ما يرتفع يجب أن ينزل - عند العودة من الرحلات الفضائية

لقد قُتل عدد أكبر من رواد الفضاء أثناء العودة من المهمة أكثر من أي مرحلة أخرى. يمكن أن تسوء أشياء كثيرة أثناء دخول الغلاف الجوي، ويمكن أن تكون جميعها تقريبًا قاتلة.

لن يتمكن أي شخص شاهد إقلاع مكوك فضائي من نسيان هذه التجربة المذهلة أبدًا. هدير الطائرات المنبعثة من الصواريخ الدافعة يهز الآذان ضجيجا هائلا. تهتز الأرض تحت قدميك. تتألق المحركات الجبارة بضوء أبيض خافت، وتأخذ سفينة الفضاء إلى المجهول - ويتبع المئات من عشاق الفضاء المكوك بعيدًا بعيون مشرقة.

العودة إلى الأرض قصة مختلفة تمامًا. وبينما تتجه المركبة الفضائية نحو الأرض بسرعة عشرات الكيلومترات في الثانية، فإن رواد الفضاء الموجودين بالداخل هم الوحيدون الذين يستمتعون بهذه التجربة المريبة. لا أحد يتبع سفينة الفضاء بعيون مشرقة. حتى الاتصال مع غرفة التحكم مقطوع.

ومن المفارقات، كما شهدنا في كارثة مكوك الفضاء كولومبيا وهو ما أثر علينا نحن الإسرائيليين أيضًا، فالعودة إلى الغلاف الجوي بالتحديد هي أصعب وأخطر مراحل الطيران إلى الفضاء. ليس هناك شك في أن الإقلاع والرحلة نفسها يمكن أن تكون خطيرة أيضًا، لكن الحقائق تتحدث عن نفسها: لقد قُتل عدد أكبر من رواد الفضاء أثناء العودة من المهمة أكثر من أي مرحلة أخرى. يمكن أن تسوء أشياء كثيرة أثناء الدخول إلى الغلاف الجوي، ويمكن أن تكون جميعها تقريبًا قاتلة.

عندما كان الدفع الصاروخي لا يزال في بداياته وكان السفر إلى الفضاء يبدو وكأنه حلم أكثر منه حقيقة، لم يفكر سوى القليل في العودة إلى مرحلة الأرض. لكن في الخمسينيات من القرن العشرين، كان الأمريكيون والسوفييت يمتلكون بالفعل قنابل نووية، وبدأت الحرب الباردة تكتسب زخما. وكانت الحاجة الأكثر إلحاحا هي إيجاد طريقة فعالة لإيصال القنابل الذرية إلى وجهتها.

وكانت الصواريخ الباليستية العابرة للقارات هي الحل الأمثل بكل المقاييس، وكان الروس أول من وصل إلى خط النهاية. تم وضع الصاروخ R-7 العابر للقارات على منصة الإطلاق، وفي نهاية عام 1957 أقلع في رحلته الأولى. لقد صعد إلى الفضاء، ونجح في قطع مسافة عدة آلاف من الكيلومترات ثم... احترق بالكامل عند دخوله الغلاف الجوي.

كان العلماء السوفييت متفاجئين للغاية. لقد صمموا R-7 بحيث يكون أنفها ضيقًا وديناميكيًا هوائيًا قدر الإمكان لتجنب الاحتكاك بجزيئات الهواء. إذا لم يكن هناك احتكاك، فمن أين جاءت كل هذه الحرارة؟ لم يعرفوا ذلك، لكن زملائهم في الولايات المتحدة قد حلوا هذا اللغز بالفعل منذ فترة طويلة.

