کپسول فضایی اوریون؛ سفینه‌ای برای سفر به ماه و مریخ

کپسول فضایی اوریون Orion Multi-Purpose Crew Vehicle – MPCV یکی از پیشرفته‌ترین فضاپیماهای سرنشین‌دار ناسا است که برای مأموریت‌های فضایی عمیق، از جمله سفر به ماه و مریخ، طراحی شده است. این فضاپیما، که توسط لاکهید مارتین و با همکاری آژانس فضایی اروپا (ESA) ساخته شده، از فناوری‌های مدرن بهره می‌برد و جایگزینی برای شاتل‌های فضایی و کپسول‌های آپولو محسوب می‌شود. اوریون با توانایی حمل چهار فضانورد برای 21 روز بدون نیاز به اتصال به ماژول دیگر، نقش کلیدی در برنامه آرتمیس ناسا برای بازگشت به ماه و اکتشافات آینده دارد.

جزئیات و مشخصات فنی

کپسول اوریون از دو بخش اصلی تشکیل شده است: ماژول خدمه (Crew Module – CM) و ماژول سرویس اروپایی (European Service Module – ESM). ماژول خدمه، که توسط لاکهید مارتین ساخته شده، مخروطی با زاویه 57.5 درجه، قطر 5.02 متر و طول 3.3 متر است و جرم آن حدود 8.5 تن است. این ماژول فضای قابل سکونت 8.95 متر مکعب را برای چهار فضانورد فراهم می‌کند. ماژول سرویس، ساخته‌شده توسط ایرباس دیفنس اند اسپیس، 4.5 متر عرض و 3 متر طول دارد و مجهز به 33 موتور (شامل موتور اصلی 6000 پوندی و 24 موتور واکنش کنترلی 220 نیوتنی) است.

اوریون از پنل‌های خورشیدی برای تأمین انرژی استفاده می‌کند، برخلاف سلول‌های سوختی آپولو، که امکان مأموریت‌های طولانی‌تر را فراهم می‌کند. سپر حرارتی آن، با قطر 16.5 متر و ساخته‌شده از ماده Avcoat، بزرگ‌ترین سپر حرارتی جهان برای مأموریت‌های انسانی است و می‌تواند دمای 5000 درجه فارنهایت (2760 درجه سانتی‌گراد) را تحمل کند. اوریون مجهز به سیستم‌های کنترل محیطی و پشتیبانی حیات (ECLSS)، کابین خلبان دیجیتال مشابه بوئینگ 787 و سیستم اتصال خودکار (autodock) است.

داستان ساخت و توسعه کپسول اوریون

توسعه کپسول فضایی اوریون در اوایل دهه 2000 با پروژه وسیله اکتشافی خدمه (Crew Exploration Vehicle – CEV) در برنامه کانستلیشن (Constellation) آغاز شد. در سال 2006، ناسا لاکهید مارتین را برای ساخت این فضاپیما انتخاب کرد. پس از لغو برنامه کانستلیشن در سال 2010 توسط دولت اوباما، اوریون به‌عنوان بخشی از برنامه آرتمیس بازطراحی شد. در سال 2011، ناسا اوریون را به‌عنوان وسیله چندمنظوره خدمه (MPCV) معرفی کرد. آزمایش اولیه پرواز (Exploration Flight Test-1 – EFT-1) در دسامبر 2014 با پرتاب روی موشک دلتا IV Heavy انجام شد و اوریون به مدار بیضوی رسید. همکاری با ESA در سال 2012 برای توسعه ماژول سرویس آغاز شد، که از فناوری‌های وسیله انتقال خودکار (ATV) بهره می‌برد. تا سال 2022، سه کپسول اوریون آماده پرواز بودند و اولین پرواز بدون سرنشین (آرتمیس I) در 16 نوامبر 2022 انجام شد. هزینه توسعه اوریون از سال 2006 تا کنون بیش از 18 میلیارد دلار بوده است.

