كارثة كولومبيا: دروس ومعاني وعلامات استفهام حول مستقبل برنامج الفضاء الأمريكي

من كتيب مؤتمر "الفضاء والعلوم في إسرائيل 2006" المنعقد في الذكرى الثالثة لكارثة كولومبيا

تل عنبار، باحث أول، معهد فيشر لأبحاث الطيران والفضاء الاستراتيجية

كانت مهمة مكوك الفضاء ديسكفري، والمعروفة باسم STS-114، أول مهمة مكوك فضائي منذ كارثة مكوك الفضاء كولومبيا (STS-107) في 2003 فبراير XNUMX. تم تعريف مهمة ديسكفري في البداية على أنها مهمة تجريبية. مهمة مصممة لتوفير معلومات حول المشاكل المختلفة في نظام العزل الحراري للمركبة الفضائية، وفحص التحسينات في نظام التتبع الفوتوغرافي لمكوك الفضاء (من الأرض، ومن الجو، ومن الفضاء)، وفحص الإصلاحات المختلفة في ظروف الفضاء إجراءات الغلاف العازل، ونقل المعدات والإمدادات إلى محطة الفضاء الدولية.

سأستعرض في هذا المقال أسباب العطل الذي حدث في مكوك الفضاء كولومبيا والذي أدى إلى تحطمه وفقدان طاقمه، وعملية الاختبار والتحقيق التي تمت والدروس الأولى من مهمة STS-114، مع دراسة الجوانب الفنية والهندسية للعملية، وانعكاسات نتائجها على مستقبل برنامج المكوك الفضائي ومحطة الفضاء الدولية، وعلى وكالة ناسا أ.كلها.

ما هو المكوك الفضائي؟

مكوك الفضاء هو مركبة فضائية قابلة لإعادة الاستخدام، تم تطويرها في الولايات المتحدة الأمريكية ابتداءً من عام 1972، وحلقت لأول مرة إلى الفضاء في عام 1981. وقد تم تصميم كل مكوك للقيام بـ 100 رحلة. تتكون العبارة من ثلاثة أجزاء رئيسية:

• سفينة فضائية ذات أجنحة تمكنها من التحليق أثناء عودتها إلى الأرض (Orbiter)
• خزان وقود ضخم يحتوي على الهيدروجين السائل والأكسجين (ET - الخزان الخارجي)
• معززان يعملان بالوقود الصلب. (SRB – معزز الصواريخ الصلبة)

تحتاج جميع مكونات المكوك الفضائي إلى العمل بتنسيق مثالي لتحقيق النجاح في المهمة. ويمكن للمكوك الفضائي الوصول إلى مدار منخفض حول الأرض، وإطلاق الأقمار الصناعية، وإعادة الأقمار الصناعية من الفضاء إلى الأرض، وإصلاح الأقمار الصناعية والأنظمة المختلفة في الفضاء، والرسو في محطة الفضاء الدولية التي يعتمد عليها المكوك لغرض رفع مختلف الأقمار الصناعية. التجميعات ونقل المعدات والإمدادات والأطقم.

أثناء الإطلاق، تعمل ثلاثة محركات تعمل بالهيدروجين والأكسجين السائل، بالإضافة إلى إشعال معززين مساعدين يحتويان على الوقود الصلب. بعد حوالي دقيقتين من الإقلاع، يتم جمع السفن التي تسرع الوقود وسقوطها في المحيط، وإعادتها للاستخدام بعد إجراء إصلاح شامل. ويواصل المكوك الفضائي بقوة محركاته الصعود إلى الفضاء وبعد نحو ست دقائق أخرى من الرحلة يتم التخلص أيضا من خزان الوقود الذي يحترق في الغلاف الجوي وتسقط شظاياه في البحر. خزان الوقود هو الجزء الوحيد من العبارة الذي لا يمكن إعادة استخدامه.

وتستغرق مهمة مكوك الفضاء في المتوسط ​​حوالي أسبوعين، يدور خلالها حول الأرض على ارتفاع منخفض بشكل مستقل أو يرسو في محطة الفضاء الدولية. وفي نهاية مهمته، يقوم المكوك بتنشيط محركات صغيرة تعمل على إبطاء سرعته وتسبب فقدانه للارتفاع. ومع انخفاض ارتفاع طيرانه ودخوله الغلاف الجوي، ترتفع درجة حرارة الهواء حول المكوك وتصل إلى ذروتها بحوالي 1,800 درجة مئوية.