اكتشف الباحثان جوليان ألين وألفريد إيجرز في عام 1951 أن الاحتكاك ليس هو السبب في تسخين الهواء حول جسم الصاروخ. تتحرك الموجات في الهواء بسرعة الصوت. هذه هي السرعة القصوى التي يمكن أن تنتقل بها المعلومات عبر الهواء. إذا كان الصاروخ أو المركبة الفضائية يتحرك عبر الغلاف الجوي بسرعة تتجاوز سرعة الصوت، فإن جزيئات الغاز الموجودة في الهواء ليست كافية "للتهرب" من الصاروخ. يمكن أن تتحرك المعلومات المتعلقة بالصاروخ المقترب بسرعة الصوت على الأكثر، لكن الصاروخ نفسه يتحرك بشكل أسرع. ونتيجة لذلك، يتم ضغط جزيئات الغاز في بعضها البعض. يتم إنشاء "موجة الصدمة"، وهي منطقة تتغير فيها كثافة الغاز بشكل حاد ومفاجئ: من الغاز الحر والمنتظم إلى الغاز المضغوط للغاية.

يؤدي التغير المفاجئ في كثافة الغاز إلى ارتفاع درجة حرارته بشكل حاد أيضًا. ولهذا السبب يحترق R-7 عند دخوله الغلاف الجوي، على الرغم من أنه مصمم لتجنب الاحتكاك: فالاحتكاك لا علاقة له بموجة الصدمة! في الواقع، العكس هو الصحيح: كلما زاد السحب - أي كلما زاد الاحتكاك - كلما أصبح الصاروخ أكثر برودة.

وكما اكتشف الباحثان الأمريكيان، في غياب الاحتكاك، تنزلق الغازات الساخنة التي تتشكل في منطقة الأنف على سطح جسم الصاروخ وتسخنه. ومن ناحية أخرى، إذا تم استبدال الأنف الحاد عديم الاحتكاك بأنف حاد وغير ديناميكي للغاية، فإن الهواء "يعلق" في الأنف. وتتكون طبقة عازلة تمنع الغازات الساخنة من التدفق للخلف والانزلاق على سطح جسم الصاروخ.

احتفظ الأمريكيون بهذا الاكتشاف المفاجئ باعتباره سرًا عسكريًا، لكن العلماء السوفييت سرعان ما اكتشفوه بأنفسهم. تم تغيير مقدمة R-7 من مخروط طويل وضيق إلى مخروط منتفخ وغير حاد - أي مستدير مثل نهاية حبة البطاطس، على سبيل المثال. تم إطلاق الصاروخ بنجاح في الرحلة التجريبية التالية.

وعندما بدأت القوتان العظميان سباق الفضاء، أصبحت حماية رواد الفضاء أثناء العودة من الفضاء ذات أهمية قصوى. يمكن حماية أنوف الصواريخ الباليستية بطبقات سميكة وثقيلة من المواد العازلة للحرارة، لكن هذا النهج لم يكن عمليًا في المركبات الفضائية.

وقد لاحظ روبرت جودارد، وهو أحد رواد الفضاء في العشرينيات والثلاثينيات، ظاهرة مثيرة للاهتمام. وتخترق النيازك من الفضاء الخارجي الغلاف الجوي بسرعة تصل إلى آلاف الكيلومترات في الساعة، تماما مثل الصواريخ الباليستية والمركبات الفضائية. يشتعل النيزك ويضيء بشكل مشرق عند سقوطه. ومع ذلك، تكشف الاختبارات الكيميائية التي أجريت على النيازك أن الحرارة الحارقة لا تخترق سوى بضعة سنتيمترات تحت السطح.

قادت هذه الملاحظة المثيرة للاهتمام جودارد إلى نتيجة رائعة. العملية التي تتم على سطح النيزك أثناء الطيران تسمى "التبخر" (بالإنجليزية: Ablation). الحرارة الشديدة تفتت السطح الهش وتبخره. تنبعث الغازات الساخنة من النيزك الساقط وتأخذ معها الحرارة. ويمكن تشبيه هذه العملية بتعرق جسم الإنسان، وكيف يبردنا العرق المتبخر.

