولكن تم تجميدها بعد كارثة تشالنجر التي أوقفت معظم عمليات تطوير المكوك. عادت فكرة معززات الارتداد للظهور في عام 1997 خلال دراسة ناسا لمعززات الارتداد السائل. تم التخلي عن الفكرة بسبب زيادة التعقيد وقلة العائد. استندت دراسة تطوير المكوك إلى هذه الخلفية من خلال تطوير مفاهيم تصميمية مفصلة للغاية لمعززات الصواريخ السائلة. ^{[ 7 ]}

قبل تدمير مكوك الفضاء كولومبيا عام 2003، بحثت وكالة ناسا إمكانية استبدال معززات الصواريخ الصلبة الحالية ذات الأجزاء الأربعة إما بتصميم ذي خمسة أجزاء، أو استبدالها كليًا بمعززات "العودة" السائلة باستخدام تقنيات إطلاق المركبات الفضائية من طراز أطلس 5 أو دلتا 4. وكان من شأن معززات الصواريخ الصلبة ذات الأجزاء الخمسة، التي لم تكن لتتطلب سوى تغييرات طفيفة في البنية التحتية الحالية للمكوك، أن تسمح للمكوك بحمل حمولة إضافية تبلغ 9100 كيلوغرام (20000 رطل) في مدار مائل بزاوية 51.6 درجة، وإلغاء نمطي "العودة إلى موقع الإطلاق" (RTLS) و"الإجهاض عبر المحيط " (TAL) الخطيرين، بالإضافة إلى إمكانية القيام برحلات مدارية قطبية من الجنوب إلى الشمال من مركز كينيدي للفضاء، وذلك باستخدام ما يُعرف بمناورة "الانعطاف الحاد". بعد تدمير مكوك كولومبيا ، أوقفت وكالة ناسا استخدام معززات الصواريخ الصلبة ذات الخمسة أجزاء في برنامج مكوك الفضاء، وتم إخراج المركبات المدارية الثلاث المتبقية، ديسكفري وأتلانتس وإنديفور ، من الخدمة في عام 2011 بعد اكتمال محطة الفضاء الدولية . وقد تم تشغيل محرك اختبار هندسي واحد من خمسة أجزاء، ETM-03، في 23 أكتوبر 2003.  

كجزء من برنامج كونستليشن، كان من المخطط أن تستخدم المرحلة الأولى من صاروخ آريس 1 معززات صاروخية صلبة مكونة من خمسة أجزاء - في سبتمبر 2009 تم إطلاق معزز صاروخي صلب مكون من خمسة أجزاء لمكوك الفضاء بشكل ثابت على الأرض في منطقة اختبار الصحراء التابعة لشركة ATK في ولاية يوتا.

بعد إلغاء برنامج كونستليشن في عام 2011، تم تخصيص نظام إطلاق الفضاء الجديد (SLS) لاستخدام معززات خماسية الأجزاء. أُجري الاختبار الأول لمعزز صلب (SRB) لنظام إطلاق الفضاء (SLS) في أوائل عام 2015، وأُجري اختبار ثانٍ في منتصف عام 2016 في منشأة أوربيتال إيه تي كيه في برومونتوري، يوتا. ^{[ 8 ]}

استعدادًا لتطوير معززات مكوك الفضاء، تم تصميم مركبة مدارية مُطوّلة. كان من المفترض أن تحتوي على حجرة حمولة أكبر بطول إضافي قدره 4.6 متر (15 قدمًا )، مما يمنحها سعة حمولة تصل إلى 23 مترًا (75 قدمًا)، ومن المتوقع أن تحمل حمولات تصل إلى 45,000 كيلوغرام (100,000 رطل) . صُمم جذر جناح جديد وهيكل داعم لتحمّل الوزن الإضافي عند الهبوط، مع الحفاظ على الجزء الخارجي من الأجنحة الأصلية وتقليل التعديلات المطلوبة إلى الحد الأدنى. سيتم تثبيت الجزء الأسطواني الذي يبلغ طوله 4.6 متر (15 قدمًا) أمام الحاجز 1305 باتجاه الجزء الخلفي من المركبة.     

أدى وجود حاجة غير محددة لحمولة أكبر إلى فكرة استخدام الجزء المواجه للرياح من حجرة الحمولة (عند زاوية دخول الهجوم) كحجرة حمولة موسعة. سينتج عن ذلك مركبة شحن ضخمة ذات شكل محدب، مشابهة لطائرة إيرباص بيلوغا أو طائرة إيرو سبيسلاينز سوبر غابي . ستبقى الخصائص الديناميكية الهوائية فائقة السرعة أثناء إعادة الدخول كما هي في الغالب، إلا أنه من المرجح حدوث مشاكل عند السرعات دون الصوتية في غياب زاوية هجوم عالية.

كردٍّ داخلي على مركبة بوران السوفيتية المدارية عديمة المحركات ، صُممت مركبة مدارية مماثلة في مركز مارشال لرحلات الفضاء . أُضيف جزءٌ مخصصٌ للحمولة إلى مؤخرة المركبة الفضائية، وكان شكلها مشابهاً جداً لمكوك الفضاء إنتربرايز، مع بعض الاختلافات. وُضعت معظم المعدات في مؤخرة المركبة لتعويض الوزن المفقود وغياب المحركات.

منذ أواخر ثمانينيات القرن الماضي وحتى أوائل الألفية الجديدة، سعت وكالة ناسا، بشكل أو بآخر، إلى تطوير مركبة عودة الطاقم ؛ وهي عبارة عن مركبة فضائية/كبسولة صغيرة قادرة على إعادة الطاقم من محطة فضائية في حالة الطوارئ. وشملت المركبات المرشحة التي تم تقييمها كبسولة مشتقة من برنامج أبولو ، ومركبات ناسا HL-20 و HL-10 و M2F2 ، بالإضافة إلى مركبة القوات الجوية X-24A . واقتُرحت نسخة مصغرة من المكوك الفضائي استنادًا إلى وحدة العودة الباليستية التي دُرست لمركبة HLLV. وكان من المقرر تعديل قسم الطاقم المضغوط ليصبح جسمًا رافعًا. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذا التصميم في التقنية المُثبتة ومسار العودة إلى الغلاف الجوي للمكوك الفضائي.

تم وضع تصميم مبدئي لمركبة مدارية عالية السعة. يعتمد هذا التصميم على سلسلة من الحاويات المثبتة في حجرة الحمولة، والتي تتسع لما بين 68 و74 راكبًا في تكوين ذي طابقين مشابه لطائرة بوينغ 747. وقد أدى ذلك إلى نقل مركز الكتلة إلى الأمام، مما استلزم تعديلات طفيفة على هيكل الجناح، بإضافة أسطح تشبه الأجنحة الأمامية (كانارد) لزيادة مساحة الرفع. سيُستخدم هذا التصميم لمحطة فضائية على غرار محطة فون براون، والتي ستحتاج إلى طاقم مكون من مئات الأشخاص.