سایت نجوم ایران ( مرکز اطلاع رسانی اخبار رسمی نجومی، ستاره شناسی، هوافضا، آسمان شب و اخترفیزیک ایران و جهان) ؛

بي‌وزني احساسي است كه فرد در حين سقوط آزاد بدون داشتن وزن ظاهري تجربه مي‌كند. عبارت گرانش صفر اغلب به عنوان يك واژه مترادف با بي‌وزني به كار مي‌رود. بي‌‌وزني در مدار در نتيجه حذف گرانش يا حتي كاهش قابل توجه آن نيست. در حقيقت شتاب ناشي از گرانش در ارتفاع صد كيلومتري نيز تنها سه درصد كمتر از مقدار آن بر روي سطح زمين است؛ به معناي ديگر، شخص ساكن در آن ارتفاع با نرخي تقريباً مشابه فرد نزديك به زمين، شتاب سقوط مي‌گيرد. بي‌وزني در اصطلاح عام به حالتي اتلاق مي‌شود كه شخصي يا جرمي آزادانه سقوط كند؛ اين حالت ممكن است در مدار، فضاي ماوراي جوّ (نواحي دوردست يك سياره، ستاره يا اجرام عظيم ديگر)، يك هواپيما با مانوري منطبق بر يك مسير پروازي سهموي خاص و يا ديگر روش‌ها و چارچوب‌هاي نامتعارف روي دهد.

آنچه كه انسان به عنوان وزن احساس مي‌كند، واقعاً نيروي گرانشي كه وي را به سمت مركز زمين مي‌كشد نيست؛ هرچند اين عبارت، تعريف فني وزن به شمار مي‌رود. آنچه كه ما به عنوان وزن حس مي‌كنيم، در حقيقت نيروي عكس‌العمل عمودي زمين (يا هر سطح ديگري كه روي آن قرار داريم) است كه ما را به سمت بالا هل مي‌دهد تا نيروي گرانش كه باعث كشيده شدن به سمت پايين مي‌شود را خنثي كند. اين همان چيزي است كه وزن ظاهري خوانده مي‌شود. به عنوان مثال، قطعه فلزي كه داخل يك ظرف قرار دارد، در صورت رها شدن ظرف به شكل سقوط آزاد بي‌وزني را تجربه مي‌كند. دليل اين پديده آن است كه هنگامي كه قطعه و ظرف هر دو با سرعت يكسان به سمت پايين كشيده مي‌شوند، هيچ نيرويي از جانب ته ظرف در مقابل نيروي گرانش به قطعه وارد نمي‌شود. در حالي كه وقتي ظرف روي زمين ساكن است، نيروي گرانش پايين‌كشنده دقيقاً با نيروي وارده از ته ظرف، به همان اندازه و در جهت مخالف، خنثي مي‌شود.

از آنجا كه مي‌توان قطعه فلز‌ي ساكن بر روي زمين را تقريباً صلب فرض كرد، هر برش عرضي افقي قطعه نه تنها نيروي ناشي از گرانش را تجربه مي‌كند بلكه وزن بخش‌هاي بالاي خود را نيز تحمل مي‌كند. در مورد يك شيء كه از بالا آويخته شده و از زير تكيه‌گاهي ندارد، فشار منفي يا گراديان كشش وجود دارد؛ زيرا هر برش عرضي از جسم آويخته (مثلاً از يك ريسمان)، بايد وزن بخش زير خود را تحمل كند. بدين ترتيب، در بدن انسان نيز مركز احساس وزن چنين گراديان فشاري را حس مي‌كند. به عنوان مثال، هنگام ايستادن بر روي يك پا، پاي واقع بر روي زمين نيروي وزن تمامي بدن را حس خواهد كرد، در حالي‌كه پاي ديگر و هر دو بازو در معرض گراديان‌هاي تنش وزن خود به سمت پايين كشيده مي‌شوند.

