دخول الغلاف الجوي Atmospheric entry، هي عملية دخول المركبات الفضائية المصممة لدخول الغلاف الجوي الأرضي مرة أخرى بسلام. تتطلب المركبات الراجعة عادة قدراً كبيراً من الحجب الحراري نظراً لدرجات الحرارة العالية الناجمة عن الاحتكاك مع الهواء لدى دخول المركبة الغلاف الجوي. وإذا ما تعرض الحجاب الحراري لمركبة راجعة لأضرار أولم يتمكن من توفير الحماية الكافية للمركبة، تكون النتيجة عادة كارثية كما حصل لمكوك الفضاء كولومبيا Columbia في عام 2003 عندما انفجر ونجم عن ذلك وفاة جميع أفراد طاقمه.

تستخدم المركبات الفضائية المأهولة مركبات راجعة لتأمين عودة طاقمها إلى الأرض بسلام بعد انتهاء مهماتهم. أما المركبات الفضائية غير المأهولة فلا تملك إمكانية الرجوع؛ لذا فهي تُهجر على المدار أويُسمح لها بالاحتراق في أثناء سقوطها على الأرض. ويستثنى من ذلك أولى سواتل الاستطلاع التي استخدمت مركبات راجعة لإعادة الصور التي التقطتها.

ويُطلق على المركبات الفضائية التي تهبط على الكواكب الأخرى اسم مركبات داخلة حيث إنها لا تعود إلى الغلاف الجوي الأرضي الذي انطلقت منه. كما تستخدم الصواريخ البالستية العابرة للقارات intercontinental ballistic missiles (ورمزها ICBM’s) مركبات راجعة لتوفير إيصال الرؤوس الحربية النووية من المدار إلى أهدافها بصورة سليمة.

التاريخ

عُدّت مسألة رجوع المركبات الفضائية ودخولها مجدداً الغلاف الجوي تحدياً كبيراً لأوائل الباحثين في مجال غزوالفضاء. وتمثلت المشكلة الرئيسية في إيجاد أفضل طريقة للتخلص من الحرارة الناجمة عن الاحتكاك في أثناء دخول المركبة الفضائية الغلاف الجوي وخفض سرعتها.

كان ڤِرْنَر ڤون براون Wernher von Braun أول من وضع تصوراً لعودة رواد الفضاء في مركبات مجنحة ضخمة يُدار سائل تحت غلافها الخارجي من أجل امتصاص الحرارة الناجمة عن رجوعها. وتفادت معظم مشروعات السواتل المقترحة بين عامي 1946 -1957 مسألة الرجوع المعقدة، لكن حل هذه المعضلة كان أمراً حتمياً لمشروعات الرحلات الفضائية المأهولة. هجرز الاهتمام بدايةً على المركبات الراجعة الصاروخية كالصواريخ البالستية الحاملة للرؤوس النووية، والتي تحلق فوق معظم الغلاف الجوي وتعود لتدخله بسرعة تبلغ أضعاف سرعة الصوت مما يتسبب لها بارتفاع هائل في درجات الحرارة، وكذلك على مركبات التجسس الفضائية التي كان معها لزاماً استعادة الأفلام والصور التي التُقطت للمواقع المعادية بصورة سليمة. وأجريت منذ الخمسينات من القرن العشرين تجارب عديدة على تصاميم مختلفة ومواد مختلفة للمركبات الراجعة. واستمر مهندسوالفضاء والصناعات العسكرية طوال عقود في سعيهم تحسين الأداء بغية الوصول إلى مركبات أقل وزناً وقادرة على تحقيق سرعات أعلى ودقة أكبر. فطرحت تقنيات ومشروعات متعددة لاقت النجاح وعلى الأخص في المهمات الفضائية.

المصطلحات والتعاريف

أسس الدخول

جرى إرجاع المركبات المأهولة والحمولات المفيدة غير المأهولة بنجاح في مئات من المهمات الفضائية، وذلك من مداراتها إلى سطح الأرض مروراً بالغلاف الجوي. وبالرغم من ذلك يُعد الإرجاع عبر الغلاف الجوي الفترة الأكثر خطورة في أي رحلة إلى الفضاء. ويمثل التسخين - في أثناء الإرجاع - الناجم عن الاحتكاك الهوائي الشديد أبرز العقبات التي تقابل أي سفينة فضاء. إذ تتحرك المركبة في الغلاف الجوي الخارجي بسرعة تفوق عشرين مرة سرعة الرصاصة، وقد تتجاوز درجة الحرارة على السطح الخارجي للمركبة عتبة 2500 درجة مئوية والكافية لتحويل معظم المعادن إلى سوائل.