نحوه ارتباط Orion با زمین در مسیر سفر

Orion برای ارتباط با زمین از سیستم‌های پیشرفته مخابراتی و ناوبری طراحی‌شده برای فضا استفاده می‌کند. این فضاپیما مجهز به آنتن‌های فرکانس بالا و پایین است که از طریق شبکه فضایی عمیق ناسا (Deep Space Network – DSN) با ایستگاه‌های زمینی در کالیفرنیا، استرالیا و اسپانیا ارتباط برقرار می‌کند. ماژول خدمه و سرویس دارای سیستم‌های ارتباطی دوطرفه برای انتقال داده‌های صوتی، تصویری و تله‌متری است. اوریون از فناوری لیزر برای ارتباطات نوری با پهنای باند بالا آزمایش می‌کند، که امکان انتقال داده‌های حجیم‌تر را فراهم می‌کند. سیستم ناوبری آن شامل واحدهای اندازه‌گیری اینرسی (IMU)، حسگرهای ستاره‌ای و GPS برای مدارهای نزدیک زمین است. در فضا، اوریون از ناوبری نوری (Optical Navigation) استفاده می‌کند که با تصویربرداری از ماه و ستارگان، موقعیت را تعیین می‌کند. این سیستم‌ها برای مأموریت‌هایی تا فاصله 268,563 مایلی (فاصله آرتمیس I) طراحی شده‌اند.

مأموریت‌های برنامه‌ریزی‌شده برای Orion

اوریون برای مأموریت‌های برنامه آرتمیس طراحی شده است. آرتمیس I (نوامبر 2022) یک پرواز بدون سرنشین بود که اوریون را به مدار رتروگراد دوردست (DRO) در فاصله 40,000 مایلی فراتر از ماه برد و پس از 25 روز با موفقیت در اقیانوس آرام فرود آمد. آرتمیس II، برنامه‌ریزی‌شده برای آوریل 2026، اولین مأموریت سرنشین‌دار خواهد بود که چهار فضانورد را در سفری 10 روزه به دور ماه می‌فرستد تا سیستم‌های اوریون با حضور انسان آزمایش شود. آرتمیس III، برنامه‌ریزی‌شده برای اواخر 2026، اولین فرود انسان روی ماه پس از آپولو را با استفاده از اوریون و لندر استارشیپ اسپیس‌اکس در قطب جنوب ماه انجام خواهد داد. مأموریت‌های آینده شامل استقرار در ایستگاه فضایی لونار گیت‌وی (Lunar Gateway) و احتمالاً سفر به مریخ در دهه 2030 است. کپسول فضایی اوریون همچنین برای مأموریت‌های اضطراری به ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) آماده است.

سیستم فرود و بازیابی کپسول اوریون

اوریون برای فرود از سیستم چتر نجات قابل‌استفاده‌مجدد استفاده می‌کند که بر اساس چترهای آپولو و شاتل طراحی شده و از پارچه نومکس ساخته شده است. این سیستم شامل 11 چتر (دو چتر دراگ، سه چتر اصلی و شش چتر کمکی) است که سرعت کپسول را از 324 مایل در ساعت به 17 مایل در ساعت کاهش می‌دهد. فرود آبی در اقیانوس آرام تنها روش بازیابی اوریون است. سپر حرارتی Avcoat با جذب گرمای ورودی تا 5000 درجه فارنهایت، کپسول را در برابر دمای ورود مجدد محافظت می‌کند. پس از فرود، سیستم شناوری خودتراز با پنج کیسه هوای پرشده از هلیوم، کپسول را در حالت عمودی نگه می‌دارد تا خدمه بتوانند از دریچه خارج شوند. نیروی دریایی ایالات متحده با کشتی‌هایی مانند USS Portland مسئولیت بازیابی را بر عهده دارد، همان‌طور که در آرتمیس I در دسامبر 2022 انجام شد.

اوریون و چالش‌های پرواز فضایی طولانی

پروازهای فضایی طولانی چالش‌هایی مانند تشعشعات کیهانی، مدیریت منابع و سلامت خدمه را به همراه دارند. اوریون با ساختار آلومینیوم-لیتیوم و پوشش‌های فلزی، حفاظت در برابر تشعشعات کیهانی و خورشیدی را فراهم می‌کند. سیستم پشتیبانی حیات (ECLSS) دما، فشار، رطوبت، اکسیژن و دی‌اکسید کربن را برای 21 روز تنظیم می‌کند. برای مأموریت‌های طولانی‌تر (تا 1000 روز به مریخ)، کپسول فضایی اوریون به ماژول‌های اضافی مانند لونار گیت‌وی یا زیستگاه‌های فضایی نیاز دارد. دستگاه ورزش پروازی (مشابه دستگاه قایقرانی) برای جلوگیری از کاهش توده استخوانی در گرانش صفر طراحی شده است. مدیریت ضایعات با توالت کمپینگ‌مانند و لوله‌های امدادی یونیسکس انجام می‌شود. چالش‌های روانی، مانند انزوای طولانی، با طراحی ارگونومیک کابین و ارتباطات منظم با زمین کاهش می‌یابد.

