ساترن۵ را میتوان یکی از شاخصترین وسیلههای ساخت دست بشر در قرن بیستم دانست که تا همیشه در ذهن علاقهمندان به فضا باقی خواهد ماند. تا به اینجا خواندید که داستان تولد این حامل غولپیکر از کجا آغاز شد و چگونه سردرگمیهای اولیه پس از تلاشهای بسیار، کنار زده شد. حالا میتوانید ادامه ماجرای ساترن۵ و سفر انسان به ماه را مطالعه کنید.
معرفی ساترن۵
در سال۱۹۶۳ طراحی اصلی ساترن۵ و برادرانش مشخص شد و پروژه به مرحله ساخت و آزمایش قدم گذاشت. اگرچه فلسفه طراحی این حامل عمدتاً بر مبنای فناوریهای اثباتشده آن زمان بود، ولی ابعاد عظیم ساترن۵ به نوآوریهای متعدد و اساسی هم نیاز داشت.
بهعنوانمثال، جوشکاری یکی از مشکلات اساسی بود. اتصال فلزات به شکل یکنواخت بهگونهای که تحمل تنش و تغییرات دمایی قابلتوجه را داشته باشند، همواره یکی از چالشهای مهندسی هوافضا به شمار میرود ولی ساترن۵ این مشکل را به سطح تازهای رساند. بررسی دقت جوشکاری در مقیاس چند سانتیمتر کار سختی نیست ولی وقتی با دهها متر سروکار داشته باشیم، همهچیز سخت میشود.
موتورها هم بهاندازه کافی مشکلساز بودند. موتور اف-۱ (F-1) بزرگترین موتور راکت ساخت بشر بود و جی-۲ (J-2) هم یکی از پیشرفتهترین نمونهها به شمار میرفت. ساختن و آزمایش این موتورها مشکلات جدیدی را به وجود آورد. مثلاً ناپایداری احتراق بارها رخ میداد. درواقع سوخت و اکسیژن به شکل یکنواخت باهم ترکیب نمیشدند و موتور به شکل وحشتناکی ریپ میزد.
مواجهه با این مسائل همیشه راحت نبود؛ گاهی اوقات باید قطعاتی مانند انژکتور سوخت را دوباره طراحی میکردند و گاهی اوقات برای بررسی علت مشکل، باید نارنجکهای کوچکی را داخل موتور میانداختند تا ریپ زدن را شبیهسازی کنند. اوضاع بهقدری پیچیده بود که نیاز به پژوهشهای تئوری سطح بالا احساس شد و ورنز فونبراون (Wernher von Braun) به دانشگاهها پیشنهاد داد که دانشجویان دکترا را به این حوزه وارد کنند.
البته این حامل غولپیکر خیلی هم نازکنارنجی بود. ساترن۵ با ارتفاع یک ساختمان ۳۵طبقه، باید بهطور کامل تمیز نگهداشته میشد، چون حضور هرگونه جسم خارجی در عملیات جوشکاری یا انتقال سوخت میتوانست به مشکل جبرانناپذیری ختم شود. حتی لکه چربی ناشی از اثرانگشت در تماس با اکسیژن مایع، انفجاری کشنده را در پی خواهد داشت.
باوجوداین مشکلات، ساخت ساترن۵ با سرعت قابلتوجهی پیش میرفت، مخصوصاً اینکه بر اساس نتایج تستهای اس-۱ (S-I) و اس-۱بی (S-IB) دائماً تغییراتی هم در آن اعمال میشد. در بازه زمانی کوتاه، این حامل غولپیکر در سه خط تولید اصلی در ایالاتمتحده سروشکل گرفت.
دلیل تصمیم ناسا (NASA) برای تقسیم فرایند ساخت ساترن۵ کاملاً واضح است. آژانس فضایی آمریکا بهسرعت دریافت که بهتنهایی از پس اجرای این پروژه برنمیآید. فون براون و گروهش در مرکز مارشال (Marshall Space Flight Center) به توسعه اولیه و ساخت نمونه مشغول شدند، اما ساخت حامل نهایی به پیمانکاران خصوصی محول شد. گاهی اوقات نتیجه خوب بود، مثل ساخت اس-۱سی (S-IC) توسط بوئینگ (Boeing)، و گاهی اوقات هم نه، مثل ساخت اس-دو (S-II) توسط انجمن ملی هوانوردی (National Aeronautic Association) که اصلاً قابلاستفاده نبود.