وفي هذه المرحلة، يعمل المكوك كمركبة هبوط عملاقة، دون آلية دفع ذاتية، يوجهه طياروها إلى مهبط الهبوط الموجود في قاعدة كينيدي الفضائية أو قاعدة إدواردز الجوية. وبعد هبوط المكوك، تبدأ مرحلة طويلة ومعقدة لإعادته إلى الخدمة، وتستمر من ستة أشهر إلى سنة وربما أكثر.

مهمة STS-107

كان مكوك الفضاء كولومبيا أول مكوك يتم إطلاقه إلى الفضاء (أبريل 1981). وبما أن هذا المكوك اقتصر على حمل بضائع خفيفة نسبياً، ولم يشارك في مهمة تجميع المحطة الفضائية الدولية، فقد تم اختياره للقيام بمهمة علمية، شملت إجراء تجارب في مجالات علمية متنوعة ومختلفة. בהם שני ניסויים שנעשו ביוזמה ישראלית: ניסוי MEIDEX (Mediterranean Israeli Dust Experiment) במסגרתו בוצעו תצפיות על האבק באטמוספירת המזרח-התיכון וניסוי “הגן הכימי” שבהכנתו השתתפו תלמידי חטיבת-ביניים מבית-הספר אורט קריית-מוצקין, אשר נועד לבחון התפתחות גבישים בתנאי חוסר -وزن.

في 16 يناير 2003، أطلقت كولومبيا في مهمة علمية STS-107، والتي استمرت 16 يومًا. وكان من بين طاقم المكوك المكون من سبعة رواد فضاء أيضًا العقيد إيلان رامون، وهو طيار مقاتل في سلاح الجو ورائد الفضاء الأول لدولة إسرائيل.

وبمجرد الانتهاء من التجارب العلمية، بدأ المكوك عملية دخول الغلاف الجوي من أجل الهبوط في مركز كينيدي للفضاء في فلوريدا. لكن حدث خطأ ما في هذه المرحلة: أثناء دخول المكوكات إلى الغلاف الجوي، يتم تطبيق قوى هائلة وتتعرض لدرجات حرارة عالية جدًا نتيجة لدخول المزيد والمزيد من طبقات الهواء المضغوطة بسرعة عالية. تم تصميم نظام الحماية الحرارية للمكوك لحماية المكوك من الحرارة الهائلة المتولدة في هذه المرحلة. ومع ذلك، عندما دخل كولومبيا الغلاف الجوي، حدث خطأ ما: في البداية، تم تلقي مؤشرات غير عادية من أجهزة الاستشعار الموجودة على الجناح الأيسر للمكوك، وفي غضون فترة زمنية قصيرة فُقد الاتصال بالمكوك، ثم بدأ تلقي تقارير من شهود عيان تدعي لرؤية ما يبدو أنه شظايا تتفكك وتبتعد عن المكوك أثناء دخوله الغلاف الجوي. وسرعان ما اتضحت الحقيقة الرهيبة: أثناء مرورها فوق ولاية تكساس على ارتفاع حوالي 70 كيلومترا وبسرعة حوالي 20 ألف كيلومتر في الساعة، تفككت كولومبيا وتناثرت بقاياها على مساحة كبيرة من عدة ولايات في الولايات المتحدة الأمريكية. . ولقي سبعة من أفراد طاقم STS-107 حتفهم في الكارثة.

مجلس التحقيق في حوادث كولومبيا (CAIB)

وعقب الكارثة، تم تشكيل لجنة تحقيق في ناسا مهمتها معرفة سبب فقدان المكوك. أصدرت اللجنة تقريرا قاطعا، ووجدت السبب الفني الذي أدى إلى كارثة كولومبيا: قطعة من الرغوة العازلة سقطت من خزان الوقود الخارجي بعد 81 ثانية من الإطلاق، واصطدمت بالجزء الأمامي من الجناح الأيسر وأحدثت ثقبا أو شقوقا مما سمح للهواء الساخن بالدخول إلى المكوك والتسبب في فقدانه.
وإلى جانب السبب الفني المباشر للحادث، وجدت لجنة التحقيق سلسلة من الإخفاقات في وكالة الفضاء الأمريكية، منها: ضعف الثقافة التنظيمية، وفشل في الإبلاغ بين مختلف الرتب، وغيرها. أعطت اللجنة الثقافة التنظيمية لناسا وزنًا مساويًا لثقافة العطل الفني في تحليل أسباب كارثة المكوك.

