دسته بندی:علوم فضایی

نشریه ان بی سی همزمان با آغاز آخرین پرواز شاتل فضایی آتلانتیس و با نزدیک شدن به بازنشستگی شاتلهای کهنه کار ناسا، گزارشی را از به یاد ماندنی ترین لحظات در تاریخ فعالیت شاتلها منتشر کرده است.

به گزارش خبرگزاری مهر، پس از بیش از 130 ماموریت طی 30 سال، سازمان ناسا در حال آماده سازی شاتلهای خود برای انجام آخرین پرواز فضایی است، زمانی که اندیور ردیاب ذره ای 1.5 بیلیون دلاری طیف سنج مغناطیسی آلفا را به ایستگاه بین المللی فضایی انتقال خواهد داد.

“راجر لانیوس” از کارمندان ارشد پروازهای انسانی موزه ملی هوا و فضای اسمیتسونیان می گوید: “به طور قطع اکنون زمان آن فرا رسیده است تا این فضاپیماها با احترام و به شایستگی بازنشسته شوند آنها به خوبی خدمت کرده اند اما اکنون فرسوده شده اند و زمان جایگزینی آنها فرا رسیده است.”

با توجه به پایان قریب الوقوع دوره فعالیت شاتلهای ناسا نشریه ان بی سی نگاهی به گذشته داشته و با بررسی 30 سال فعالیت شاتلهای ناسا گزارشی را از خاطره انگیزترین لحظات به جا مانده از ماموریت شاتلهای ناسا منتشر کرده است.

سال 1972: برنامه شاتل مورد تایید قرار گرفت

با رو به پایان گذاشتن برنامه ماه آپولو، ریچارد نیکسون در ملاقاتی با جیمز فلچر رئیس ناسا در تاریخ 5 ژانویه 1972 موافقت خود را با برنامه ای که در آن زمان سیستم حمل و نقل فضایی خوانده می شد، اعلام کرد. قرار بود طی این برنامه وسایل نقلیه فضایی با توانایی حرکت سریع میان زمین و مدار یا همان شاتلها ساخته شوند. مشکلات تکنیکی از قبیل ساخت سیستمی که بتواند وسیله نقلیه بالداری را به مدار زمین پرتاب کند، فرود این وسیله نقلیه مانند یک هواپیما بر روی فرودگاه، ساخت لایه محافظتی حرارتی و دیگر موارد مراحلی بودند که برای قابل استفاده بودن و استفاده مکرر از شاتلها بر سر راه ناسا قرار داشت.

سال 1981: اولین پرواز مداری شاتلها انجام می گیرد

ساعت 7 بامداد روز 12 آوریل سال 1981 فضانوردان “جان یانگ” و “باب کریپن” به همراه شاتل فضایی کلمبیا از پایگاه فضایی کندی ناسا به منظور انجام اولین پرواز مداری به فضا فرستاده شدند. به گفته لانیوس پس از 6 سال منفعل بودن آمریکا در پروازهای فضایی، ناسا به همراه شاتلهایش بازگشتی کاملا متفاوت داشت، وسایل نقلیه ای که بیشتر به هواپیما شباهت داشتند تا راکتهای فضایی و از قابلیت استفاده مجدد برخوردار بودند.

سال 1982: اولین ماموریت عملیاتی انجام می گیرد

در این سال شاتل کلمبیا به همراه سرنشینانش دو ماهواره ارتباطاتی را به مدار انتقال داد. این ماموریت از 11 نوامبر 1982 آغاز شده و در 16 نوامبر به پایان رسید.

سال 1983: فضا در دسترس همه قرار می گیرد

زمانی که در 18 ژوئن 1983 شاتل چلنجر به فضا پرتاب شد، “سلی راید” اولین فضانورد زن را به همراه خود برد. دو ماه پس از آن در 30 آگوست همان سال “گویون بلوفورد” به اولین آفریقایی- آمریکایی در فضا تبدیل شد به این شکل فضانوردان در میان قشرهای متنوعی پراکنده شدند که این تنوع به لایه های بین المللی نیز نفوذ کرد.

