داستان یک پرواز؛ ساترن 5 چگونه انسان را به ماه رساند؟ [قسمت دوم – آخر]

ساترن 5 را می توان یکی از شاخص ترین وسیله های ساخت دست بشر در قرن بیستم دانست که تا همیشه در ذهن علاقه مندان به فضا باقی خواهد ماند. تا به اینجا خواندید که داستان تولد این راکت غول پیکر از کجا آغاز شد و چگونه سردرگمی های اولیه پس از تلاش های بسیار، کنار زده شد. حالا می توانید ادامه ماجرای ساترن 5 و سفر انسان به ماه را مطالعه کنید.

معرفی ساترن 5

در سال 1963 طراحی اصلی ساترن 5 و برادرانش مشخص شد و پروژه به مرحله ساخت و تست قدم گذاشت. اگرچه فلسفه طراحی این راکت عمدتاً بر مبنای فناوری های اثبات شده آن زمان بود، ولی ابعاد عظیم ساترن 5 به نوآوری های متعدد و اساسی هم نیاز داشت.

ابعاد بزرگ ساترن 5 مشکلات جدیدی را به همراه داشت

به عنوان مثال، جوشکاری یکی از مشکلات اساسی بود. اتصال فلزات به شکل یکنواخت به گونه ای که تحمل تنش و تغییرات دمایی قابل توجه را داشته باشند، همواره یکی از چالش های مهندسی هوافضا به شمار می رود ولی ساترن 5 این مشکل را به سطح تازه ای رساند. بررسی دقت جوشکاری در مقیاس چند سانتیمتر کار سختی نیست ولی وقتی با ده ها متر سر و کار داشته باشیم، همه چیز سخت می شود.

موتورها هم به اندازه کافی مشکل ساز بودند. موتور F-1 بزرگ ترین موتور راکت ساخت بشر بود و J-2 هم یکی از پیشرفته ترین نمونه ها به شمار می رفت. ساختن و تست این موتورها مشکلات جدیدی را به وجود آورد. مثلاً ناپایداری احتراق بارها رخ می داد. در واقع سوخت و اکسیژن به شکل یکنواخت با هم ترکیب نمی شدند و موتور به شکل وحشتناکی ریپ می زد.

مواجهه با این مسائل همیشه راحت نبود؛ گاهی اوقات باید قطعاتی مانند انژکتور سوخت را دوباره طراحی می کردند و گاهی اوقات برای بررسی علت مشکل، باید نارنجک های کوچکی را داخل موتور می انداختند تا ریپ زدن را شبیه سازی کنند. اوضاع به قدری پیچیده بود که نیاز به پژوهش های تئوری سطح بالا احساس شد و فون براون به دانشگاه ها پیشنهاد داد که دانشجویان دکترا را به این حوزه وارد کنند.

حتی یک لکه چربی روی بدنه ساترن 5 می توانست مشکل بزرگی ایجاد کند

البته این راکت غول پیکر خیلی هم نازک نارنجی بود. ساترن 5 با ارتفاع یک ساختمان 35 طبقه باید به طور کامل تمیز نگه داشته می شد، چون حضور هرگونه جسم خارجی در عملیات جوشکاری یا انتقال سوخت می توانست به مشکل جبران ناپذیری ختم شود. حتی لکه چربی ناشی از اثر انگشت در تماس با اکسیژن مایع، انفجاری کشنده را در پی خواهد داشت.

با وجود این مشکلات، ساخت ساترن 5 با سرعت قابل توجهی پیش می رفت، مخصوصاً اینکه بر اساس نتایج تست های S-I و S-IB دائماً تغییراتی هم در آن اعمال می شد. در بازه زمانی کوتاه، این راکت غول پیکر در سه خط تولید اصلی در ایالات متحده سر و شکل گرفت.