سارع المهندسون إلى تقليد الطبيعة، وكانت الحماية في سفن الفضاء الأولى تعتمد بالكامل على البخار. لكن هذا لم يحل جميع مشاكل دخول الغلاف الجوي.

وفي الرابع والعشرين من أبريل عام 1967، كانت المركبة الفضائية سويوز 1 وتقع منصة الإطلاق في قاعدة بايكونور في كازاخستان. وكان بداخلها فرد واحد من أفراد الطاقم، وهو رائد الفضاء فلاديمير كوماروف. وكان من المفترض أن تكون مهمة احتفالية بشكل خاص، لأنها كانت أول عملية إطلاق ليلية في التاريخ.

لكن وراء الكواليس كانت هناك احتفالات من نوع مختلف. ظهرت خلافات خطيرة بين مهندسي المركبة الفضائية ومديري برنامج الفضاء. في التجارب المبكرة، تم اكتشاف مئات الأخطاء في الأنظمة المختلفة، بعضها أخطاء خطيرة وخطيرة للغاية. اعتقد العديد من المهندسين أن سويوز 1 لم تكن مناسبة للذهاب إلى الفضاء.

ومارس الصف السياسي ضغوطا شديدة للموافقة على الإطلاق في الموعد المقرر. لقد مر عامان منذ أن أرسل الاتحاد السوفييتي رجلاً إلى مدار حول الأرض، وكان شرف الأمة على المحك. هناك شهادة واحدة على الأقل تفيد بأن أحد أعضاء المكتب السياسي هدد "بتمزيق صدر وكتفين" مدير المشروع إذا لم تقلع سويوز 1 كما هو مخطط لها.

تغلبت الضغوط السياسية على الاعتبارات الهندسية، وانطلقت مركبة سويوز 1 إلى الفضاء وعلى متنها كوماروف. وفي غضون ساعات قليلة، بدأت الأعطال في سفينة الفضاء تظهر الواحدة تلو الأخرى. فشل المجمع الشمسي الأيسر في الانتشار بشكل صحيح، ونتيجة لذلك، تداخل مع تشغيل أنظمة تثبيت المركبة الفضائية. دارت المركبة الفضائية حول الأرض بشكل لا يمكن السيطرة عليه تقريبًا.

على الأرض، كان من الواضح أن سويوز 1 كانت بمثابة فشل ذريع. تم النظر في إمكانية إطلاق سويوز 2 لعملية إنقاذ تتبع أختها، لكن الفكرة رُفضت على الفور. كان السبب الرسمي هو هطول الأمطار في موقع الإطلاق، ولكن من المحتمل أنه كان واضحًا للجميع في بايكونور أن الحالة الفنية لمركبة سويوز 2 لم تكن أفضل من حالة شقيقتها.

من غرفة التحكم، أُمر كوماروف ببدء عمليات سريعة للعودة إلى الأرض. وعلى الرغم من كل الإخفاقات والمشاكل، يبدو أن المركبة الفضائية لديها فرصة جيدة للهبوط بسلام على الأرض - على الرغم من أنها تبعد حوالي خمسين كيلومترًا عن مكان الهبوط المخطط له.

وتم استدعاء فريق الإنقاذ إلى منطقة الهبوط الجديدة، ومن مسافة بعيدة تمكنوا من تحديد موقع المركبة الفضائية على الأرض مع وضع المظلة بجانبها. في تلك اللحظة، رأى رجال الإنقاذ صواريخ الكبح الخاصة بالمركبة الفضائية وهي تعمل. وكانت هذه إشارة سيئة للغاية، حيث من المفترض أن تعمل صواريخ الاحتواء، من حيث المبدأ، بينما لا تزال المركبة الفضائية في الهواء.