يك شخص به هنگام سقوط آزاد، وزن قابل‌ اندازه‌گيري خود را حس نمي‌كند؛ چرا كه تمامي بخش‌هاي بدن وي به‌طور يكسان در حال شتاب‌گيري هستند. با استفاده از اين ويژگي، مي‌توان شرايطي را ايجاد كرد كه شخص بتواند حالت بي‌وزني را تجربه كند. اگر در شرايط عادي از يك ارتفاع پنج متري بپريد، حدود يك ثانيه طول مي‌كشد تا به زمين برسيد. در محيطي كه گرانش آن يك درصد گرانش زمين است، طي همان ارتفاع حدود 10 ثانيه طول مي‌كشد. اگر گرانش به يك ميليونيم گرانش زمين كاهش يابد، پرش از ارتفاع پنج متري تا رسيدن به سطح، 1000 ثانيه يا حدود 17 دقيقه به طول خواهد انجاميد! اين در حالي است كه با توجه به قانون گرانش و رابطه گرانش با عكس مجذور فاصله، براي رسيدن به جايي كه گرانش زمين به يك ميليونيم مقدار آن در سطح زمين كاهش يابد، بايد 37/6 ميليون كيلومتر از زمين فاصله بگيريم (حدود 17 برابر دورتر از ماه!).

تصور كنيد در يك آسانسور روي باسكول قرار داريد. اگر آسانسور بدون شتاب حركت كند، شما وزن عادي خود را مي‌بينيد. اگر آسانسور با شتاب به سمت بالا حركت كند، وزن شما بيشتر از معمول نشان داده مي‌شود. ولي اگر آسانسور با شتاب به پايين حركت كند، وزن ظاهري شما كاهش مي‌يابد. در صورتي كه كابل آسانسور ناگهان پاره شود، شما براي چند لحظه سقوط آزاد و بي‌وزني را تجربه خواهيد كرد.

در حال حاضر، استفاده از روش‌هاي گوناگون براي كم كردن وزن ظاهري و رسيدن به شرايط بي‌وزني با اهداف تحقيقاتي و تجاري در سراسر جهان انجام مي‌شود. از سوي ديگر، ايجاد شرايط گرانش صفر بر روي زمين، امري حياتي براي آزمايش‌هاي مقدماتي فضايي است. اين آزمايش‌ها مي‌تواند در پيشبرد اهداف و موفقيت پروژه‌هاي فضايي نقش تعيين‌كننده‌اي را ايفا كند و دقت عملكرد تجهيزات مختلف را در سفرهاي فضايي سرنشين‌دار و بدون سرنشين به ميزان قابل‌توجهي بهبود بخشد. مطالعه حالت مواد و برهم‌كنش آنها در شرايط گرانش ناچيز، فرصتي است تا مرزهاي علم گسترش يابد. اين تحقيقات شامل بيوفناوري، علوم احتراق، فيزيك سيالات، فيزيك پايه و علم مواد مي‌شود. در مقابل، هزينه صرف شده براي چنين آزمايش‌هايي در مقايسه با هزينه‌هاي سرسام‌آور سفرهاي فضايي، با توجه به نتايج با ارزش آنها بسيار ناچيز است.

روش‌هاي گوناگوني براي ايجاد بي‌وزني بدون خروج از جوّ زمين وجود دارد. يكي از روش‌هاي كارآمد كاهش وزن، استفاده از پروازهاي گرانش صفر است. در اين نوع پروازها، شرايط بي‌وزني با استفاده از هواپيما و طي مانورهاي سهمي‌شكل ويژه‌اي حاصل مي‌شود. پيش از پرواز، تغييرات لازم در فضاي داخلي هواپيما را جهت انجام مناسب آزمايش‌ها اعمال مي‌كنند. پروازهاي گرانش صفر با توجه به هزينه، مدت زمان ايجاد شرايط بي‌وزني در هر مانور، امكان انجام انواع آزمايش‌ها و ديگر ويژگي‌هاي منحصر به‌فرد، روش بسيار مؤثري براي ايجاد بي‌وزني محسوب مي‌شوند؛ به‌ويژه كه با استفاده از آنها، حتي افراد عادي نيز مي‌توانند شرايط بي‌وزني را تجربه كنند.