دلیل تصمیم ناسا برای تقسیم فرایند ساخت ساترن 5 کاملاً واضح است. آژانس فضایی آمریکا به سرعت دریافت که به تنهایی از پس اجرای این پروژه بر نمی آید. فون براون و تیمش در مرکز مارشال به توسعه اولیه و ساخت نمونه مشغول شدند، اما ساخت راکت نهایی به پیمانکاران خصوصی محول شد. گاهی اوقات نتیجه خوب بود، مثل ساخت S-IC توسط بوئینگ، و گاهی اوقات هم نه، مثل ساخت S-II توسط NAA که اصلاً قابل استفاده نبود.

مرحله اول راکت یعنی S-IC توسط بوئینگ ساخته شد؛ استوانه ای به قطر 10 متر و ارتفاع 42 متر که 130 تن وزن داشت، ولی وقتی با سوخت RP-1 و اکسیژن مایع ترکیب می شد، وزنش به 2290 تن می رسید. این سوخت، خوراک پنج موتور F-1 را تأمین می کرد تا 35100 کیلونیوتن رانش فقط به مدت 168 ثانیه ایجاد شود. این نیروی رانش عظیم، راکت را از زمین بلند کرده و آن را به سرعتی بالاتر از سرعت صوت می رساند.

جالب است که با وجود ابعاد عظیم و غرش کر کننده احتراق این بخش، لرزش و سر و صدای بسیار کمی به کپسول خدمه -جایی که فضانوردان در آن حضور داشتند- منتقل می شد. پیش از این فضانوردان مأموریت مرکوری، جمنای و آپولو همین موضوع را تجربه کردند. آنها می گفتند فقط با نگاه کردن به ابزارهای سنجش متوجه بلند شدن از سطح زمین می شدند.

همان طور که گفتیم مرحله دوم یعنی S-II توسط NAA ساخته شد؛ این قسمت با ارتفاع 24.8 متر حدود 40 تن وزن داشت و به همراه سوخت، وزن آن به 496 تن می رسید. پنج موتور J-2 در این بخش که توسط شرکت راکت داین ساخته شده بود، به مدت 360 ثانیه کار می کردند. این بخش یکی از دشوارترین مراحل ساخت ساترن 5 را داشت. از طرفی مشکلات عجیب مثل ساختار دولایه محفظه سوخت، پای سازندگان تخته موج سواری را به ماجرا باز کرد و از طرف دیگر هم فرایندهای مدیریت پروژه و کنترل کیفی هیچگاه با استانداردهای ناسا مطابقت نداشت.

مرحله سوم راکت ساترن 5 یعنی S-IVB هم توسط شرکت هواپیما سازی داگلاس ساخته شد. این مرحله با قطر 6.6 و ارتفاع 18.8 متر بسیار سبک تر از دو بخش قبلی بود و با سوخت کامل، تنها 123 تن وزن داشت. در این بخش فقط شاهد یک موتور J-2 پیشرفته بودیم که برای اولین بار قرار بود دو مرتبه احتراق داشته باشد؛ اولین بار به مدت 165 ثانیه برای قرار دادن مرحله سوم در مدار، و دومین بار به مدت 335 ثانیه برای ارسال فضاپیمای آپولو و محموله همراه به سمت ماه.

واحد تجهیزات کامپیوتری ساترن 5 توسط شرکت IBM ساخته شد

یکی دیگر از بخش های منحصر به فرد S-IVB واحد تجهیزات یا Instrument Unit نام داشت که درون حلقه ای زیر محل استقرار ماژول ماه نشین آپولو قرار گرفته بود. این قطعه، در واقع کامپیوتری بود که توسط شرکت IBM در شهر هانتسویل ایالت آلاباما ساخته شده و کل راکت را از مرحله پرتاب تا جدا شدن S-IVB کنترل می کرد. حلقه مورد بحث، بنیان ساختاری فضاپیمای آپولو را تشکیل می داد و ابزارهای محیطی، سیستم ناوبری، ژیروسکوپ، سیستم خنک سازی الکترونیکی و سیستم های ردیابی را در خود جای داده بود. ساترن 5 با استفاده از این سیستم، اطلاعات مربوط به شتاب و ارتفاع خود را با برنامه پرواز اولیه تطبیق داده و در صورت نیاز، به اصلاح آن اقدام می کرد. اصلاح مسیر هم با استفاده از موتورهایی ویژه با قابلیت گردش در جهت های مختلف صورت می گرفت.

