המעבורת המגויסת - מדע גדול, בקטנה : מדע גדול, בקטנה

מעבורות החלל של ארה"ב פעלו במשך 30 שנה. בתקופה זו נבנו חמש מעבורות, שמילאו תפקיד משמעותי בחקר החלל ובבניית תחנת החלל הבינלאומית. אבל לא רבים יודעים שהמעבורות ביצעו גם משימות צבאיות מסווגות. כדי להתאים למשימות אלו, צורתן הסופית ואופן פעולתן של המעבורות היו שונות לחלוטין מהתכנון הראשוני. מה היו השינויים וכיצד הם השפיעו על הנדסת המעבורת? ואיך זה קשור למלחמה הקרה?

תוכנית מעבורות החלל של ארה"ב הייתה בעיקרה תוכנית חלל אזרחית שהתמקדה במחקר מדעי, בפריסת לוויינים ובפעילויות אחרות הקשורות לחלל [1]. עם זאת, חלק מהפעילויות כללו משימות מסווגות שנשמרו הרחק מעיני הציבור, וחלקן נותרו עלומות עד עצם היום הזה.

מעבורת החלל היא דוגמה להשפעה קיצונית של של דרישות צבאיות על תהליך התכנון ההנדסי והייצור. אף שחלקן נשארו מסווגות גם כיום, אפשר לראות כיצד דרישות אלו, בשילוב עם אילוצים תקציביים, השפיעו על ההנדסה של המעבורת.

נתחיל בתהליך התכנון. מטרתו של תכנון הנדסי היא לייצר מוצר סופי בהתאם להגדרות של איכות וביצועים, בהתחשב בדרישות, אילוצים, משאבים ועוד (בעבר כתבנו על התהליך [2]). בתחילה הוגדר שמטרת המעבורת היא להוביל אסטרונאוטים אל תחנת החלל ובחזרה ממנה. בעצם נדרשה מעין "מונית חלל", ובהתאם לכך תוכנן כלי קטן בעל כנפיים קטנות, שיתאים לאנשי צוות ספורים וציוד מועט. כיצד תגיע מעבורת כזאת למסלול הקפה? אפשרות אחת הייתה להתקין את המעבורת הקטנה על גבי מטוס גדול. לאחר הגעה לגובה הנדרש, המעבורת תתנתק מן המטוס ותמריא לחלל [3]. מוזמנים להסתכל בתמונת האילוסטרציה הממש מגניבה, שכוללת אפילו טנדר שברולט תקופתי אשר חונה בצד. אפשרות נוספת הייתה לשגר את המעבורת הקטנה בעזרת טיל מכונף, שיחזור לכדור הארץ לאחר השיגור, לשימוש נוסף (בדומה למה ש-SpaceX עושה).

מקור התמונות: נאס"א

ירידת ההתלהבות מכיבוש הירח וגורמים נוספים הובילו לקיצוצים בתקציבי תוכנית החלל האמריקאית, לכן בחרה נאס"א להתמקד רק בתוכניות של תחנת חלל שתקיף את כדור הארץ במסלול נמוך, ורכב אספקה שינוע מכדור הארץ לתחנה ובחזרה. אך גם פרויקטים שאפתניים אלו דרשו תקציב גדול. כדי להגדיל את המשאבים הכספיים, עשתה נאס"א עסקה עם חיל האוויר ועם סוכנות ביון בשם "משרד הסיור הלאומי" (NRO, סוכנות שעצם קיומה היה סוד מדינה עד 1992, ותפקידה לתכנן, לבנות ולהפעיל את מערכות המעקב הלווייניות האמריקניות). בעסקה סוכם שתמורת השתתפות גופי הביטחון במימון התוכנית, מעבורת החלל תותאם לדרישותיהם ותבצע עבורם משימות מסווגות.

היו כמה דרישות, ואנו נתמקד בשתי העיקריות שבהן: יכולת לטוס למרחקים ארוכים במהלך הכניסה חזרה לאטמוספרה ונשיאה "דיסקרטית" של מכשירים עצומים בתוך המעבורת. על סמך ניתוח חלק מהמסמכים שהתפרסמו, ניתן לשער שמדובר בלווייני ריגול מתקדמים, ציוד מעקב, ציוד לתקשורת מוצפנת, מערכות לגילוי שיגורי טילים בליסטיים ומטענים ייעודיים מסווגים אחרים.

הדרישה הראשונה של חיל האוויר האמריקאי ממשימות המעבורת כללה יכולת לנוע במסלול קוטבי (פולארי), מסלול סביב כדור הארץ אשר עובר מעל נקודות הקרובות לקטבים. מדוע זה היה חשוב? בעיקר כי חיל האוויר ו-NRO רצו להעלות לווייני סיור גדולים למסלולים קוטביים כדי לתצפת על ברית המועצות דאז. אולי גם לעשות דברים אחרים, קריצה-קריצה.