كما يمثل الإجهاد البنيوي الذي تخضع له المركبة مصدر الخطورة الثاني؛ إذ تراوح قوة الشد التي تخضع لها المهمات المأهولة في أثناء عملية إبطاء السرعة بين ضعفين إلى ثلاثة أضعاف تسارع الجاذبية. أما في حالة الحمولات غير المأهولة فتصل القوة إلى عشرة أضعاف تسارع الجاذبية. وتؤخذ زاوية الهبوط أيضاً في الحسبان من أجل اختيار نافذة الإرجاع.

ويؤدي العامل البالستي (والذي يطلق عليه بيتا beta، والذي يُحسب بدلالة وزن المركبة وسحبها drag ومبترها العرضي) دوراً مهماً في الإرجاع. وتكون المركبات الراجعة ذات العامل بيتا المنخفض عادة عريضة ومدوّرة وكليلة blunt. وتستغرق عملية إبطاء هذه المركبات زمناً أطول، كما تولد حرارة أقل على مدى فترة زمنية أطول؛ مما يجعلها ملائمة للمركبات الفضائية المأهولة. أما المركبات ذات العامل بيتا المرتفع فتكون عادة ضيقة وعلى شكل رصاصة. وتملك الصواريخ والرؤوس النووية للصواريخ البالستية العابرة للقارات عاملاً مرتفعاً مما يسمح لها بعبور الغلاف الجوي والوصول إلى الأرض بسرعة أكبر يصعب معها على العدوالمحتمل اكتشافها أواعتراضها.

تقنيات المركبات الراجعة

الجسم الكليل

كان الجسم الكليل blunt body الذي اقترحه في عام 1952 هـ. جوليان آلان H. Julian Allen وألفرد ج إغرّز Alfred J. Eggers من مركز الأبحاث الجوية والفضائية آمز Ames أفضل تصميم؛ بفضل انحراف الحرارة وتباطؤ المركبة الذي يوفره، ومن ثَم حماية أفضل للمركبة. ثم طور الباحثون في عام 1956 تقنية السحل ablation والتي تعتمد على كساء المركبة الراجعة بمادة تمتص الحرارة وتتحول إلى طبقة من الفحم تتآكل بعمل الاحتكاك. وتصلح هذه التقنية لكل من المركبات الفضائية الراجعة والصواريخ البالستية على حد سواء. وكان التوصل إلى المادة الأنسب محور تجارب عديدة قادت إلى استخدام نسيج من النايلون المخصب بلدائن الراتينج الفينولي phenolic resin مقولباً وفق الشكل المطلوب لكساء الرؤوس النووية الصاروخية.

وقد استخدمت المشعات والمواد المستأصلة مترافقة مع أشكال الجسم الكليل من أجل رجوع أولى الصواريخ مثل المركبة الراجعة مارك 2 (Mark 2) الملحقة بالصواريخ ثور Thor وجوبيتر Jupiter وأطلس Atlas، وأولى المركبات الفضائية مثل أول مركبة مركوري Mercury وذلك من أواخر الخمسينات حتى أوائل الستينات من القرن العشرين.

الكبسولة البالستية

توالت المشروعات والتجارب على الصواريخ البالستية العابرة للقارات في عدد من الدول وعلى الأخص الولايات المتحدة الأمريكية، من مارك ثلاثة وصولاً إلى مارك 12، وعلى طائرات الأبحاث إكس 15 (X-15)، وعلى المركبات الفضائية مخروطية الشكل المزودة بواقٍ من الحرارة خلفي كبير مصنوع من الفولاذ عديم الصدأ ومزود بثقوب أشبه بأقراص العسل وبطبقة خارجية من الراتينج الفنيلي مادة استئصال. وقد أطلق على هذا النمط من المركبات الراجعة اسم الكبسولة البالستية وهي مركبات بسيطة نسبياً مخروطية الشكل ذات قدرة محدودة على المناورة. لكنه بالمستطاع تحقيق قدر من الحمل الدينامي الهوائي بإمالة الكبسولة البالستية. ومن الأمثلة على هذه الكبسولات أبولوApollo.