 سال 1984: اولین راهپیمایی فضایی بدون محدودیت انجام می گیرد

“بروس مک کندلز” به همراه “رابرت استوارت” در فوریه سال 1984 بدون استفاده از هرنوع طناب نجات یا هدایت کننده ای، خارج از شاتل چلنجر در فضا معلق شده و به اولین قمرهای مصنوعی انسانی تاریخ تبدیل شدند.

سال 1986: سال سیاه انفجار چلنجر

28 ژانویه سال سیاه 1986 تمامی هفت سرنشین شاتل فضایی چلنجر، زمانی که شاتل 73 ثانیه پس از بلند شدن از پایگاه فضایی کندی منفجر شد، جان خود را از دست دادند. در صورتی که این حادثه دردناک نقطه قوتی نیز داشته، این نقطه می تواند درک ناسا از توانایی ها و ناتوانایی های شاتلهایش باشد. پس از این حادثه تلخ ناسا تغییرات زیادی را در سیستم شاتلهایش به وجود آورد و بسیاری از قطعات از جمله تقویت کننده راکت را در آنها جایگزین کرد.

سال 1989: ماهواره ها با اهداف علمی در مدار قرار می گیرند

برنامه شاتلهای ناسا به تدریج منجر به مستقر شدن ماهواره ها و فضاپیماهای متعددی با هدف انجام مطالعات علمی در مدار زمین شد، از مهمترین پدیده ها در این دوره پرتاب کاوشگر ماژلان ونوس از شاتل آتلانتیس در چهارم می 1989 و کاوشگر سیاره مشتری گالیله در 18 اکتبر همان سال بوده است. کاوشگر ماژلان در سال 1994 با اتمسفر سیاره زهره برخورد کرد و کاوشگر گالیله در سال 2003 در اتمسفر مشتری متلاشی شد.

سال 1990: هابل به فضا می رود

پس از سالها برنامه ریزی شاتل فضایی دیسکاوری در تاریخ 24 آوریل سال 1990 تلسکوپ فضایی هابل را به همراه خود به فضا برد و آن را در مدار زمین مستقر کرد. طی 20 سال گذشته چندین ماموریت تعمیراتی به سوی این تلسکوپ انجام گرفته است که آخرین آن در سال 2009 بوده و طی آن هابل به ابزاری در سطح جهانی تبدیل شد که خدمات علمی آن برای چند صد سال آینده فراموش نخواهند شد.

 سال 1995: آتلانتیس به دیدار “میر” می رود

تصمیم به مشارکت با روسی ها پس از جنگ سرد در دهه 1990 پدیده ای مهم بود که در راستای آن در ژوئن 1995 شاتل آتلانتیس برای اولین بار در ایستگاه فضایی میر پهلو گرفت. سه سال بعدی برنامه میر-شاتل 11 پرواز شاتل و حضور هفت فضانورد آمریکایی در ایستگاه میر را به همراه داشت.

سال 1998: اولین دیدار با ایستگاه فضایی بین المللی

مشارکتهای بین المللی برای ساخت ایستگاه بین المللی فضایی ادامه پیدا کرد و شاتلها ده ها پرواز را به منظور انتقال اتاقکها، تجهیزات و نیروی انسانی به سوی این لابراتورا مدارگرد انجام دادند. زمانی که شاتل اندیور در دسامبر سال 1998 اتاقک “یونیتی” را به ایستگاه انتقال داده و آن را به اتاقک “زاریا” اتصال داد، سرهم بندی قطعات ایستگاه در حال انجام بود.

سالهای 2003 تا 2005: سالهای مصیبت و جبران

دومین فاجعه برنامه شالهای ناسا با متلاشی شدن شاتل کلمبیا در اول فوریه سال 2003 به خود شکل گرفت. ناسا برای بازبینی این فاجعه و ترمیم اختلالی که منجر به وقوع این حادثه شده بود، یک سال و نیم زمان صرف کرد. با پرتاب شاتل دیسکاوری در 26 جولای سال 2005 پروازهای شاتلهای ناسا از سر گرفته شدند. زمانی که طی این پرتاب قطعه ای بسیار ریز از شاتل جدا شد، ناسا برای یک سال دیگر پرواز شاتلها را به تعویق انداخت. دیسکاوری پس از اینکه مطالعات ناسا برای اطمینان حاصل کردن از ایمنی شاتلها به پایان رسید، دومین پرواز احیای برنامه شاتلها را در سال 2006 انجام داد.