איך פותרים זאת? מגדילים את טווח הדאייה בזמן הכניסה חזרה לאטמוספרה. לאחר ביצוע המשימה והכניסה לאטמוספרה, המעבורת נוחתת כמו דאון ענקי. שיעור איבוד הגובה ביחס למרחק האופקי שהדאון עובר מכונה יחס גלישה, ומחשבים אותו על ידי חילוק כוח העילוי בגרר (הכוח הפועל בניגוד לכיוון התנועה ומאט את המעבורת). לדוגמה, אם יחס הגלישה של המעבורת במהירויות תת-קוליות בזמן גישה ונחיתה הוא 4.5:1, היא תעבור 4.5 מטרים בכיוון אופקי עם כל מטר של ירידה בקו אנכי [4]. המחיר ההנדסי של הגדלת יחס הגלישה הוא הצורך בכנף גדולה יותר, אשר מגדילה את שטח המגע בזמן החדירה לאטמוספרה, מה שמוביל לטמפרטורות גבוהות יותר למשך זמן רב יותר ועל פני שטח רחב יותר. מערכת ההגנה התרמית (TPS) הפכה מורכבת וכבדה יותר, כי נדרש למגן שטח גדול יותר, מה שהוביל גם להגדלת הסיכוי לכשל [5].

בנוסף לכך, היו דרישות הנדסיות. לדוגמה, כדי להתמודד עם גלי ההלם שנוצרים בכניסה לאטמוספרה (25 מאך), הכרחי לעצב את כנף המעבורת כך שהיא נמשכת משורש הכנף בזווית ביחס לציר הרוחבי של כלי הטיס, תצורה שנקראת ״כנף משוכה לאחור" (Swept Wing).

עבור לדרישה השנייה. מכיוון שה-NRO בנה והפעיל לווייני סיור גדולים ויקרים, תא המטען של המעבורת היה צריך להיות גדול הרבה יותר ממה שתוכנן בתחילה. ממדי תא המטען השתנו, ורוב נפח המעבורת הוא למעשה תא מטען ענקי. כמה ענקי? 4.6 על 18 מטרים [6]. גודל זה הותאם במדויק לממדי לוויין הריגול KH-9 Hexagon, הלוויין הכבד ביותר שנבנה באותה עת, דומה בגודלו ובמשקלו לאוטובוס (13.6 טון). ואם אני מגדיל את נפח המעבורת ואת משקלה, אני צריך הרבה יותר אנרגיה כדי להביא אותה למסלול, ומשמעות הדבר היא שימוש בטילים חזקים ובהרבה דלק.

אבל רגע, איך מחללית קטנה הגענו לכלי שנושא רקטות ומכל דלק עצום? הגדלת ממדי תא המטען הובילה להקטנת המקום להנעה פנימית. מה עושים אם אין מקום בתוך המעבורת? כמו שאנחנו קושרים דברים לגג של האוטו, כך עשו בנאס"א: הוציאו דברים אל מחוץ למעבורת. מכל הדלק ורקטות הדחף הפכו לחיצוניים. הם גם גדולים מאוד, כדי להתאים למשקל הכולל של המעבורת, שגדל בהרבה. מה הכוונה? נדמיין שאנחנו רוצים שטיל ימריא. ‏כדי לגרום לכך עלינו להפעיל במשך זמן מסוים כוח גדול יותר ממשקלו. אנחנו עושים זאת על ידי שריפה של חומרים דליקים (דלק ומחמצן) ופליטה אחורה של הגזים הדחוסים שנוצרים. הבעיה היא שעלינו לקחת איתנו את החומרים, וכך המשקל גדל. ‏ואז צריך להשתמש בכמות גדולה יותר של חומרי בעירה, מה שמגדיל עוד את המשקל [7]. בגלל שהמעבורת צריכה לסחוב בתוכה לוויין בגודל ובמשקל של אוטובוס, קיבלנו מעבורת ש"קשורים לגג שלה״ מכל דלק עצום ושתי רקטות נוספות.

התכנון ההנדסי הושפע גם מהדרישה להפחית עלויות. אפשר לפתח רכיבים זולים, שיתאימו לשימוש חד-פעמי. לדוגמה, בתוכנית אפולו החללית והרקטות לא יועדו ולא תוכננו לשימוש חוזר. אומנם חלק מהרכיבים הונצלו, כגון תא הפיקוד שנשאר מהחללית והשלב הראשון של הטיל, אבל לכל משימה נבנו חללית ורקטה חדשות. אפשרות נוספת היא לפתח כלי רכב יקרים שניתן לעשות בהם שימוש חוזר. בנאס"א בחרו בפתרון היברידי: החללית עצמה ורקטות ההאצה ניתנות לשימוש חוזר, ומכל הדלק הנוזלי (הזול יחסית) תוכנן לשימוש חד-פעמי וכמעט כולו נשרף באטמוספרה.

אז מה קיבלנו? בשונה לגמרי מהתכנון המקורי של ״מונית חלל קומפקטית״, קיבלנו משאית חלל היברידית: משוגרת על גבי טיל, מקיפה את כדור הארץ כמו חללית ונוחתת כמו דאון כבד [8]. אבל למרות כל החסרונות ועל אף האסונות שקרו בדרך, מדובר בהישג הנדסי מרשים.