عندما اقترب فريق الإنقاذ، أصبحت الحقيقة المحزنة واضحة - سويوز 1 تحطمت بالكامل وتحطمت. وفي تحقيق لاحق تبين أن المركبة الفضائية تمكنت من اختراق الغلاف الجوي بأمان، ولكن بعد ذلك تعطلت المظلة الرئيسية ولم تفتح بشكل صحيح. انفتحت المظلة الاحتياطية، ولكن تشابكت أسلاكها مع بعضها البعض. تحطمت سويوز 1 على الأرض وقتل كوماروف على الفور - وهو أول شخص يموت على مذبح غزو الفضاء. تقول الشائعات أن كوماروف شتم مراقبي الطيران والمهندسين في سويوز على طول الطريق.

هذا لم ينه مشاكل برنامج سويوز. في يونيو/حزيران 1971، عادت المركبة الفضائية سويوز 11 إلى الأرض، وهبطت بشكل أو بآخر عند نقطة الهبوط المقصودة، وهرع الطاقم الأرضي لمساعدة رواد الفضاء الثلاثة على الخروج منها. فتحوا باب سفينة الفضاء، ووجدوا جميع أفراد الطاقم ميتين، مما أثار رعبهم.

وكشف التحقيق أن العبوات الناسفة التي كان من المفترض أن تنفجر واحدة تلو الأخرى لفصل وحدة الخدمة عن المركبة الفضائية قبل الهبوط، انفجرت جميعها في نفس الوقت. وانفتحت فتحة في السفينة الفضائية، وخرج الهواء من خلالها. وكان رواد الفضاء الثلاثة مقيدين على كراسيهم، بدون بدلات فضائية. وفي أربعين ثانية انتهى كل شيء.

فضل الأمريكيون إنزال سفنهم الفضائية في مياه المحيطات، وليس على الأرض، وذلك لأسباب عملية. وفي عمليات الهبوط الأرضي، يجب استخدام صواريخ خاصة تعمل على إبطاء المركبة الفضائية قبل اصطدامها بالأرض. إن الهبوط في المياه الغازية يلغي الحاجة إلى هذه الصواريخ، وبالتالي يبسط التصميم الهندسي إلى حد كبير. كان السوفييت أيضًا سيكونون سعداء جدًا بتجنب الصواريخ، لكن نظرًا لأن روسيا في الغالب غير ساحلية، لم يكن لديهم خيار آخر. سيكون عليهم أن يهبطوا بسفنهم الفضائية على أرض صلبة، على الرغم من كل المخاطر التي ينطوي عليها الأمر.

بالمناسبة، المرة الوحيدة التي هبطت فيها مركبة فضائية سوفيتية في الماء كانت في عام 1976. فقد أدت عاصفة ثلجية مفاجئة إلى تحويل مسار سويوز 23 عن نقطة وصولها المخطط لها، وتحطمت المركبة الفضائية في بحيرة متجمدة. امتلأت المظلة بالماء، وتحول أفراد الطاقم المفاجئون فجأة من رواد فضاء إلى "غواصين". ولحسن الحظ، تمكنت قوات الإنقاذ من الوصول إلى المكان في الوقت المناسب، ونجحت في سحب سفينة الفضاء من البحيرة.

أحدث مكوك الفضاء الأمريكي ثورة في طريقة عودة المركبات الفضائية إلى الأرض. تم استبدال السقوط الباليستي بارتفاع طويل وبطيء، وفي نهايته يهبط المكوك بلطف على المدرج - تمامًا مثل الطائرة العادية.

ويعني التصميم الطويل أن الجزء السفلي من المكوك يتعرض لحرارة منخفضة نسبيًا، ولكن لفترة طويلة من الزمن. طريقة التبخر ليست مناسبة لمثل هذه الخاصية الحرارية: الطبقة الواقية تحتاج إلى حرارة عالية جدًا لتتبخر. ولهذا السبب تحول المهندسون إلى تقنية دفاعية أخرى تسمى "الامتصاص".