سال 2007: حضور اولین معلم در فضا

“بابارا مورگن” در آگوست سال 2007 به اولین معلمی تبدیل شد که تا به حال در فضا حضور داشته است. وی جایگزین فضانورد معلم “کریستا مک آلیف” بود که در سانحه چلنجر جان خود را از دست داده بود. مورگن طی سفرش به فضا گفت: “من از زمان وقوع حادثه چلنجر هر روز به کریستا و دیگر سرنشینان چلنجر فکر می کنم. امیدوارم آنها بدانند که اینجا در کنار ما و در قلب ما هستند.”

منبع : خبرگزاری مهر

مقدمه

در تمام مسایل حرکتی اطلاع از موقعیت و زاویه ی جسم و سرعت زاویه ای آن، امری ضروری است؛ چرا که بدون اطلاع از وضعیت جسم، کنترل آن به سمت هدف غیرممکن است. بدست آوردن این اطلاعات از روی زمین کاری بسیار پیچیده و در عین حال سخت و گاه ناممکن است؛ حتی اگر این امر امکان پذیر باشد، برای اجسامی مثل موشک، تأخیر زمانی ایجاد می کند و موجب انحراف مسیر موشک می شود.

ژیروسکوپ ها، دستگاه هایی هستند که از آن ها برای بدست آوردن سرعت زاویه ای و موقعیت زاویه ای استفاده می شود؛ آن ها با پردازش این اطلاعات، می توانند موقعیت کلی جسم را نیز بدست آورند. وظیفه ی اصلی ژیروسکوپ ها، ایجاد یک دستگاه مختصات مرجع است و شتاب سنج ها، شتاب جسم متحرک را، در امتداد چنین محورهایی اندازه می گیرند. این شتاب می تواند نسبت به دستگاه مرجع اینرسی یا دستگاه مرجع دیگری (مانند دستگاه متصل به زمین) انداز گیری شود.

ژیروسکوپ و قوانین حرکت نیوتون

ژیروسکوپ عضو اصلی سامانه ی هدایت اینرسی است و عمدتاً برای اندازه گیری مقدار دوران، سرعت دوران و ایجاد محورهای مختصات مرجع در اجسام پرنده ی هوایی، فضایی و دریایی (مانند هواپیما، موشک، ماهواره، سفینه ی فضایی، کشتی و زیردریایی) به کار می رود.

طبق اصل پایستگی اندازه حرکت زاویه ای، هر جسم در حال چرخش متقارن، سعی دارد جهت حرکت خود را همواره در فضا حفظ کند. بنابراین اگر جسم سنگین متقارنی را با سرعت دور بالا بچرخانیم و اطراف آن را با یاتاقان یا بلبرینگ آزاد بگذاریم (تا نیروهای خارجی بر آن اعمال نشود) با چرخش قاب این سامانه، جهت چرخش جسم دوار تغییر نمی کند؛ بنابراین می توانیم بدین وسیله در اجسام متحرک جهت ثابتی اعمال کنیم که وضعیت فعلی جسم متحرک را در هر لحظه، با آن مقایسه نماییم.بدین صورت می توان با تغییر موقعیت زاویه ای و محاسبه ی سرعت، تغییر سرعت زاویه ای را بدست آورد.

عضو اصلی ژیروسکوپ های مکانیکی، یک دستگاه دوار یا رتور است که معمولاً با سرعت زیاد حول محور تقارن خود دوران می کند. این سرعت از 3000 تا 300000 دور در دقیقه می باشد؛بنابراین در اثر اینرسی جرم دوار، اندازه حرکت نسبتاً بزرگی ایجاد می گردد. اگر یاتاقان بندی محور چرخ را در طوقه ای معلق کنیم، به نحوی که گشتاور خارجی به  آن وارد نگردد، علی رغم تمام حرکت های قاب، محور چرخش رتور همواره به جهت ثابتی اشاره خواهد کرد و موقعیت خود را در فضا حفظ خواهد نمود. با این روش می توان جهت یا محورهای ثابتی را برای جسم پرنده یا وسیله ی نقلیه تعریف کرد که هرگونه حرکت زاویه ای نسبت به این محور ها سنجیده شود.