سیستم‌های نجات اضطراری در کپسول اوریون

سیستم نجات اضطراری اوریون، معروف به سیستم نجات پرتاب (Launch Abort System – LAS)، برای ایمنی خدمه در هنگام پرتاب یا صعود طراحی شده است. این سیستم برج‌مانند، که بالای ماژول خدمه قرار دارد، شامل سه موتور است: موتور نجات (abort motor) با 400,000 پوند رانش برای جدا کردن کپسول از موشک در مواقع اضطراری، موتور جداسازی (jettison motor) با 40,000 پوند رانش برای جداکردن LAS پس از پرتاب موفق، و موتور کنترل نگرش برای هدایت کپسول به محل امن. LAS می‌تواند در کسری از ثانیه فعال شود و کپسول را با شتاب 15g از موشک جدا کند. آزمایش‌های موفقیت‌آمیز مانند Pad Abort-1 (2010) و Ascent Abort-2 (2019) عملکرد آن را تأیید کردند. پس از جداسازی LAS، موتورهای واکنش کنترلی ماژول خدمه برای هدایت و فرود ایمن استفاده می‌شوند.

کپسول Orion چه تفاوتی با استارشیپ اسپیس‌اکس دارد؟

کپسول فضایی Orion و استارشیپ اسپیس‌اکس دو رویکرد متفاوت برای اکتشاف فضایی هستند. اوریون یک کپسول مخروطی با ظرفیت چهار فضانورد است که برای مأموریت‌های کوتاه‌مدت (تا 21 روز) به ماه و بازگشت طراحی شده و وابسته به موشک SLS ناسا است. استارشیپ یک فضاپیمای کاملاً قابل‌استفاده‌مجدد با ظرفیت تا 100 نفر و حجم بار 1000 متر مکعب است که برای مأموریت‌های طولانی به ماه، مریخ و حتی فراتر طراحی شده و از موشک سوپرهوی اسپیس‌اکس استفاده می‌کند. اوریون از سپر حرارتی Avcoat و فرود آبی بهره می‌برد، در حالی که استارشیپ از کاشی‌های سرامیکی مقاوم به حرارت و فرود عمودی روی خشکی استفاده می‌کند. اوریون برای مأموریت‌های خاص ناسا بهینه شده، اما استارشیپ برای کلونی‌سازی و حمل بارهای سنگین مناسب است. اوریون در آرتمیس III با استارشیپ به‌عنوان لندر همکاری خواهد کرد.

طراحی آیرودینامیک Orion

طراحی آیرودینامیک کپسول فضایی اوریون از کپسول آپولو الهام گرفته شده، اما با بهبودهای مدرن. شکل مخروطی با زاویه 57.5 درجه و انتهای کروی صاف، پایداری آیرودینامیکی را در ورود مجدد به جو تضمین می‌کند. این طراحی مقاومت در برابر گرما را بهینه کرده و نیروی لیفت را برای هدایت کپسول به محل فرود دقیق افزایش می‌دهد. بدنه از آلیاژ آلومینیوم-لیتیوم با ساختار لانه‌زنبوری ساخته شده که استحکام بالا و وزن کم را فراهم می‌کند. سپر حرارتی 16.5 متری، که با فرآیند جوشکاری اصطکاکی هم‌زده (Friction Stir Welding) به بدنه متصل شده، مقاومت در برابر دمای بالا را تضمین می‌کند. چهار پنجره در بالای کابین امکان دید مستقیم و ناوبری نوری را فراهم می‌کنند. طراحی LAS نیز آیرودینامیک است تا در شرایط اضطراری مقاومت هوا را کاهش دهد.

نحوه فرود ایمن بر زمین

فرود ایمن اوریون شامل چند مرحله است. پس از جداسازی ماژول سرویس، ماژول خدمه با 12 موتور واکنش کنترلی (هر یک با 160 پوند رانش) جهت‌گیری خود را تنظیم می‌کند تا سپر حرارتی رو به پایین باشد. سپر حرارتی Avcoat گرمای ورود مجدد را جذب کرده و سرعت کپسول را از 24,600 مایل در ساعت به 324 مایل در ساعت کاهش می‌دهد. سیستم چتر نجات در ارتفاع مشخص فعال می‌شود: ابتدا دو چتر دراگ باز شده، سپس سه چتر اصلی سرعت را به 17 مایل در ساعت می‌رسانند. کیسه‌های هوای شناوری پس از فرود در اقیانوس آرام، کپسول را عمودی نگه می‌دارند. تیم بازیابی نیروی دریایی ایالات متحده کپسول را به کشتی منتقل می‌کند. آزمایش‌های چتر در سال 2018 و آزمایش‌های سقوط در سال 2021 عملکرد این سیستم را تأیید کردند.