وعمل الاتحاد السوڤييتي أيضاً على تطوير مركبات راجعة صاروخية للصواريخ البالستية ذات المدى المتوسط والبعيد ومنها أر 14/إس إسخمسة (R-14/SS-5) وأر 16/إس إسسبعة (R16/SS-7). كما عمل على تطوير واقيات حرارية لرواد الفضاء وبقيت المعلومات حولها سرية، وتُعد سويوز Soyuz وفوستوك Vostok من الأمثلة على الكبسولات التي استخدمها الاتحاد السوڤييتي مركبات راجعة.

الجسم الرافع

اُقترح فيما بعد نوع آخر من المركبات الراجعة أُطلق عليه اسم الجسم الرافع lifting body والذي يجمع بين مبدأ الجسم الكليل وديناميكية الطائرة الشراعية. ووضعت وكالة الفضاء الأمريكية ناسا NASA بين عامي 1963- 1975 ثمانية تصاميم مختلفة للجسم الرافع وقامت باختبارها وكان من بينها الطائرة المعدنية صاروخية الدفع إكس 24 (X-24) ومركبة إرجاع رواد الفضاء إكس 38 (X-38).

المركبة المجنحة

مَثّل الإطلاق الناجح للمكوك الفضائي في عام 1981 برهاناً على فاعلية تقانات عديدة، منها نظام الحماية الحراري. ولأن تصميم المكوك يعتمد على رجوع متكرر لم يكن من الوارد استخدام التقنيات السابقة التي تصلح بطبيعتها لعودة وحيدة؛ فأخضعت الأغطية الحرارية ورقاقات ثاني أكسيد السليكون silica والكربون - التي تشكل الواقي الحراري للمكوك- لاختبارات مكثفة على الأرض قبل أول إطلاق للمكوك. ويطلق على مثل هذا النوع الرابع من المركبات الراجعة اسم المجنحة حيث إنها مزودة بأجنحة قصيرة وثخينة للمناورة في أثناء الهبوط.

تصنيف مركبات الدخول

حسب طرق الاستخدام

تُصنف المركبات الراجعة من حيث طريقة الاستخدام في فئات أربع هي:

العادية

وهي مركبات ذات رجوع وحيد. وتضم هذه الفئة المركبات الراجعة المرتبطة بالمهمات الفضائية، أوالصواريخ وحيدة الرأس النووي.

المتعددة

المركبة الراجعة المتعددة multiple reentry vehicle (ورمزها MRV) هي نوع من الحمولة المفيدة للصواريخ البالستية تقوم بنشر رؤوس نووية متعددة في نسق يستهدف هدفاً وحيداً. ويمتاز هذا النوع من المركبات الراجعة من الرأس الوحيد بالحجم الكبير من الأضرار التي يتسبب بها في مركز النسق.

القادرة على المناورة

المركبة الراجعة القادرة على المناورة maneuverable reentry vehicle (ورمزها MARV) هي نوع من الرؤوس النووية القادرة على تغيير الأهداف في أثناء الطيران.

المتعددة والمستقلة الأهداف

المركبة الراجعة المتعددة والمستقلة الأهداف multiple independently targetable (ورمزها MIRV) هي مركبة راجعة محمولة من قبل نظام توصيل قادرة على تخصيص مركبة راجعة أوأكثر لكل هدف من الأهداف المنفصلة الكثيرة.

وتسمح المركبات الراجعة المتعددة والمستقلة الأهداف لصاروخ إطلاق وحيد - سواء أكان بالستياً عابراً للقارات أم بالستياً يطلق من غواصة submarine launched ballistic missile (ورمزه SLBM) - ضرب الكثير من الأهداف أوضرب ثلة من الأهداف بصورة مكثفة.

وتتمثل الغاية العسكرية من هذا النوع من المركبات في تخفيض فاعلية الأنظمة المضادة للصواريخ البالستية التي تعتمد على اعتراض رؤوس نووية منفردة من جهة، وفي تخفيض عدد الصواريخ اللازمة لشن الهجوم من جهة أخرى. وتُعد المركبات W87 المحمولة على متن الصاروخ LG-118A (الشكل 1) مثالاً على هذا النوع من المركبات الراجعة.