بالاترین قسمت ساترن 5 یعنی روی ماژول فرماندهی و خدمات آپولو، سیستم خروج اضطراری به نام Launch Escape Tower قرار گرفته بود. این بخش یک موتور راکت با سوخت جامد داشت که در صورت بروز شرایط اضطراری، ماژول فرماندهی را از راکت جدا کرده و آن را به فاصله امنی می رساند تا نهایتاً با استفاده از چتر روی زمین فرود آید.

ماژول خروج اضطراری با هماهنگی سیستم پخش سوخت یا PDS کار می کرد که برای حفاظت از مرکز فضایی کندی و تجهیزات اطرافش در برابر انفجار احتمالی ساترن 5 روی سکوی پرتاب طراحی شده بود. حجم بالای سوخت و اکسیژن مایع روی این راکت غول پیکر می توانست انفجاری به قدرت دو کیلو تن TNT را به وجود آورد، یعنی انفجاری در حد بمب های اتم.

از آنجا که انفجار ساترن 5 یکی از بزرگ ترین انفجارهای غیر هسته ای بشر در تاریخ را رقم می زد، درون سه مرحله راکت مواد منفجره کار گذاشته بودند و افسر امنیت پرواز می توانست با سیگنال رادیویی آنها را منفجر کند. در صورت بروز اتفاق ناخواسته، سیستم ایمنی موتورها را به مدت 30 ثانیه روشن می کرد تا راکت به اندازه کافی ارتفاع بگیرد. سیگنال اول موتورها را خاموش می کند، سیگنال دوم مخزن های سوخت را به گونه ای باز می کند که سوخت و اکسیژن مایع از هم جدا شوند و اشتعال صورت نگیرد. اگر اتفاق خاصی نیفتد، سیگنال سوم مواد منفجره روی S-IVB سوم را پس از رسیدن به مدار مورد نظر غیر فعال می کند.

کابوس لجستیک

ساترن 5 خودش به تنهایی اعجاب آور و استثنایی بود، ولی پشت ماجرا کابوسی از فرایندهای لجستیکی و تدارکات به چشم می خورد. این راکت به تنهایی معنایی نداشت، بلکه کنار آن باید آمیزه ای از زیرساخت های عظیم و تأسیسات گسترده در آلاباما، لوئیزیانا، میسی سیپی، کانزاس، واشنگتن، کالیفرنیا، فلوریدا و غیره را هم در نظر بگیریم.

اگرچه ساترن 5 در هانتسویل آلاباما توسعه یافته بود اما پس از طی مراحل ساخت اولیه ابعادی بزرگ تر از این تأسیسات پیدا کرد. ناسا به سایت های زیادی نیاز داشت ولی انتخاب مکان آنها کار ساده ای نبود. تأسیسات باید از مناطق پرجمعیت دور و به مسیرهای ارتباطی اصلی نزدیک باشند. همچنین چون حمل و نقل آبی در اولویت قرار داشت، باید مکان هایی را انتخاب می کردند که یخبندان در آنها ایجاد نشود.

یکی از این مناطق، مرکز مونتاژ میشو (MAF) در نیواورلانز بود؛ یک کارخانه تولید شکر که در زمان جنگ جهانی دوم و جنگ کره برای تولید تجهیزات جنگی به کار می رفت. برای استفاده از این مرکز باید ساختمان ها و تأسیسات جدیدی ساخته می شد، به ویژه سازه های تست راکت که بلندترین ساختمان آن زمان در ایالات متحده بودند، ضمن اینکه صدها خانواده از شهر مجاور هم باید با پرداخت خسارت هنگفت به مناطق جدیدی منتقل می شدند.