توانایی‌های اوریون برای سفر در اعماق فضا

کپسول فضایی اوریون برای سفرهای فضایی عمیق با ویژگی‌های منحصربه‌فرد طراحی شده است. این فضاپیما می‌تواند تا 21 روز به‌صورت مستقل و تا شش ماه در حالت متصل (مانند اتصال به لونار گیت‌وی) فعالیت کند. سیستم پشتیبانی حیات پیشرفته، شامل مخازن نیتروژن و اکسیژن، محیطی مشابه سطح دریا (101.3 کیلوپاسکال) یا فشار کاهش‌یافته (55.2 تا 70.3 کیلوپاسکال) را فراهم می‌کند. حفاظت در برابر تشعشعات با ساختار آلومینیوم-لیتیوم و پوشش‌های فلزی، خدمه را از پرتوهای کیهانی محافظت می‌کند. ماژول سرویس با 33 موتور، مانورهای پیچیده مانند ورود به مدار رتروگراد دوردست و بازگشت به زمین را امکان‌پذیر می‌کند. اوریون برای مأموریت‌های 1000 روزه به مریخ، با افزودن زیستگاه‌های اضافی، آماده است و کامپیوترهای آن 20,000 برابر سریع‌تر از آپولو هستند.

ساخت اوریون و پرتاب آن با موشک SLS اثرات زیست‌محیطی دارد، از جمله مصرف سوخت‌های فسیلی و تولید زباله‌های فضایی. ماژول خدمه قابل‌استفاده‌مجدد است، اما ماژول سرویس در هر مأموریت دور انداخته می‌شود، که به زباله‌های مداری می‌افزاید. ناسا با استفاده از پنل‌های خورشیدی و فناوری‌های کم‌مصرف، پایداری را بهبود بخشیده است. با این حال، هزینه بالای توسعه (بیش از 18 میلیارد دلار) و تأثیرات زیست‌محیطی پرتاب‌های مکرر، چالش‌هایی برای پایداری بلندمدت هستند. همکاری با ESA و استفاده از فناوری‌های ATV به کاهش هزینه‌ها و اثرات زیست‌محیطی کمک کرده است.

سیستم‌های اوریون

اوریون از نوآوری‌های متعددی بهره می‌برد: کامپیوترهای چهارگانه با سرعت 25 برابر سریع‌تر از ISS، سیستم جوشکاری اصطکاکی هم‌زده برای ساخت بدنه سبک و مقاوم، و پنل‌های خورشیدی تاشو مشابه مریخ‌نورد فینیکس برای حذف سلول‌های سوختی. سیستم ناوبری نوری و ارتباطات لیزری، دقت و کارایی را افزایش داده‌اند. کابین خلبان دیجیتال با سه نمایشگر و 67 کلید فیزیکی، در مقایسه با 1200 کلید شاتل، کنترل را ساده‌تر کرده است. لباس فضایی OCSS، که برای هر فضانورد سفارشی‌سازی شده، راحتی و ایمنی را بهبود بخشیده است. این نوآوری‌ها اوریون را به تنها فضاپیمای سرنشین‌دار برای سفرهای فضایی عمیق حتی از پایگاه فضایی کندی تبدیل کرده‌اند.

آینده اوریون با برنامه آرتمیس و مأموریت‌های فراتر از ماه گره خورده است. پس از آرتمیس III، اوریون در مأموریت‌های لونار گیت‌وی نقش کلیدی خواهد داشت و به‌عنوان وسیله انتقال خدمه به ایستگاه مداری ماه عمل می‌کند. ناسا برنامه‌ریزی برای مأموریت‌های مریخ در دهه 2030 را آغاز کرده، که نیازمند ترکیب اوریون با زیستگاه‌های فضایی و سیستم‌های پیش‌رانش پیشرفته است. همکاری با شرکای تجاری مانند اسپیس‌اکس و بلو اوریجین، قابلیت‌های اوریون را گسترش خواهد داد. با این حال، رقابت با استارشیپ و محدودیت‌های بودجه ممکن است توسعه را به چالش بکشد. اوریون همچنان ستون فقرات اکتشافات انسانی ناسا خواهد بود.

منبع: ابرار صنعتی