حسب الشكل

المركبات الدائرية

المركبات المخروطية

Biconic

Non-axisymmetric shapes

Shock layer gas physics

Perfect gas model

Real (equilibrium) gas model

Real (non-equilibrium) gas model

نموذج الغاز المجمد

أنظمة الحماية الحرارية

الجر

SLA-561V

پيكا PICA

پيكا-إكس PICA-X

سيركا SIRCA

أڤوكات AVCOAT

التخلل الحراري

التبريد السلبي

التبريد النشط

الدخول السريع

درع بث الحرارة

اعتبارات تصميم المركبات الراجعة

1. Peak heat flux
2. Heat load
3. Peak deceleration
4. Peak dynamic pressure

أشهر حوادث الدخول للغلاف الجوي

عمليات دخول غير محمية وغير مسيطر عليها

Deorbit disposal

• Closeup of Gemini 2 heatshield

• Cross section of Gemini 2 heatshield

مركبات الدخول المدارية

مركبات الدخول المدارية المأهولة حسب البلد/الحكومة

•  الصين - Shenzhou
•  الاتحاد السوڤيتي/ روسيا - Vostok, Voskhod, Soyuz, Buran
•  الولايات المتحدة - Mercury, Gemini, Apollo, Space Shuttle

مركبات الدخول المدارية المأهولة حسب الكيان التجاري

• لا يوجد حتى الآن

مركبات الدخول المدارية الغير مأهولة حسب البلد/الحكومة

•  الصين
• وكالة الفضاء الاوروپية
•  الهند
•  اليابان
•  الاتحاد السوڤيتي/ روسيا
•  الولايات المتحدة

مركبات الدخول المدارية الغير مأهولة حسب الكيان التجاري

• SpaceX - دراگون

عملية دخول مختارة

الآفاق الراهنة والمستقبلية

يُعد الرجوع من الفضاء ـ والذي يعتمد في إبطاء سرعة المركبة على الغلاف الجوي المضطرب وشديد التسخين ـ الفترة الأكثر حرجاً وخطورةً في أي رحلة خارج الغلاف الجوي. ومع الازدياد المنظور للمشروعات الفضائية ـ الحكومية والخاصة على حد سواء ـ في العقود القادمة يتبوأ تطوير تقانات الرجوع واستمثالها مكانة فائقة الأهمية من أجل ضمان سلامة عودة رواد الفضاء من ملاحين وفهماء وسياح.

وتعكف مختبرات البحث في الكثير من الدول كالولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد الأوربي والصين وروسيا وغيرها على وضع واختبار تقنيات وبنى ومواد أكثر تطوراً للمركبات الراجعة، كالصاروخ الدوار روتون Roton والهبوط السلس soft landing والدرع الحراري القابل للنفخ inflatable heat shield وغيرها.

قراءات إضافية

• Martin, John J. (1966). Atmospheric Entry - An Introduction to Its Science and Engineering. Old Tappan, NJ: Prentice-Hall.
• Regan, Frank J. (1984). Re-Entry Vehicle Dynamics (AIAA Education Series). New York: American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. ISBN .
• Etkin, Bernard (1972). Dynamics of Atmospheric Flight. New York: John Wiley & Sons, Inc. ISBN .
• Vincenti, Walter G. (1986). Introduction to Physical Gas Dynamics. Malabar, Florida: Robert E.Krieger Publishing Co. ISBN . Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
• Hansen, C. Frederick (1976). Molecular Physics of Equilibrium Gases, A Handbook for Engineers. NASA. NASA SP-3096.
• Hayes, Wallace D. (1959). Hypersonic Flow Theory. New York and London: Academic Press. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help) A revised version of this classic text has been reissued as an inexpensive paperback: Hayes, Wallace D. (1966, reissued in 2004). Hypersonic Inviscid Flow. Mineola, New York: Dover Publications. ISBN . Check date values in: |year= (help)
• Anderson, Jr., John D. (1989). Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics. New York: McGraw-Hill, Inc. ISBN .

المصادر

انظر أيضا

• احتجاز الهواء
• Ballistic reentry
• Decelerated micrometeorites
• Ionization blackout
• Landing footprint
• الخروج من الغلاف الجوي
• Space Shuttle thermal protection system

وصلات خارجية

مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع Atmospheric entry.

• Center for Orbital and Reentry Debris Studies (The Aerospace Corporation)
• Early Reentry Vehicles: Blunt Bodies and Ablatives
• Buran's heat shield
• Encyclopedia Astronautica article on the history of space rescue crafts, including some re-entry craft designs.
• EADS Astrium