بسياري از بازديدكنندگان مراكز فضايي، سراغ اتاق ويژه‌اي را مي‌گيرند كه گرانش در آن با زدن دكمه‌اي ناگهان ناپديد شده و فضانوردان مي‌توانند در محيط آن معلق شوند! حقيقت اين است كه گرانش زمين هيچ‌گاه از بين رفتني نيست. براي كاهش وزن و در نهايت رسيدن به شرايط بي‌وزني، بايد به طريقي بر گرانش زمين غلبه كرد. تجربه بي‌وزني در شرايط گرانش صفر و يا گرانش ناچيز حاصل مي‌شود.

غالباً عبارت گرانش صفر يا گرانش كاهش‌يافته براي توصيف حالت بي‌وزني استفاده مي‌شود، اما در واقع، فرض صفر بودن گرانش از نظر علمي نادرست است. يك فضاپيما و محتوياتش توسط نيروي گرانش سياره‌اي كه به دور آن مي‌چرخند، در مدار خود نگاه داشته مي‌شوند و همگي تقريباً در معرض نيروي گرانش برابري قرار مي‌گيرند.

فلسفه باقي ماندن ماهواره‌ها در مدار اين است كه به دليل چرخش آنها به دور زمين با سرعتي خاص، نيروي گريز از مركز به آنها وارد مي‌شود كه اين نيرو، نيروي گرانش زمين را خنثي مي‌كند. از نظر فيزيكي، عبارت گرانش صفر براي توصيف شرايط سقوط آزاد درون وسايل فضايي واقع در مدار استفاده مي‌شود. البته همان‌گونه كه ذكر شد، گرانش همچنان در فضا وجود دارد و مانع از پرواز آزادانه ماهواره در فضاي تهي بين‌‌سياره‌اي مي‌شود. سرعت مماسي بسيار زياد ماهواره‌ها به آنها اجازه مي‌دهد كه با وجود كشش اجتناب‌پذير به سوي ميدان گرانش زمين، به پايين سقوط نكنند. بنابراين آنچه كه ماهواره‌ها را بالاي زمين نگه‌ مي‌دارد، ناشي از فقدان گرانش نيست بلكه سرعت چرخش فضاپيماست.

عبارت گرانش ناچيز نيز در كنار گرانش صفر به كار مي‌رود، چرا كه بي‌وزني در يك فضاپيما تمام و كمال نيست. دليل خنثي نشدن كامل گرانش در حالت چرخش ماهواره در مدار زمين يا سفر يك فضاپيما را مي‌توان موارد زير ذكر كرد:

· نيروي گرانش براي جرم واحد، به ازاي هر سه متر افزايش ارتفاع تقريباً به ميزان يك ميكرونيوتن كاهش مي‌يابد. اجسامي كه جرم متمركز يا نقطه‌اي ندارند، نيروي كشش متغيري به بخش‌هاي مختلفشان وارد مي‌شود.

· نيروي جانب مركز در فضا‌پيماي واقع در مدار در بخش فوقاني بيشتر از قسمت‌هاي پاييني آن است.

· اشياي رها شده در فضاپيما به سوي متراكم‌ترين بخش فضاپيما سقوط مي‌كنند تا اينكه در نهايت سطوح فضاپيما را لمس كرده، حركتشان متوقف شده و احساس وزن كنند.

· در ارتفاع مداري شاتل فضايي يعني 185 تا 1000 كيلومتر، هوا با وجود اينكه بسيار رقيق است، ولي همچنان باعث كاهش سرعت وسيله بر اثر اصطكاك مي‌شود. از اين نيروي پسآ، به عنوان وزن در راستاي حركت وسيله نام برده مي‌شود. در ارتفاعات بالاتر از 1000 كيلومتر، اين نيرو در مقايسه با اثر بادهاي خورشيدي قابل صرفنظر كردن است.