از جمله گزینه های مناسب دیگر می توان مرکز تست میسی سیپی (MTF) در سنت لوئیس، مرکز کامپیوتر اسلایدل در لوئیزیانا، مرکز تست موتور راکت ناسا در پایگاه نیروی هوایی ادواردز، و مراکز تولید در سیل بیچ کالیفرنیا را نام برد. علاوه بر این ها باید به جاده ها، خطوط ریلی، شناورها، کشتی ها، هواپیماهای ویژه، اسکله ها و تمامی تجهیزات حمل و نقل اشاره کرد.

مرکز کنترل عملیات در هیوستن تگزاس و مرکز پرتاب را هم به این مجموعه اضافه کنید. پس از ترور کندی در سال 1963، کیپ کاناورال از یک سایت موشکی به پایگاه فضایی پیشرفته ای به نام مرکز فضایی کندی تغییر ماهیت داد. طی این فرایند بخش های جدیدی مانند سایت کنترل پرتاب، مراکز سوختگیری، سکوی پرتاب غول پیکر، و بزرگ ترین ساختمان دنیا یعنی ساختمان مونتاژ وسیله (VAB) به این مرکز اضافه شد. این ساختمان به قدری بزرگ بود که اگر سیستم تهویه از کار می افتاد، احتمال تشکیل ابر و بارش باران درون آن وجود داشت.

ناسا باید به جنگ طبیعت هم می رفت. کیپ کاناورال به قدری پشه داشت که فقط باید با لباس، دستکش و ماسک ویژه از میان آنها عبور می کردند و شکار تعداد زیادی از آنها با یک تور ساده به راحتی ممکن بود. برای رفع این مشکل، مهندسین ناسا چندین آب بند ساخته و گذرگاه های آبی را تا حدی پر کردند که بتوان ماهی کپور را در آنها پرورش داد. ماهی ها با خوردن لارو پشه ها، از رشد جمعیت آنها جلوگیری کردند.

از طرف دیگر، مرکز فضایی پر از کبوترهایی بود که در ساختمان های بلند لانه کرده و فضولاتشان را روی تجهیزات حساس می ریختند. 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 می کرد و همین موضوع کافی بود تا پس از مدتی، پرندگان به منطقه دیگری کوچ کنند.

تست راکت

یکی از عوامل اصلی موفقیت راکت ساترن 5، تست های متعدد و بی وقفه توسط ناسا بود. معمولاً هواپیماها هزاران ساعت تست پرواز را پشت سر می گذارند تا برای تولید نهایی چراغ سبز بگیرند، ولی اجرای این فرایند برای بزرگ ترین راکت جهان ممکن نبود. در نتیجه آژانس فضایی راکت های S-1 و S-1B را برای تست های اولیه ساخت و تمامی قطعات، موتورها، سیستم ها و زیرسیستم های آنها را روی زمین تست کرد. برنامه کنترل کیفی ناسا و نظارت شدید روی سازندگان قطعات مختلف باعث شد تا ساترن 5 از نظر ایمنی سرآمد باشد. در واقع تست های ایمنی، نیمی از کل برنامه ناسا برای سفر به ماه را تشکیل می داد.

این فرایند به قدری مؤثر بود که ناسا مراحل مختلف ساترن 5 را به شکل مجزا تست نکرد، بلکه کل راکت را طی پرواز آزمایشی آپولو 4 به فضا فرستاد. تست ها کاملاً موفق بودند و فقط در پرواز آزمایشی آپولو 6 مشکلی در حین پرواز به وجود آمد. در مأموریت آپولو 6 یکی از موتورهای J-2 مرحله دوم راکت به خاطر ناپایداری در عملکرد، به قدری لرزید که کل راکت را تحت تأثیر قرار داد. مهندسین ناسا این موتور را خاموش کردند اما موتور دوم هم به همین مشکل مواجه شد و مرحله سوم راکت در مدار اشتباهی قرار گرفت.

بروز این مشکل دلیل ساده ای داشت. لرزش به خاطر اشتباه در طراحی سیستم احتراق به وجود آمده که در تست های زمینی قابل شناسایی نبود، چون سیستم احتراق در زمین در مجاورت سوخت های برودتی (مثل اکسیژن مایع) یخ می زد و در جای خود محکم می شد. اما از آنجایی که در فضا خبری از هوا و بخار آب و یخ زدن نیست، سیستم احتراق هم جابجا شده و لرزش های بیش از حد را به وجود می آورد.