أهم توصيات اللجنة

وقد تم تقسيم توصيات اللجنة إلى ثلاث فئات رئيسية. العودة إلى الرحلة: توصيات مفادها أنه إذا لم يتم تنفيذها فلن يكون من الممكن تجديد رحلات أسطول المكوك الفضائي. عدم العودة إلى الرحلة: يجب تقديم التوصيات، ولكن يمكن تجديد الرحلات حتى قبل تنفيذها. مستقبل العبارة: توصيات طويلة المدى والتي يجب ملؤها من أجل الاستمرار في استخدام العبارات حتى عام 2010.

ومن التوصيات الضرورية لاستئناف الرحلات الجوية:

• منع تساقط الرغوة العازلة من خزان الوقود.
• قياس وتحديد القوة الهيكلية للمكونات الكربونية الكربونية في المكوك.
• تحسين مقاومة المكوك للتأثيرات الخارجية.
• زيادة قدرة المكوك على العودة بأمان إلى الأرض حتى ولو تعرض لأضرار طفيفة.
• تحسين صيانة منصة الإطلاق والأنظمة المرتبطة بها.
• تحسين كبير في نظام التصوير من أجل توفير ثلاث زوايا تصوير على الأقل لتقييم حالة المكوك منذ لحظة الانطلاق وحتى فصل المعززات الصلبة.
• تركيب نظام نقل صور عالي الدقة في الوقت الحقيقي من الفضاء إلى الأرض.
• تطوير وصيانة قدرات التقييم بناء على الاختبارات والنماذج العلمية لفحص الأضرار المحتملة للمكوك الفضائي.
• تحسين نقاط تثبيت المكوك الفضائي على خزان الوقود.
• تطوير نظام متطور للغاية لتقييم الأضرار في الفضاء وتركيبه على الذراع الميكانيكية للمكوك الفضائي.
• تحديد جدول زمني واقعي لرحلات المكوك الفضائي.
• تنفيذ برنامج تدريبي جديد لفريق رواد الفضاء ومركز التحكم وأفراد منصة الإطلاق للتعامل مع حالات الطوارئ.
• وضع إجراءات العمل بين وكالة ناسا ووكالات الاستخبارات الأمريكية للحصول على الصور الفضائية للمكوك الفضائي أثناء مهامه.
• إعادة تنظيم مكتب تكامل المكوك الفضائي.
• إنشاء فريق سلامة مستقل على مستوى الأنظمة والأنظمة الفرعية للمكوك الفضائي.
• بناء قاعدة بيانات تسمح بتحسين وتحديث المكوك الفضائي في المستقبل.

استعدادات وكالة ناسا لتنفيذ التوصيات

وسرعان ما استعدت وكالة الفضاء الأمريكية لتنفيذ التوصيات، وقدرت أنه في غضون عام ونصف منذ كارثة كولومبيا، سيكون من الممكن استئناف إطلاق مكوك الفضاء. ومن الناحية العملية، أدت المراقبة الدقيقة التي تقوم بها لجنة التحقيق لتنفيذ التوصيات والتأخيرات الفنية الأخرى إلى تمديد فترة التنظيم إلى عامين ونصف. وكانت المشكلة الجديرة بالملاحظة هي القراءة غير الصحيحة لمستشعر الوقود في خزان الوقود الرئيسي، مما أدى إلى إلغاء إطلاق ديسكفري قبل أقل من ساعة من موعد الإقلاع المقرر. لم يتم حل مشكلة المستشعر وتم تخفيف تعليمات السلامة من أجل السماح بإطلاق المكوك، ولكن أثناء العد التنازلي، قبل الإطلاق، أصبح من الواضح أن أجهزة الاستشعار ستعمل بشكل صحيح وبالتالي لم تكن هناك حاجة للتنازل عن حقوق ناسا. تعليمات السلامة الخاصة.