در سال 2003، علامت گرانش ناچيز به عنوان نشان رسمي مأموريت اس‌تي‌اس-107 شاتل فضايي مورد استفاده قرار گرفت؛ زيرا كه اين مأموريت فضايي به تحقيقات جاذبه ناچيز اختصاص داشت. در داخل فضاپيما، گرانش ناچيز ممكن است در مدت زمان‌هاي طولاني پس از رها شدن سفينه در فضا، به شرطي كه نيروي پيشراني اعمال نشود و فضاپيما در حال چرخش نباشد، روي دهد. اين شرايط هنگامي كه فضاپيما راكت‌هاي خود را روشن مي‌كند و نيروي پيشران بر اثر خروج گازهاي حاصل از احتراق به فضاپيما اعمال مي‌شود، از بين مي‌رود. در چنين شرايطي، گرانش ناشي از شتاب فضاپيما، همه چيز را به سمت نيروي پيشران پرتاب مي‌كند.

با آزمايش بر روي فضانورداني كه براي مدت زمان‌هاي طولاني در ايستگاه‌هاي فضايي زندگي كرده‌اند، به اثبات رسيده است كه شرايط بي‌وزني در بلندمدت مي‌تواند برخي اثرات نامطلوب بر بدن و روان انسان داشته باشد. در حقيقت بدن آدمي با شرايط حاكم روي زمين تطابق كامل پيدا كرده است؛ از اين رو، قرار گرفتن در حالت بي‌وزني باعث تغيير در فعاليت فيزيولوژيكي بدن به صورت موقت يا بلندمدت مي‌شود.

شايع‌ترين حالتي كه انسان در چند ساعت اوليه بي‌وزني تجربه مي‌كند، فضازدگي است. از علايم اين بيماري مي‌توان به حالت تهوع، سرگيجه، سردرد و بي‌حالي اشاره كرد كه اولين بار توسط گرمن تيتوف كيهان‌نورد روس در سال 1961 گزارش شد. از آن تاريخ به بعد، تقريباً در مورد 45 درصد فضانوردان اين حالت مشاهده شده است. مدت اين بيماري در افراد گوناگون متفاوت است، اما معمولاً بيش از 72 ساعت به طول نمي‌انجامد و پس از آن، فرد به شرايط عادت مي‌كند.

در اين ميان، مهم‌ترين اثر نامطلوب قرارگيري بلندمدت در شرايط بي‌وزني، تحليل عضلاني و تضعيف اسكلت استخواني بدن است كه مي‌توان آن را با انجام فعاليت‌هاي ورزشي ويژه در فضا كاهش داد. از ديگر تأثيرات مهم شرايط بي‌وزني مي‌توان به تغيير در توزيع مايعات در بدن، كاهش سرعت گردش خون، كاهش توليد گلبول‌هاي قرمز، از بين رفتن توازن بدن و كاهش قدرت تدافعي اشاره كرد. همچنين گرانش صفر اثرات نامطلوبي بر چشم فضانوردان مي‌گذارد كه از ميان آنها مي‌توان به تورم چشم و افزايش فشار داخل چشم در ساعات اوليه حضور در فضا اشاره كرد. بسياري از اثرات سوء بي‌وزني مشابه اثرات پيري است. بنابراين دانشمندان بر اين عقيده‌اند كه با بررسي شرايط بي‌وزني مي‌توان تأثيرات افزايش سن را شناسايي و در صورت امكان بهبود بخشيد.

روند تضعيف استخوان و كاهش روند استخوان‌سازي در بدن در شرايط گرانش صفر هنوز به طور دقيق شناخته نشده است. اين فرايند در فضا بر روي تمام اندام‌ها به طور يكسان اثر نمي‌گذارد. حتي مشخص شده است كه برخي استخوان‌ها در يك سفر فضايي ممكن است تقويت شوند. در واقع، استخوان‌هايي كه بيشترين فشار ناشي از گرانش را تحمل مي‌كنند، در معرض تضعيف بيشتري قرار دارند. يكي از دلايلي كه جلوگيري از فرايند تحليل رفتن استخوان‌ها را با مشكل مواجه مي‌كند، افت محسوس فشار خون در پاها در شرايط گرانش صفر است.