مشکل موتور دوم هم به خاطر اشتباه در سیم کشی رخ داد و سیگنال کامپیوتری به موتور دیگری فرستاده شد. این مسئله هم با تغییر شیوه سیم کشی و استفاده از سیم های مجزا برای هر موتور، مرتفع شد.

مونتاژ

حتی مونتاژ ساترن 5 هم به عملیات فنی و مهندسی گسترده ای نیاز داشت. روش معمول برای سرهم کردن راکت در آن زمان، این بود که قطعات مختلف را به سکوی پرتاب برده و قبل از سوختگیری، آنها را یکی یکی روی هم سوار می کردند. این روش برای غولی مثل ساترن 5 ممکن نبود، بویژه در فلوریدا و در زمانی که تعداد زیادی پرتاب برنامه ریزی شده بود. بنابراین ناسا به روش تازه ای نیاز داشت.

ناسا روش جدیدی را برای مونتاژ ساترن 5 در محلی حفاظت شده به دور از سکوی پرتاب در پیش گرفت. ساختمان مونتاژ یا VAB می توانست چهار راکت ساترن را به شکل همزمان در خود جای دهد، ولی پیش از آن قطعات مختلف باید از مسیرهای مختلف به فلوریدا منتقل می شدند. مرحله S-IC 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 S-II در کالیفرنیا ساخته شد و از طریق کانال پاناما به مقصد رسید، و نهایتاً مرحله S-IVB هم به شکل هوایی توسط هواپیمای باربری به نام Super Guppy جابجا شد.

وقتی تمام قطعات به VAB رسیدند، بازرسی نهایی روی آنها انجام گرفته و سپس به محل موردنظر منتقل شدند. نهایتاً راکت کامل توسط یک کشنده غول آسا به نام CT فاصله 4.8 کیلومتری بین VAB و مجتمع پرتاب 39 را پیمود. در کنار سکوی پرتاب، ساختمان خدماتی (MSS) ساخته شده که شامل یک اتاق نظافت متحرک، بالابرها، سیستم های سوخت گیری و برق رسانی، و حتی یک سرسره بزرگ بود تا در شرایط اضطراری، نیروهای حاضر بتوانند به سرعت از آنجا خارج شوند.

پرتاب

با این همه تلاش ها، جالب است که کل مأموریت ساترن 5 پس از پرتاب به بیست دقیقه می رسید، بعلاوه مقداری زمان انتظار در مدار. با این حال بلند شدن این راکت از زمین، آتش بازی بزرگی به راه انداخت که بشر تا آن زمان به چشم ندیده بود.

اولین لحظات پرتاب ساترن 5 بسیار زیبا، بیش از حد ساده ولی فوق العاده خطرناک بود. به خاطر وزن بالای راکت، مرحله اول تحت فشار سنگین نیروهای ایرودینامیکی قرار می گیرد و به همین دلیل S-IC فقط تلاش می کرد راکت را سرپا نگه دارد. راکت باید مسیری از پیش تعیین شده را طی می کرد و کامپیوترهای تعبیه شده روی آن، هرگونه انحراف از برنامه را تشخیص می دادند. بدین ترتیب پس از رسیدن به ارتفاع مناسب، مراحل دوم و سوم می توانستند در صورت نیاز، مسیر را اصلاح کنند.

یکی از خطرناک ترین نکات در مورد ساترن 5 این بود که به مدت 12 ثانیه در کنار برج پرتاب صعود می کرد. هرگونه برخورد جزئی با برج یا نقص عملکرد یکی از موتورها به انفجاری مرگبار ختم می شد. به همین دلیل تا شعاع 5 کیلومتری اطراف سکوی پرتاب هیچ چیزی وجود نداشت. برای کاهش احتمال برخورد با برج، راکت ابتدا با زاویه 1.25 درجه نسبت به راستای عمود حرکت می کرد و پس از رسیدن به ارتفاع 130 متری، به مسیر اصلی خود وارد می شد و به تدریج حالت افقی به خود می گرفت.