مرحله اول حامل یعنی اس-یکسی (S-IC) توسط بوئینگ ساخته شد؛ استوانهای به قطر ۱۰متر و ارتفاع ۴۲متر که ۱۳۰تن وزن داشت، ولی وقتی با سوخت آرپی-۱ (RP-1) و اکسیژن مایع ترکیب میشد، وزنش به ۲۲۹۰تن میرسید. این سوخت، خوراک پنج موتور اف-۱ را تأمین میکرد تا ۳۵۱۰۰کیلو نیوتن رانش فقط به مدت ۱۶۸ثانیه ایجاد شود. این نیروی رانش عظیم، ماهوارهبر را از زمین بلند کرده و آن را بهسرعتی بالاتر از سرعت صوت میرساند.
جالب است که باوجود ابعاد عظیم و غرش کرکننده احتراق این بخش، لرزش و سروصدای بسیار کمی به کپسول خدمه ،جایی که فضانوردان در آن حضور داشتند، منتقل میشد. پیشازاین فضانوردان مأموریت مرکوری (Project Mercury)، جمنای (Project Gemini) و آپولو (Apollo program) همین موضوع را تجربه کردند. آنها میگفتند فقط با نگاه کردن به ابزارهای سنجش متوجه بلند شدن از سطح زمین میشدند.
همانطور که گفتیم مرحله دوم یعنی اس-دو توسط انجمن ملی هوانوردی ساخته شد؛ این قسمت با ارتفاع ۲۴.۸متر حدود ۴۰تن وزن داشت و به همراه سوخت، وزن آن به ۴۹۶تن میرسید. پنج موتور جی-۲ در این بخش که توسط شرکت راکت داین ساختهشده بود، به مدت ۳۶۰ثانیه کار میکردند. این بخش یکی از دشوارترین مراحل ساخت ساترن۵ را داشت. از طرفی مشکلات عجیب مثل ساختار دولایه محفظه سوخت، پای سازندگان تخته موجسواری را به ماجرا باز کرد و از طرف دیگر هم فرایندهای مدیریت پروژه و کنترل کیفی هیچگاه با استانداردهای ناسا مطابقت نداشت.
مرحله سوم حامل ساترن ۵ یعنی اس-چهاربی (S-IVB) هم توسط شرکت هواپیماسازی داگلاس (Douglas Aircraft Company) ساخته شد. این مرحله با قطر۶.۶ و ارتفاع ۱۸.۸متر بسیار سبکتر از دو بخش قبلی بود و با سوخت کامل، تنها ۱۲۳تن وزن داشت. در این بخش فقط شاهد یک موتور جی-۲ پیشرفته بودیم که برای اولین بار قرار بود دومرتبه احتراق داشته باشد؛ اولین بار به مدت ۱۶۵ثانیه برای قرار دادن مرحله سوم در مدار، و دومین بار به مدت ۳۳۵ثانیه برای ارسال فضاپیمای آپولو و محموله همراه به سمت ماه.
یکی دیگر از بخشهای منحصربهفرد اس-چهاربی واحد تجهیزات (Instrument Unit) نام داشت که درون حلقهای زیر محل استقرار ماژول ماه نشین آپولو قرارگرفته بود. این قطعه، درواقع کامپیوتری بود که توسط شرکت آیبیام (IBM) در شهر هانتسویل ایالت آلاباما ساختهشده و کل حامل را از مرحله پرتاب تا جدا شدن اس-چهاربی کنترل میکرد. حلقه موردبحث، بنیان ساختاری فضاپیمای آپولو را تشکیل میداد و ابزارهای محیطی، سیستم ناوبری، ژیروسکوپ، سیستم خنکسازی الکترونیکی و سامانههای ردیابی را در خود جایداده بود. ساترن۵ با استفاده از این سیستم، اطلاعات مربوط بهشتاب و ارتفاع خود را با برنامه پرواز اولیه تطبیق داده و در صورت نیاز، به اصلاح آن اقدام میکرد. اصلاح مسیر هم با استفاده از موتورهایی ویژه باقابلیت گردش در جهتهای مختلف صورت میگرفت.