تحليل رفتن استخوان‌ها اندكي پس از حضور فضانوردان در فضا آغاز مي شود. شرايط ويژه‌اي چون گرانش صفر، نور كم و تجمع درصد بالاي دي‌اكسيدكربن اثرات نامطلوبي بر اسكلت بدن دارد. در چنين شرايطي، نرخ كاهش وزن برخي استخوان‌ها در حدود يك تا دو درصد در ماه، يعني شش برابر نرخ تحليل استخوان‌ها در بدترين حالت بر روي زمين است. تاكنون تمام فضانوردان درصدي كاهش وزن استخوان را پس از بازگشت به زمين تجربه كرده‌اند. در يكي از وخيم‌ترين موارد، ديويد ولف پس از چهار ماه و نيم حضور در ايستگاه فضايي مير، 40 درصد از وزن عضلات و 12 درصد از وزن استخوان‌هاي خود را در برخي اندام‌‌ها از دست داده بود.

در شرايط بي‌وزني، تمهيدات ويژه‌اي مثل ورزش كردن، استفاده از دستگاه‌هاي ارتعاش‌دهنده اندام‌ها با فركانس پايين و يا داروهاي تقويت استخوان آزمايش شده است. در عين حال، تا هنگام كشف روشي مؤثر براي جلوگيري از تضعيف استخوان‌ها و تحليل عضلاني، عملاً سفرهاي بلندمدت سرنشين‌دار مانند سفر به مريخ ميسر نخواهد بود. دانشمندان همچنين در تلاشند تا با به كارگيري روش‌هايي مانند چرخش فضاپيما به دور خود و يا استفاده از تجهيزات مكانيكي پيشرفته، نوعي گرانش مصنوعي در فضاپيما ايجاد كنند تا اثرات سوء بي‌وزني بر بدن فضانوردان به حداقل برسد.

به منظور بهره بردن از مزاياي گوناگون محيط گرانش ناچيز، روش‌هاي مختلفي براي ايجاد اين شرايط وجود دارد. محيط گرانش صفر افزون بر كاربردهاي آموزشي و تجاري، براي انجام آزمايش‌هاي گوناگون، از آزمايش‌هاي فيزيولوژي بر روي بدن انسان گرفته تا تغييرات مولكولي در مايعات، استفاده مي‌شود. مدت زماني كه لازم است تا اين نمونه‌ها‌ در شرايط گرانش صفر قرار گيرند نيز از چند ثانيه تا چند سال ممكن است تغيير كند. زمان لازم براي انجام آزمايش يا فعاليت در شرايط گرانش ناچيز، محل و شيوه ايجاد بي‌وزني را تعيين مي‌كند؛ اگر اين مدت زمان در حد چند ثانيه باشد، از برج‌ها و دالان‌هاي سقوط، هواپيماي گرانش صفر و يا بالون‌ها استفاده مي‌شود. در مواردي كه نمونه‌ها‌ بايد زمان بيشتري را در حالت بي وزني سپري كنند، آزمايش در راكت‌هاي كاوش، شاتل فضايي يا ايستگاه فضايي انجام مي‌شود.

به طور كلي، روش‌هاي ايجاد شرايط گرانش ناچيز را كه با هدف كاربردهاي تحقيقاتي و تجاري توسعه يافته‌اند، مي‌توان به تسهيلات كاهش وزن زميني، پرنده‌هاي هوايي و پرنده‌هاي فضايي دسته‌بندي كرد.

تسهيلات زميني كه توسط آنها امكان كاهش وزن براي مقاصد تحقيقاتي فراهم مي‌شود، به دو دسته كلي برج‌ها و دالان‌هاي سقوط و تسهيلات شناوري خنثي تقسيم مي‌شوند.