وفي المجمل، تم استثمار أكثر من 1.7 مليار دولار في تنفيذ توصيات تقرير التحقيق في كارثة كولومبيا. وحددت ناسا رحلتين كرحلتين تجريبيتين لاختبار الأنظمة الجديدة المثبتة داخل وحول المكوك، وبعدها سيستمر بناء محطة الفضاء الدولية. ومن الجدير بالذكر أن لجنة التحقيق انتقدت بشدة وكالة ناسا لتعريفها المكوكات الفضائية بأنها عملياتية وليست أدوات في المرحلة التجريبية. أصرت لجنة التحقيق على أن مكوك الفضاء لا يستحق لقب "مركبة فضائية تشغيلية" بل مجرد مركبة فضائية تجريبية.

أهداف مهمة الاكتشاف

تم تعريف المهمة الفضائية STS-114 على أنها مهمة تجريبية، لفحص قدرات الإصلاح المختلفة في الفضاء. النقاط الرئيسية للمهمة:
• فحص نظام التتبع الأرضي والجوي للمكوك الفضائي.
• فحص نظام الكاميرات المثبتة في أماكن مختلفة على متن المكوك الفضائي.
• إجراء تجارب على إجراءات الإصلاح المختلفة في ظروف الفضاء - بما في ذلك إصلاح البلاط العازل التالف.
• نقل الإمدادات الأساسية إلى محطة الفضاء الدولية وإزالة النفايات منها.

المشاكل التي تم اكتشافها خلال المهمة

خلال مهمة ديسكفري، تم اكتشاف عدة حوادث تتعلق بنظام الحماية الحرارية للمركبة الفضائية:
• سقوط قطع صغيرة من بلاط السيراميك العازل من مناطق مختلفة من بطن المكوك.
• سقوط قطعة كبيرة من الرغوة العازلة من خزان الوقود الخارجي.
• تمزق البطانيات العازلة من منطقة النوافذ في مقصورة الطاقم.
• خرجت الأسطح العازلة الموجودة بين بلاطات العزل في بطن المكوك من مكانها وبرزت.

تم تحديد جزء كبير من هذه المشكلات بمساعدة مجموعة الكاميرات المثبتة في المكوك الفضائي وبمساعدة التصوير الفوتوغرافي للمكوك من محطة الفضاء الدولية. وسبب تساقط الرغوة العازلة خيبة أمل مريرة لمهندسي ناسا وشركة لوكهيد مارتن، المقاول الذي يصنع خزان الوقود. لقد تم استثمار مئات الملايين من الدولارات من أجل فهم أسباب الرغوة المتساقطة التي تسببت في كارثة كولومبيا. وكان سقوط قطعة كبيرة من الرغوة العازلة من نقطة قريبة من النقطة التي سقطت منها القطعة التي ضربت كولومبيا بمثابة فشل مؤلم بشكل خاص. ولحسن الحظ، انفجرت هذه الكتلة من الرغوة في الفضاء، ولم تلحق الضرر بالمكوك نفسه.

التصحيح الأول في الفضاء

وبعد فحص المعلومات الفوتوغرافية للمناطق المتضررة في البطانية العازلة للمكوك الفضائي، تقرر أن التمزقات الموجودة في البطانيات العازلة لا تعرض عودة المكوك للخطر، ولكن تقرر أنه يجب إزالة الأجزاء البارزة من بطن المكوك . تم ابتكار إجراء جديد تمامًا لتصحيح المشكلة، بما في ذلك ارتجال المنشار لإزالة الأجزاء. رائد فضاء يعلق على ذراع المكوك الفضائي، ويصل إلى الجزء السفلي من بطن المكوك - لأول مرة على الإطلاق. وتبين أنه ليست هناك حاجة للنشر لإجراء الإصلاح: قام رائد الفضاء بسحب قطعتين من المادة العازلة كانتا بارزتين، وأعادهما إلى المكوك لفحص أسباب تحريرهما.

تسبب سقوط المادة العازلة من خزان الوقود الرئيسي في حدوث عاصفة على الأرض، حتى قبل عودة ديسكفري. وأعلنت وكالة ناسا إيقاف المكوكين الآخرين الموجودين بحوزتها، أتلانتس وإنديفور، لحين توضيح سبب سقوط الرغوة وتصحيح أوجه القصور. تجدر الإشارة إلى أنه كان من المتوقع أن ينطلق المكوك الفضائي أتلانتس إلى الفضاء في سبتمبر 2005، أي بعد حوالي شهر من عودة ديسكفري. في تاريخ المكوكات الفضائية، لم يكن هناك سوى ثلاث حالات توقف عن الأرض: بعد كارثة تشالنجر في عام 1986، وبعد كارثة كولومبيا في عام 2003، وأثناء مهمة ديسكفري في يوليو/أغسطس 2005.