بالاترین قسمت ساترن۵ یعنی روی ماژول فرماندهی و خدمات آپولو، سیستم خروج اضطراری به نام لانچ اسکیپ توور (Launch Escape Tower) قرارگرفته بود. این بخش یک موتور راکت با سوخت جامد داشت که در صورت بروز شرایط اضطراری، ماژول فرماندهی را از حامل جدا کرده و آن را به فاصله امنی میرساند تا نهایتاً با استفاده از چتر روی زمین فرود آید.
ماژول خروج اضطراری با هماهنگی سیستم پخش سوخت یا پیدیاس (PDS) کار میکرد که برای حفاظت از مرکز فضایی کندی و تجهیزات اطرافش در برابر انفجار احتمالی ساترن۵ روی سکوی پرتاب طراحیشده بود. حجم بالای سوخت و اکسیژن مایع روی این حامل غولپیکر میتوانست انفجاری به قدرت دو کیلوتن تیانتی (TNT) را به وجود آورد، یعنی انفجاری در حد بمبهای اتم.
ازآنجاکه انفجار ساترن۵ یکی از بزرگترین انفجارهای غیرهستهای بشر در تاریخ را رقم میزد، درون سه مرحله راکت، مواد منفجره کار گذاشته بودند و افسر امنیت پرواز میتوانست با سیگنال رادیویی آنها را منفجر کند. در صورت بروز اتفاق ناخواسته، سیستم ایمنی، موتورها را به مدت ۳۰ثانیه روشن میکرد تا ماهوارهبر بهاندازه کافی ارتفاع بگیرد. سیگنال اول موتورها را خاموش میکند، سیگنال دوم مخزنهای سوخت را بهگونهای باز میکند که سوخت و اکسیژن مایع از هم جدا شوند و اشتعال صورت نگیرد. اگر اتفاق خاصی نیفتد، سیگنال سوم مواد منفجره روی اس-چهاربی سوم را پس از رسیدن به مدار موردنظر غیرفعال میکند.
کابوس لجستیک
ساترن۵ خودش بهتنهایی اعجابآور و استثنایی بود، ولی پشت ماجرا کابوسی از فرایندهای لجستیکی و تدارکات به چشم میخورد. این حامل بهتنهایی معنایی نداشت، بلکه کنار آن باید آمیزهای از زیرساختهای عظیم و تأسیسات گسترده در آلاباما، لوئیزیانا، میسی سیپی، کانزاس، واشنگتن، کالیفرنیا، فلوریدا و غیره را هم در نظر بگیریم.
اگرچه ساترن۵ در هانتسویل آلاباما توسعهیافته بود اما پس از طی مراحل ساخت اولیه ابعادی بزرگتر از این تأسیسات پیدا کرد. ناسا به سایتهای زیادی نیاز داشت ولی انتخاب مکان آنها کار سادهای نبود. تأسیسات باید از مناطق پرجمعیت دور و به مسیرهای ارتباطی اصلی نزدیک باشند. همچنین چون حملونقل آبی در اولویت قرار داشت، باید مکانهایی را انتخاب میکردند که یخبندان در آنها ایجاد نشود.
یکی از این مناطق، مرکز مونتاژ میشو ( MAF:Michoud Assembly Facility) در نیواورلانز بود؛ یک کارخانه تولید شکر که در زمان جنگ جهانی دوم و جنگ کره برای تولید تجهیزات جنگی به کار میرفت. برای استفاده از این مرکز باید ساختمانها و تأسیسات جدیدی ساخته میشد، بهویژه سازههای تست حامل که بلندترین ساختمان آن زمان در ایالاتمتحده بودند، ضمن اینکه صدها خانواده از شهر مجاور هم باید با پرداخت خسارت هنگفت به مناطق جدیدی منتقل میشدند.
ازجمله گزینههای مناسب دیگر میتوان مرکز تست میسی سیپی (MTF) در سنت لوئیس، مرکز کامپیوتر اسلایدل (slidell computer complex) در لوئیزیانا، مرکز تست موتور راکت ناسا در پایگاه نیروی هوایی ادواردز (Edwards Air Force Base)، و مراکز تولید در سیل بیچ کالیفرنیا را نام برد. علاوه بر اینها باید به جادهها، خطوط ریلی، شناورها، کشتیها، هواپیماهای ویژه، اسکلهها و تمامی تجهیزات حملونقل اشاره کرد.