ژیروسکوپ از «ویژگی صلیبی» استفاده می کند. قانون دوم نیوتون می گوید: «مجموع گشتاورهای خارجی وارد بر سامانه دوار، حول یک نقطه مفروض برابر با تغییرات زمانی اندازه حرکت زاویه ای همان سامانه، حول همان نقطه است.» بنابراین چون تغییر اندازه حرکت زاویه ای سامانه، برابر صفر است، مقدار و جهت بردار اندازه حرکت زاویه ای ژیروسکوپ در فضای اینرسی، ثابت می ماند.

تاریخچه

کلمه ی ژیروسکوپ واژه ای یونانی است که از دو بخش Gyro به معنای دوران و Scope به معنای نشان دادن تشکیل شده است. به این ترتیب معنای کلمه ی آن «دوران نما» خواهد بود که در این تعبیر وظیفه این وسیله بیان شده است. در زبان فارسی کلمه ی «جای رو» را برای ژیروسکوپ، پیشنهاد کرده اند.

نخستین پدیده ی ژیروسکوپ را، ابرخوس در 125 سال قبل از میلاد مسیح کشف کرد؛ این پدیده عبارت بود از، حرکت تقدیمی زمین در مطالعه اعتدال شب و روز (تقدیم اعتدالین)؛ که در واقع بررسی حرکت محور دوران زمین است که روی یک بستر مخروطی گردش می نماید.

توضیح مسئله چنین است که زمین در واقع یک ژیروسکوپ با روتور آزاد است که توسط میدان جاذبه به حال تعادل و تعلیق درآمده است. بنابراین طبق ویژگی دوم ژیروسکوپ، هرگاه به آن گشتاوری وارد شود محور چرخش تمایل دارد به نحوی دوران کند که خود را هم جهت با بردار گشتاور وارده تغییر دهد. بر اثر وجود اجرام سماوی و میدان های جاذبه فضایی گشتاوری بر زمین اعمال می شود که اثر آن همان حرکت تقدیمی زمین است.

تا زمان نیوتون (اواخر قرن هفدهم میلادی) تحول چندانی در مطالعه ی بیش تر این موضوع رخ نداده بود؛ اما توانست علت حرکت تقدیمی زمین را با استفاده از قوانین جاذبه و اینرسی، به نحوی توجیح نماید. به این ترتیب که در اثر کشش ناشی از جاذبه ی ماه و خورشید روی استوای زمین، زمین در محل قطب های خود پهن می گردد و محور چرخش آن حالتی غیرعمود نسبت به صفحه مداری خود، پیدا می کند.

در قرن هجدهم، دانشمندانی چون اولر، درباره ی دینامیک اجسام دورانی، پژوهش های قابل ملاحظه ای انجام دادند. در همین قرن در انگلستان، درباره ی ایجاد یک افق مصنوعی برای کشتی ها بررسی هایی بوجود آمد و به این منظور از یک قرقره دوار استفاده شد که یک آیینه ی مسطح، عمود بر امتداد محور چرخش آن قرار داشت.

در میانه ی قرن نوزدهم، فوکو (دانشمند فرانسوی) برای نشان دادن دوران زمین از یک ژیروسکوپ استفاده کرد که این کار به علت نداشتن یک موتور الکتریکی مناسب، به شکل دقیقی انجام نگرفت. او بود که برای نخستین بار نام ژیروسکوپ را به این وسیله اطلاق کرد (سال 1852 میلادی). وی پیش از این توانسته بود، از طریق یک پاندول (که بعدها به پاندول فوکو معروف شد) حرکت زمین را نشان دهد.