الف) برج و دالان‌‌هاي سقوط

ايجاد گرانش ناچيز بر سطح زمين تنها با قرار دادن اجسام در شرايط سقوط آزاد قابل دستيابي است. با استفاده از برج‌هاي سقوط مي‌توان نمونه‌هاي آزمايش را براي چند ثانيه در شرايط بي‌وزني قرار داد. اين روش كم‌هزينه بيشتر براي آزمايش نمونه‌هاي تحت سرمايش و يا در حال جامد شدن استفاده مي‌شود.

تسهيلات تحقيقات گرانش صفر از سال 1966 توسط بخش آزمايش‌هاي فضايي مركز تحقيقات جان گلن ناسا براي محققان علوم و كاربردهاي گرانش ناچيز ناسا اداره مي‌شود. اين تسهيلات منحصر به‌فرد، نقش مهمي را در طراحي، توسعه و آزمايش سخت‌افزارهاي پروازهاي فضايي و همچنين چگونگي تعريف مأموريت‌هاي فضايي ناسا ايفا مي‌كند. بخش‌هاي گوناگون اين مركز شامل برج سقوط داراي محفظه آزمايش، سامانه كنترل و داده‌برداري، دوربين‌هاي عكاسي، سامانه تأمين نيرو براي آزمايش‌ها و امكانات فيلمبرداري است. جدا از تحقيقات ناسا براي توسعه تجهيزات فضايي با كمترين هزينه، كاربردهاي تجاري اين برج در مواردي مانند آزمايش‌هاي مربوط به ذخيره سيالات برودتي، تحقيقات علوم پايه، امكان‌پذيري انجام آزمايش‌هاي گوناگون در شرايط گرانش ناچيز ايستگاه فضايي، طراحي و توسعه تجهيزات فضايي و تحقيق اثرات گرانش ناچيز بر پديده‌هاي فيزيكي مانند احتراق، فيزيك سيالات، زيست‌فناوري و علم مواد انجام مي‌شود.

برج سقوط مركز داراي يك محفظه سقوط خلاء بوده كه در آن مي‌توان وسيله مورد آزمايش را براي مسافت 132 متر، در حدود 18/5 ثانيه در حالت سقوط و بي‌وزني قرار داد. در انتهاي مسير، نمونه آزمايش در تپه‌اي از ذرات پلي‌اسيترن فرو رفته و شتاب بازدارنده‌اي معادل g 65 را تجربه مي‌كند. براي شروع آزمايش در برج‌هاي سقوط، تجهيزات آزمايش را در محفظه آزمايش استوانه‌اي‌شكل قرار مي‌دهند و با مكش هوا در محفظه، خلاء ايجاد مي‌كنند تا اثرات شتاب ناشي از نيروهاي پساي ايروديناميكي كاهش يابد. حين سقوط، دوربين‌هاي داخل محفظه تحولات را ضبط و داده‌هاي اندازه‌گيري‌شده در اختيار آزمايش‌كنندگان قرار مي‌گيرد. در عين حال، از اين فناوري نمي‌توان براي آزمايش بر روي انسان استفاده كرد، چرا كه شتاب بازدارنده در انتهاي مسير مرگ‌آور خواهد بود. بيشترين شتابي را كه يك انسان به طور آني مي‌تواند بدون آسيب تحمل كند، در حدود g 20 است. از ديگر كشورهايي كه داراي تسهيلات سقوط آزاد هستند، مي‌توان به ژاپن، فرانسه و آلمان اشاره كرد.

مركز پروازهاي فضايي مارشال ناسا در هانتسويل آلاباما نيز دالان سقوطي به ارتفاع 105 متر و قطر 4/25 سانتيمتر دارد و مي‌تواند سقوط آزادي 6/4 ثانيه‌اي را در شرايط نيمه‌خلاء فراهم سازد. براي آزمايش‌هاي جامدشوندگي مواد، ابتدا با بمباران الكتروني يا كوره الكترومغناطيس، نمونه را ذوب كرده و سپس در دالان رها مي‌كنند.