مرکز کنترل عملیات در هیوستن تگزاس و مرکز پرتاب را هم به این مجموعه اضافه کنید. پس از ترور کندی در سال۱۹۶۳، کیپ کاناورال (Cape Canaveral Air Force Station) از یک سایت موشکی به پایگاه فضایی پیشرفتهای به نام مرکز فضایی کندی (Kennedy Space Center) تغییر ماهیت داد. طی این فرایند بخشهای جدیدی مانند سایت کنترل پرتاب، مراکز سوختگیری، سکوی پرتاب غولپیکر، و بزرگترین ساختمان دنیا یعنی ساختمان مونتاژ وسیله ویایبی (VAB) به این مرکز اضافه شد. این ساختمان بهقدری بزرگ بود که اگر سیستم تهویه از کار میافتاد، احتمال تشکیل ابر و بارش باران درون آن وجود داشت.
ناسا باید به جنگ طبیعت هم میرفت. کیپ کاناورال بهقدری پشه داشت که فقط باید بالباس، دستکش و ماسک ویژه از میان آنها عبور میکردند و شکار تعداد زیادی از آنها با یک تور ساده بهراحتی ممکن بود. برای رفع این مشکل، مهندسین ناسا چندین آببند ساخته و گذرگاههای آبی را تا حدی پر کردند که بتوان ماهی کپور را در آنها پرورش داد. ماهیها با خوردن لارو پشهها، از رشد جمعیت آنها جلوگیری کردند.
از طرف دیگر، مرکز فضایی پر از کبوترهایی بود که در ساختمانهای بلند لانه کرده و فضولاتشان را روی تجهیزات حساس میریختند. پس از آزمودن راهکارهای مختلف و حتی تلاش برای شکار آنها، بالاخره زیست شناسان به نتیجه مناسبی رسیدند. آنها به پرندگان نوعی ماده شیمیایی خوراندند که به شکل موقت آنها را فلج میکرد و همین موضوع کافی بود تا پس از مدتی، پرندگان به منطقه دیگری کوچ کنند.
تست ماهوارهبر
یکی از عوامل اصلی موفقیت حامل ساترن۵، تستهای متعدد و بیوقفه توسط ناسا بود. معمولاً هواپیماها هزاران ساعت تست پرواز را پشت سر میگذارند تا برای تولید نهایی چراغ سبز بگیرند، ولی اجرای این فرایند برای بزرگترین حامل جهان ممکن نبود. درنتیجه آژانس فضایی حاملهای اس-۱ و اس-۱بی را برای تستهای اولیه ساخت و تمامی قطعات، موتورها، سامانهها و زیرسیستمهای آنها را روی زمین تست کرد. برنامه کنترل کیفی ناسا و نظارت شدید روی سازندگان قطعات مختلف باعث شد تا ساترن۵ ازنظر ایمنی سرآمد باشد. درواقع تستهای ایمنی، نیمی از کل برنامه ناسا برای سفر به ماه را تشکیل میداد.
این فرایند بهقدری مؤثر بود که ناسا مراحل مختلف ساترن۵ را به شکل مجزا تست نکرد، بلکه کل حامل را طی پرواز آزمایشی آپولو۴ به فضا فرستاد. تستها کاملاً موفق بودند و فقط در پرواز آزمایشی آپولو۶ مشکلی در حین پرواز به وجود آمد. در مأموریت آپولو۶ یکی از موتورهای جی-دو مرحله دوم ماهوارهبر به خاطر ناپایداری در عملکرد، بهقدری لرزید که کل حامل را تحت تأثیر قرارداد. مهندسین ناسا این موتور را خاموش کردند اما موتور دوم هم به همین مشکل مواجه شد و مرحله سوم حامل در مدار اشتباهی قرار گرفت.
بروز این مشکل دلیل سادهای داشت. لرزش به خاطر اشتباه در طراحی سیستم احتراق به وجود آمده که در تستهای زمینی قابلشناسایی نبود، چون سیستم احتراق در زمین در مجاورت سوختهای برودتی (مثل اکسیژن مایع) یخ میزد و در جای خود محکم میشد. اما ازآنجاییکه در فضا خبری از هوا و بخارآب و یخ زدن نیست، سیستم احتراق هم جابجا شده و لرزشهای بیشازحد را به وجود میآورد.