150 ثانیه پس از پرتاب، ساترن 5 به سرعت مافوق صوت رسید. در این زمان و با پایان سوخت، مرحله اول راکت به وسیله مواد منفجره و راکت های کوچک از بدنه راکت اصلی جدا شد. سپس با بررسی وضعیت سوخت، پنج موتور J-2 مرحله دوم روشن شده و طی شش دقیقه، سرعت راکت را به 24623 کیلومتر بر ساعت رساندند. در پایان این زمان، مرحله دوم هم جدا شده و درون اقیانوس اطلس و در سواحل آفریقای غربی سقوط کرد.

حالا نوبت به مرحله سوم می رسد. اولین بخش از فعالیت این مرحله، راکت را به سرعت 28164 کیلومتر بر ساعت رسانده تا در مدار مورد نظر در ارتفاع مشخص از زمین توقف کند. در اینجا راکت به مدت 3 گردش کامل دور زمین باقی می ماند تا فضانوردان و مرکز کنترل زمینی از کارکرد صحیح سیستم ها و تجهیزات اطمینان حاصل کنند و به ادامه مأموریت چراغ سبز نشان دهند. پس از بررسی ها، موتور J-2 برای دومین بار روشن شده و راکت را به مدار ماه می رساند.

در این مرحله مأموریت ساترن 5 به پایان رسید. فضانوردان مأموریت آپولو به ماژول ماه نشین متصل شده و سپس با اصلاح مسیر به سمت ماه رفتند، و مرحله سوم راکت هم به آرامی از آنها فاصله گرفت تا از هرگونه برخورد احتمالی جلوگیری شود.

پایان یک عصر طلایی

پس از پایان عصر طلایی فضا دیگر هیچ چیزی شبیه ساترن 5 ندیدیم. آخرین نمونه از این راکت در سال 1973 به پرواز درآمد و آزمایشگاه فضایی Skylab را به مدار فرستاد. پس از آن دو نمونه راکت ساترن 5 آماده ی پرتاب در تگزاس و فلوریدا برای عموم به نمایش درآمده، پنج راکت S-IVB  برای مأموریت های آپولو 8 تا آپولو 12 به سمت خورشید اعزام شدند و پنج راکت دیگر هم طی مأموریت های آپولو 13 تا آپولو 17 برای آزمایشات لرزه شناسی به ماه اصابت کردند. بخش هایی از این راکت ها هم در موزه ها و انبارهای مختلف دیده می شوند.

اما سؤالی که اکنون ذهن همه را مشغول کرده، این است که آیا می توانیم دوباره راکت ساترن 5 را بسازیم؟ پاسخ ناسا منفیست. اگرچه طرح های اولیه هنوز روی میکروفیلم ها وجود دارند و مراحل توسعه و ساخت راکت با دقت تمام مستند شده، ولی زیرساخت ها و ابزارهای مورد نیاز برای ساخت ساترن 5 عمدتاً نابود شده، به موزه ها منتقل شده یا در مراکز دیگری به کار گرفته شده اند. علاوه بر این مردان و زنانی که در این پروژه کار می کردند هم یا از دنیا رفته و یا بازنشست شده اند.

در واقع اکنون توسعه و ساخت یک راکت کاملاً جدید، به مراتب ارزان تر در می آید. به همین دلیل ناسا روی سیستم پرتاب فضایی (SLS) کار می کند، اسپیس اکس پروژه BFR را در در دستور کار دارد و حتی چین هم می خواهد یک راکت عظیم الجثه برای رقابت با ساترن 5 بسازد. بدون شک در آینده نزدیک راکت قدرتمند جدیدی خواهیم داشت، ولی ساترن 5 به قدری با صلابت در تاریخ اکتشافات فضایی بشر ایستاده که به این راحتی ها از اذهان پاک نخواهد شد.