در ژاپن، يك لوله حفاري 490 متري تبديل به يك دالان سقوط شده كه شرايطي با گرانش ^5-10 برابر گرانش زمين را براي 10 ثانيه فراهم مي كند.

ب) شناوري خنثي

كاهش وزن را همچنين مي‌توان با استفاده از شناوري خنثي شبيه‌سازي كرد. در اين فناوري، انسان و تجهيزات در آب و در حالت شناوري قرار داده مي‌شوند. ناسا در آزمايشگاه‌هاي خود از شناوري خنثي براي تحقيق و آزمايش در مورد فعاليت‌هاي بيرون از فضاپيما مثل راهپيمايي فضايي استفاده مي‌كند. اين روش يكي از شيوه‌هاي اصلي آموزش و آماده‌‌سازي فضانوردان براي حضور در شرايط بي‌وزني در مأموريت‌هاي فضايي سرنشين‌دار است. در واقع، موفقيت در يك عمليات راهپيمايي فضايي تا حد زيادي به تمرين‌هاي پيش از پرتاب فضانوردان در شرايط بي‌وزني به‌ويژه در آزمايشگاه‌هاي شناوري خنثي بستگي دارد. گرچه تمرين در استخرهاي آب زميني دو تفاوت عمده با شرايط بي‌وزني در فضا دارد. اول اينكه در شناوري خنثي، فضانوردان در شرايط بي‌وزني كامل نيستند و در لباس‌هاي ويژه، وزن خود را همچنان احساس مي‌كنند. مورد دوم به نيروي پساي آب و مقاومت آن در برابر حركت بازمي‌گردد كه برخي فعاليت‌ها آسان‌تر و برخي را سخت‌تر مي‌كند.

اين آزمايش‌ها همچنين در آزمايشگاه سيستم‌هاي فضايي دانشگاه مريلند انجام مي‌شود كه تنها دانشگاه دارنده فناوري شناوري خنثي در جهان است. در برنامه‌هاي تجاري نيز كه توسط شركت اسپيس‌ادونچر با مسئوليت محدود عرضه مي‌شود، علاقه‌مندان مي‌توانند زير نظر كارشناسان، چگونگي يك راهپيمايي فضايي را در استخرهاي مخصوص تجربه كنند.

مهم‌ترين روش‌هاي ايجاد شرايط گرانش ناچيز بدون ورود به مرز فضا، به ويژه در مواردي كه حضور انسان در محل آزمايش ضروري است، با استفاده از هواپيماها انجام مي‌شود. در اين ميان، بالون‌هاي مخصوص هم براي شبيه‌سازي بي‌وزني در حال توسعه هستند.

الف) بالون‌هاي گرانش ناچيز

در مركز فضايي مارشال ناسا امكان استفاده از يك كپسول سقوط مجهز به پيشرانه كه براي ايجاد شرايط گرانش صفر از يك بالون رها مي‌شود نيز بررسي شده است. مطالعات تجربي نشان داده است كه كپسولي كه از ارتفاع 40 كيلومتري سطح زمين رها شود، مي‌تواند در حدود 20 ثانيه شتابي معادل ^3-10 برابر گرانش زمين را فراهم سازد. تحقيقات بعدي نشان داد كه اگر كپسول مجهز به پيشرانه باشد، غلبه بر نيروي ناشي از پساي هوا باعث مي‌شود تا شرايط گرانش ناچيز در كپسول به ^6-10 برابر گرانش زمين براي مدت 50 ثانيه بهبود يابد. در نهايت كپسول با چتر بر زمين فرود مي آيد.