مشکل موتور دوم هم به خاطر اشتباه در سیمکشی رخ داد و سیگنال کامپیوتری به موتور دیگری فرستاده شد. این مسئله هم با تغییر شیوه سیمکشی و استفاده از سیمهای مجزا برای هر موتور، مرتفع شد.
مونتاژ
حتی مونتاژ ساترن۵ هم به عملیات فنی و مهندسی گستردهای نیاز داشت. روش معمول برای سرهم کردن حامل در آن زمان، این بود که قطعات مختلف را به سکوی پرتاب برده و قبل از سوختگیری، آنها را یکییکی رویهم سوار میکردند. این روش برای غولی مثل ساترن۵ ممکن نبود، بهویژه در فلوریدا و درزمانی که تعداد زیادی پرتاب برنامهریزیشده بود. بنابراین ناسا به روش تازهای نیاز داشت.
ناسا روش جدیدی را برای مونتاژ ساترن۵ در محلی حفاظتشده بهدوراز سکوی پرتاب در پیش گرفت. ساختمان مونتاژ ویایبی میتوانست چهار حامل ساترن را به شکل همزمان در خود جای دهد، ولی پیش از آن قطعات مختلف باید از مسیرهای مختلف به فلوریدا منتقل میشدند. مرحله اس-۱سی با یک شناور بزرگ از طریق رود میسی سیپی وارد دریا شد و سپس از خلیج مکزیک و اقیانوس اطلس به کیپ کاناورال رسید. مرحله اس-دو در کالیفرنیا ساخته شد و از طریق کانال پاناما به مقصد رسید، و نهایتاً مرحله اس-۴بی هم به شکل هوایی توسط هواپیمای باربری به نام سوپر گاپی (Super Guppy) جابجا شد.
وقتی تمام قطعات به ویایبی رسیدند، بازرسی نهایی روی آنها انجامگرفته و سپس به محل موردنظر منتقل شدند. نهایتاً حامل کامل توسط یک کشنده غولآسا به نام سیتی (CT) فاصله ۴.۸کیلومتری بین ویایبی و مجتمع پرتاب۳۹ را پیمود. در کنار سکوی پرتاب، ساختمان خدماتی اماساس (MSS) ساختهشده که شامل یک اتاق نظافت متحرک، بالابرها، سامانههای سوختگیری و برقرسانی، و حتی یک سرسره بزرگ بود تا در شرایط اضطراری، نیروهای حاضر بتوانند بهسرعت ازآنجا خارج شوند.
پرتاب
بااینهمه تلاشها، جالب است که کل مأموریت ساترن۵ پس از پرتاب به بیست دقیقه میرسید، بعلاوه مقداری زمان انتظار در مدار. بااینحال بلند شدن این حامل از زمین، آتشبازی بزرگی به راه انداخت که بشر تا آن زمان به چشم ندیده بود.
اولین لحظات پرتاب ساترن۵ بسیار زیبا، بیشازحد ساده ولی فوقالعاده خطرناک بود. به خاطر وزن بالای ماهوارهبر، مرحله اول تحتفشار سنگین نیروهای ایرودینامیکی قرار میگیرد و به همین دلیل اس-۱سی فقط تلاش میکرد ماهوارهبر را سرپا نگه دارد. ماهوارهبر باید مسیری از پیش تعیینشده را طی میکرد و کامپیوترهای تعبیهشده روی آن، هرگونه انحراف از برنامه را تشخیص میدادند. بدین ترتیب پس از رسیدن به ارتفاع مناسب، مراحل دوم و سوم میتوانستند در صورت نیاز، مسیر را اصلاح کنند.
یکی از خطرناکترین نکات در مورد ساترن۵ این بود که به مدت ۱۲ثانیه در کنار برج پرتاب صعود میکرد. هرگونه برخورد جزئی با برج یا نقص عملکرد یکی از موتورها به انفجاری مرگبار ختم میشد. به همین دلیل تا شعاع ۵کیلومتری اطراف سکوی پرتاب هیچچیزی وجود نداشت. برای کاهش احتمال برخورد با برج، حامل ابتدا با زاویه ۱.۲۵درجه نسبت به راستای عمود حرکت میکرد و پس از رسیدن به ارتفاع ۱۳۰متری، به مسیر اصلی خود وارد میشد و بهتدریج حالت افقی به خود میگرفت.