تأجيل الإطلاق القادم

بعد هبوط ديسكفري، علمنا بتأجيل إطلاق أتلانتس إلى مارس 2006. وكان التأجيل يهدف إلى السماح بعودة خزان الوقود إلى الشركة المصنعة (لوكهيد مارتن) لحل مشكلة تساقط الرغوة العازلة. ومع ذلك، فقد تضررت منشأة الإنتاج الموجودة في لويزيانا بسبب إعصار كاترينا ومن المرجح أن يتم تأجيل الإطلاق حتى نهاية عام 2006. وقد ألقت المشاكل الخطيرة في الجدول الزمني لعمليات إطلاق المكوك المتبقية بظلال ثقيلة على احتمال استكمال بناء المكوك. محطة الفضاء الدولية بحلول عام 2010 – وهو العام الذي يتم فيه إخراج المكوكات من الخدمة. وهناك احتمال أن يزداد الضغط بحلول عام 2010 للسماح باستثناء لعدة سنوات بعد هذا التاريخ، من أجل استكمال بناء محطة الفضاء الدولية والوفاء بالتزامات وكالة ناسا تجاه الدول الشريكة لبناء المحطة. وبطبيعة الحال، فإن مثل هذا القرار سيكون له آثار خطيرة على السلامة.

مستقبل المكوك الفضائي

في يناير 2005، أعلنت وكالة ناسا أنها قررت تطوير جيل جديد من منصات الإطلاق والمركبات الفضائية، استنادًا إلى تكنولوجيا المكوك الفضائي، والتي ستجلب في النهاية رواد فضاء أمريكيين إلى القمر وتكون بمثابة نقطة انطلاق للبعثات المأهولة إلى المريخ، وفقًا لما ذكرته وكالة ناسا. رؤية بوش لاستكشاف الفضاء. في الوقت الحالي، يمكن سماع أصوات متضاربة في الولايات المتحدة الأمريكية - البعض يطالب بتمديد استخدام المكوكات الفضائية إلى ما بعد عام 2010، وهناك من يطالب بإتاحة الفرصة لتأجيل إطلاق المكوك التالي حتى نهاية عام 2006. والإعلان عن انتهاء استخدام المكوكات الفضائية الآن.

وتبدي أوروبا، وهي شريك كبير في برنامج المحطة الفضائية الدولية، استياء كبير من التأخير في وكالة ناسا، والذي يؤخر ربط المجمع الأوروبي بمحطة الفضاء الدولية. كما أن اليابان غير راضية عن الوضع الحالي الذي يتسبب في تأجيل موعد إطلاق التجميع الياباني إلى المحطة الفضائية، وبدأت في دراسة خيارات الإطلاق باستخدام منصات الإطلاق الاستهلاكية روسية الصنع.

تنتظر العديد من الأطراف في العالم القرار النهائي بشأن إنهاء الدور التاريخي للمكوكات الفضائية في استكشاف الفضاء، حيث يبدو أن العديد من الدول والبرامج الفضائية المتنوعة تتأثر بشكل مباشر بتأخر جدول رحلات المكوكات الفضائية. ومن المأمول أن يعتمد القرار - في أي اتجاه - على البيانات الفنية وتقييمات السلامة المستقلة، وليس على الرغبة في الاستمرار في امتلاك رمز هيبة باهظ الثمن. ويجب أن نفهم أن المكوكات الفضائية الأمريكية كانت رائدة في العديد من المجالات، وخدمت برنامج الفضاء الأمريكي لأكثر من عقدين من الزمن، ولكن حان الوقت للنظر بصدق إلى أسطول المكوكات التي بنيت بتقنيات السبعينيات - على سبيل المثال. "شكرًا" لهم ونقلهم إلى متحف - والمضي قدمًا بأدوات القرن الحادي والعشرين الجديدة

الروابط الموصى بها:
لجنة التحقيق في كارثة كولومبيا
برنامج المكوك الفضائي، ناسا
العودة إلى الرحلة - على موقع ناسا