وفي تقنية الامتصاص، كما يوحي الاسم، تمتص المادة الواقية الحرارة وتخزنها لمنعها من اختراق جسم المركبة الفضائية. البلاط الموجود في الجزء السفلي من مكوك الفضاء مصنوع من مادة ذات امتصاص وعزل مذهلين. إذا قمت بتسخين مركز مثل هذا البلاط إلى درجة حرارة ألف درجة - حتى يضيء حقًا بالضوء الأبيض - فيمكنك إمساك البلاط من حوافه بكف عارية دون أي حماية. العيب الرئيسي لبلاط الحماية هو أنها هشة وتنكسر بسهولة نسبيًا. ولا يجوز للمكوك أن يطير خلال المطر، على سبيل المثال، حتى لا تكسر القطرات البلاط الرقيق.

فقط في السنوات القليلة الماضية كان من الممكن رؤية تغيير معين في تمويل استكشاف الفضاء، ومعه أيضًا تغير تكنولوجي.

في يونيو 2004، قامت سفينة الفضاء "Spaceship 1" بأول رحلة مأهولة إلى الفضاء بتمويل خاص.
أحد العوائق الواضحة أمام رفع طائرة صغيرة إلى ارتفاعات عالية هو الوزن المنخفض، وبالتالي كان من المستحيل تغطية سفينة الفضاء 1 بمواد عازلة ثقيلة ومرهقة. كان الحل الذي توصل إليه مصممو المركبات الفضائية هو تجربة نهج مختلف تمامًا: حل "كرة الريش".

كرة الريش هي الكرة الغريبة التي يتم اللعب بها في ديمنجتون: نوع من الكرة المطاطية المزينة بمظلة صغيرة. ويعني هذا الشكل أن كرة الريشة تصطف دائمًا أثناء الطيران بحيث تكون الكرة المطاطية المستديرة متجهة للأمام، بغض النظر عن مدى سرعة ضربها أو اتجاهها.

في سفينة الفضاء 1، قام المهندسون بتنفيذ جناح متغير الشكل. على ارتفاعات عالية، يتغير الجناح إلى الشكل الذي يخلق تأثير "كرة الريش". التغيير في زاوية الجناح يعني أن السفينة الفضائية تتكيف من تلقاء نفسها ودون الحاجة إلى أي تحكم، مع توجيه مقدمتها في الاتجاه الذي سيؤدي إلى أكبر قدر ممكن من السحب. لنتذكر أن السحب الكبير يؤدي إلى إنشاء طبقة عازلة من الهواء تحمي سفينة الفضاء، وبالتالي تجنب الحاجة إلى مادة عازلة سميكة. ومع عودة المركبة الفضائية إلى الطبقات السفلية من الغلاف الجوي، يتغير شكل الجناح مرة أخرى ويصبح هبوطًا روتينيًا.

هل طريقة "كرة الريشة" هي الحل الرخيص والآمن الذي سيجعل السفر إلى الفضاء أمرًا روتينيًا مثل رحلة إلى نادٍ في تركيا؟ لا يوجد قول. وفي الوقت نفسه، لا يمكن تطبيق هذا الحل إلا بسرعات منخفضة نسبيًا، لذا فإن المركبات الفضائية العائدة من مدارات أعلى لا تزال بحاجة إلى دروع حرارية مرهقة. إذا نظرنا إلى الوراء، فمن الممكن أن اللحظة التي حام فيها طيار الاختبار مايك ملفيل على ارتفاع حوالي مائة كيلومتر فوق الأرض، ستنظر إليها الأجيال القادمة على أنها اللحظة التي بدأ فيها عصر الفضاء بالفعل. على أقل تقدير، هناك بعض عشاق كرة الريشة الذين يمكنهم أن ينفخوا صدورهم بكل فخر.

(هذه المقالة مأخوذة من البرنامج النصي للبرنامج "صناعة التاريخ!"، بودكاست نصف أسبوعي حول العلوم والتكنولوجيا والتاريخ :)