۱۵۰ثانیه پس از پرتاب، ساترن۵ بهسرعت مافوق صوت رسید. در این زمان و با پایان سوخت، مرحله اول ماهوارهبر بهوسیله مواد منفجره و ماهوارهبرهای کوچک از بدنه حامل اصلی جدا شد. سپس با بررسی وضعیت سوخت، پنج موتور جی-۲ مرحله دوم روشنشده و طی شش دقیقه، سرعت حامل را به ۲۴۶۲۳کیلومتر بر ساعت رساندند. در پایان این زمان، مرحله دوم هم جداشده و درون اقیانوس اطلس و در سواحل آفریقای غربی سقوط کرد.
حالا نوبت به مرحله سوم میرسد. اولین بخش از فعالیت این مرحله، حامل را بهسرعت ۲۸۱۶۴کیلومتر بر ساعت رسانده تا در مدار موردنظر در ارتفاع مشخص از زمین توقف کند. در اینجا حامل به مدت ۳گردش کامل دور زمین باقی میماند تا فضانوردان و مرکز کنترل زمینی از کارکرد صحیح سامانهها و تجهیزات اطمینان حاصل کنند و به ادامه مأموریت چراغ سبز نشان دهند. پس از بررسیها، موتور جی-۲ برای دومین بار روشنشده و ماهوارهبر را به مدار ماه میرساند.
در این مرحله مأموریت ساترن۵ به پایان رسید. فضانوردان مأموریت آپولو به ماژول ماه نشین متصل شده و سپس با اصلاح مسیر به سمت ماه رفتند، و مرحله سوم ماهوارهبر هم بهآرامی از آنها فاصله گرفت تا از هرگونه برخورد احتمالی جلوگیری شود.
پایان یک عصر طلایی
پس از پایان عصر طلایی فضا دیگر هیچچیزی شبیه ساترن۵ ندیدیم. آخرین نمونه از این حامل در سال۱۹۷۳ به پرواز درآمد و آزمایشگاه فضایی اسکایلب (Skylab) را به مدار فرستاد. پسازآن دو نمونه حامل ساترن۵ آمادهی پرتاب در تگزاس و فلوریدا برای عموم به نمایش درآمده، پنج حامل اس-۴بی برای مأموریتهای آپولو۸ تا آپولو۱۲ به سمت خورشید اعزام شدند و پنج حامل دیگر هم طی مأموریتهای آپولو۱۳ تا آپولو۱۷ برای آزمایشها لرزهشناسی به ماه اصابت کردند. بخشهایی از این حاملها هم در موزهها و انبارهای مختلف دیده میشوند.
اما سؤالی که اکنون ذهن همه را مشغول کرده، این است که آیا میتوانیم دوباره ماهوارهبر ساترن۵ را بسازیم؟ پاسخ ناسا منفی است. اگرچه طرحهای اولیه هنوز روی میکروفیلمها وجود دارند و مراحل توسعه و ساخت حامل با دقت تمام مستند شده، ولی زیرساختها و ابزارهای موردنیاز برای ساخت ساترن۵ عمدتاً نابودشده، به موزهها منتقلشده یا در مراکز دیگری به کار گرفتهشدهاند. علاوه بر این مردان وزنانی که در این پروژه کار میکردند هم یا از دنیا رفته و یا بازنشست شدهاند.
درواقع اکنون توسعه و ساخت یک حامل کاملاً جدید، بهمراتب ارزانتر درمیآید. به همین دلیل ناسا روی سیستم پرتاب فضایی اسالاس (SLS) کار میکند، اسپیسایکس (Space X) پروژه بیافار (BFR) را در دستور کار دارد و حتی چین هم میخواهد یک حامل عظیمالجثه برای رقابت با ساترن۵ بسازد. بدون شک در آینده نزدیک حامل قدرتمند جدیدی خواهیم داشت، ولی ساترن۵ بهقدری باصلابت در تاریخ اکتشافات فضایی بشر ایستاده که به این راحتیها از اذهان پاک نخواهد شد.