در سال 1900 میلادی شخصی آلمانی به نام آتشوتس کامفه تصمیم به ساختن یک زیردریایی برای کاوش در قطب شمال گرفت؛ ولی وسایل هدایت و ناوبری با دقت لازم برای این کار، در دست نبود؛ به ویژه قطب نماهای مغناطیسی در محدوده ی قطب شمال به دلیل وجود میدان های مغناطیسی قوی، از دقت و قابلیت عملکرد صحیح می افتادند. از این رو وی تلاش کرد تا قطب نمای دیگری (که مستقل از خواص مغناطیسی عمل کند) بسازد. تلاش وی منجر به ساخت قطب نمایی شد که بر اساس خواص ژیروسکوپی کار می کرد. این قطب نما، قطب نمای ژیروسکوپی نام دارد. قطب نمای ژیروسکوپی می تواندهمواره جهت شمال حقیقی را نشان دهد و نسبت به تأثیرات میدان های گرانش و مغناطیسی بی تفاوت است. این قطب نما در واقع نخستین وسیله دقیق هدایت و ناوبری است که براساس اصول اینرسی عمل می کند. در همین ایام بود که شخصی آمریکایی به نام اسپری نیز موفق به ساختن چنین قطب نمایی با شکل دیگری گردید.

پیشرفت صنعت و پدیدار شدن وسایل پرنده، لزوم نوآوری در وسایل هدایت و کنترل دقیق را، بیش از پیش آشکار ساخت. به خصوص وقوع جنگ های جهانی اول و دوم و تولید نسل های جدید انواع هواپیما و موشک، به نحو بارزی دانشمندان و محققین را بر آن داشت تا در زمینه ی ابداع وسایل دقیق تر و با کیفیت بالاتر، تلاش بیشتری انجام دهند.

قدم اساسی در این زمینه، طی جنگ جهانی دوم در دانشگاهی در آمریکا برداشته شد و تحت سرپرستی شخصی به نام چارلز دراپز ژیروسکوپ های دقیق و کوچکی برای نصب بر روی هواپیما، ساخته شد.

پس از جنگ جهانی دوم نیز، روش هدایت و ناوبری اینرسی، به عنوان روشی دقیق و قابل اعتماد برای هدایت متحرک های فضایی به کار گرفته شد. نخستین سامانه ی هدایت که به طور کامل بر مبنای اصول اینرسی، به کمک ژیروسکوپ ها و شتاب سنج ها عمل می کرد و در آن از یاتاقان های گازی برای تعلیق طوقه ها استفاده شده بود، در سال 1950 مورد آزمایش پروازی قرار گرفت.

امروزه نیز سامانه ی هدایت اینرسی، به عنوان یکی از مهم ترین روش ها، برای هدایت و کنترل در هوانوردی و کیهان نوردی و نیز در هدایت موشک ها و کشتی ها و زیردریایی ها، به طور بسیار وسیع به کار می رود و به طبع آن انواع گوناگونی از ژیروسکوپ ها و شتاب سنج ها اختراع و ابداع شده اند.

انواع حرکت های یک متحرک در فضا

هر متحرک در فضا 6 درجه ی آزادی دارد که 3 تای آن حرکت خطی و 3 تای آن حرکت دورانی است. برای مشخص نمودن حرکت دورانی متحرک در فضا، از سه محور عمود بر هم استفاده می شود که عبارتند از: محور رول (Roll) یا محور طولی، محور پیچ (Pitch) یا محور عرضی و محور یاو (Yaw) یا محور چرخشی.

انواع ژیروسکوپ

به دلیل دقت و حساسیت کار، معمولاً از ژیروسکوپ با 3 درجه آزادی استفاده نمی شود و به جای آن، از 3 ژیروسکوپ با یک درجه آزادی یا 2 ژیروسکوپ با 2 درجه آزادی، استفاده می گردد.

1.ژیروسکوپ با یک درجه آزادی

در این ژیروسکوپ، روتور به جز حرکت حول محور چرخش خود، تنها حول یک محور دیگر می تواند چرخش کند؛ یعنی در امتداد یک محور (که طوقه داخلی باشد) این حرکت امکان پذیر است. این ژیروسکوپ، تنها چرخش در یک محور را حس می کند. ژیروسکوپ سرعتی از این نوع است و در آن عامل برگشت طوقه ی مجموعه ی دوار به وضعیت اولیه، یک عنصر الاستیک مانند فنر است؛ اما در ژیروسکوپ انتگرالی، عامل برگشت طوقه ی مجموعه ی دوار به وضعیت اولیه، خاصیت ارتجاعی (دمپینگ) سیالی با لزجت (گرانوی) بالا است.

2.ژیروسکوپ با دو درجه آزادی

این ژیروسکوپ علاوه بر بر محور چرخش روتور، دارای دو محور دوران دیگر نیز می باشد که توسط دو طوقه ی معلق درونی و بیرونی فراهم شده است و در حالت عادی، محور چرخش و این دو محور بر هم عمودند. تکیه گاه طوقه ی داخلی در طوقه ی خارجی قرار دارد و طوقه خارجی نیز تکیه گاهی در بدنه ی ژیروسکوپ دارد و می تواند داخل آن حرکت دورانی انجام دهد.

3.ژیروسکوپ از نظر اتصال

دو گونه وجود دارد یک ژیروسکوپ متصل به بدنه که در آن ژیروسکوپ به بدنه متصل است و با بدنه حرکت می کند. در گونه ی ژیروسکوپ با پایه ی ثابت، ژیروسکوپ به بدنه متصل نمی گردد و بر روی یک صفحه (که حرکت بدنه را معکوس شبیه سازی می کند) نصب می گردد و بدین ترتیب همیشه موقعیت ثابت دارد. این نوع بسیار گران قیمت و دقیق است.

انواع محرک های روتور ژیروسکوپ

در ژیروسکوپ ها معمولاً از موتور الکتریکی استفاده می شود؛ چرا که نیاز به سرعت بسیار بالا در ابعاد کوچک است. معمولاً در این موتور برای ایجاد اندازه حرکت بیش تر، روتور خارج استاتور قرار می گیرد. گاهی محرک نخی یا تسمه ای به کار می رود. در موشک ها و مواردی که در مدت زمان کوتاهی نیاز است استفاده شود، با کشیدن نخ یا تسمه، روتور شروع به چرخش می نماید. این محرک در موشک های برد کوتاه کاربرد دارد. از محرک نخی در موشک کبری و از محرک تسمه ای در موشک مالیوتکا استفاده شده است. گاهی با دمیدن گاز به پره های روتور، روتور با سرعت زیادی به چرخش در می آید که این سامانه در موشک تاو استفاده شده است (گاز تحت فشار). فنر نیز می تواند عامل حرکت روتور باشد. در بعضی موارد برای رسیدن به سرعت بسیار بالا در زمان کم از ترکیب فنر و موتور الکتریکی استفاده می گردد. گاهی برای به حرکت درآوردن روتور، در درون آن چاشنی های انفجاری به کار می برند.

منبع : ماهنامه «صنایع هوافضا»، شماره 34

یک موشک باید خیلی دقیق کنترل شود تا بتواند یک ماهواره را به مدار دلخواه هدایت کند. سامانه ی هدایت اینرسی یا آی جی اس (IGS=Inertial Guidance System) در داخل موشک این مهم را، انجام می دهد. این سامانه، موقعیت و جهت دقیق موشک را با اندازه گیری دقیق شتاب هایی که به موشک وارد می شود، محاسبه می کند. اندازه گیری با استفاده از شتاب سنج ها و ژیروسکوپ ها انجام می شود. در صورت نصب کردن ژیروسکوپ ها روی یک سیستم تعلیق گیم بال، محور آن ها همواره جهت یکسانی را نشان خواهد داد. این بستر ثابت ژیروسکوپی دارای شتاب سنج هایی است که تغییرات شتاب در هر سه محور را، اندازه می گیرد. اگر این «بستر ثابت» دقیقاً بداند که موشک در هنگام پرتاب در کجا قرار داشته است و شتاب هایی که طی پرواز به آن وارد می شود، چه قدر است، سامانه ی هدایت اینرسی (IGS) می تواند موقعیت و جهت موشک را در فضا محاسبه کند.

منبع: ماهنامه «صنایع هوافضا»