ب) پروازهاي گرانش صفر

اگر براي انجام برخي آزمايش‌ها و فعاليت‌ها، قرارگيري در شرايط گرانش ناچيز در بازه‌هاي زماني كوتاه‌مدت كافي باشد، پروازهاي گرانش صفر به عنوان كارآمدترين روش پيشنهاد مي‌شود. با به‌كارگيري هواپيما و انجام مانورهاي ويژه‌اي مي‌توان شرايط گرانش ناچيز را ايجاد كرد. اين نوع كاهش وزن، پروازهاي گرانش صفر خوانده مي‌شوند. اگرچه هواپيماها نمي‌توانند شرايط گرانش ناچيز را به كيفيت برج‌ها و دالان‌هاي سقوط ايجاد كنند، مزيت آنها اين است كه آزمايش‌كنندگان مي‌توانند خود به انجام آزمايش بپردازند.

هواپيماهاي ويژه پروازهاي گرانش صفر، هواپيماهايي چون ايرباس A-300 و KC-135 بوئينگ هستند كه در فضاي داخلي آنها به منظور انجام آزمايش در شرايط بي‌وزني، تغييرات لازم داده شده است. چنين پروازهايي 2 تا 3 ساعت به طول مي انجامد.

هواپيماهاي گرانش صفر مي‌توانند با انجام مانورهايي سهمي‌وار، شتاب گرانش را براي مدت كوتاهي به حداقل برسانند. در بخش سوم، اين نوع پروازها به تفصيل شرح داده مي‌شوند.

براي انجام آزمايش‌هاي بلندمدت بايد به فضا سفر كرد. زمان بي‌وزني بيشتر، به آزمايش‌كنندگان اجازه مي‌دهد تا فرايندهاي با سرعت واكنش كمتر و اثرات نامحسوس را بررسي كنند. فضاپيماها را مي‌توان آزمايشگاه‌هاي مناسبي براي تحقيقات گرانش صفر محسوب كرد كه در آنها محققان خود مي‌توانند شخصاً به انجام آزمايش بپردازند. آزمايش‌هايي كه تا حدود دو هفته به طول مي‌انجامد را مي‌توان در شاتل فضايي انجام داد. در ايستگاه فضايي بين‌المللي نيز يك آزمايشگاه گرانش ناچيز منحصر به‌فرد ساخته شده است.

الف) راكت‌هاي كاوش

راكت‌هاي كاوش زيرمداري با طي مسيري سهمي‌وار قادر به ايجاد چند دقيقه سقوط آزاد و حالت بي‌وزني هستند. شتاب در اين حالت كمتر از ^5-10 برابر گرانش زمين است. ناسا هم‌اكنون از بيش از 14 نوع متفاوت راكت كاوش براي تحقيقات گوناگون خود استفاده مي‌كند. اين راكت‌ها مي‌توانند محموله‌هايي را تا ارتفاعي مابين 50 كيلومتر تا بيش از 1200 كيلومتر حمل كنند. مدت زمان بي‌وزني در اين راكت‌ها با توجه به عملكرد راكت ممكن است تا چند دقيقه طول بكشد. به عنوان مثال، راكت بلك برانت9 مي‌تواند تا 7 دقيقه شرايط گرانش صفر را فراهم آورد. از ديگر راكت‌هاي معروف ناسا، مي‌توان به راكت اسپار اشاره كرد كه عموماً براي بررسي و تحقيق فيزيك سيالات، پخش مايعات و تجزيه الكتريكي استفاده مي‌شود. اين راكت مي‌تواند محموله‌هايي با وزن 300 كيلوگرم را براي چهار تا شش دقيقه در شرايط بي وزني قرار دهد. هزينه كم و امكان بازيافت محموله‌ها از مزاياي اين روش محسوب مي‌شود.

ب) پرنده‌هاي آزاد

مركز پروازهاي فضايي گودارد آمريكا مجموعه ماهواره‌هاي پرنده آزاد اسپارتان را اداره مي‌كند. اين نوع ماهواره‌ها مي‌توانند محموله‌هايي را از چند روز تا يك سال در مدار تحت شرايط گرانش صفر قرار دهند. از ديگر پرنده‌هاي آزاد موجود مي‌توان به ماهواره حامل قابل‌بازيافت اروپا (يوركا) متعلق به آژانس فضايي اروپا (ايسا) اشاره كرد كه مي‌توان آن را به عنوان يك سامانه حامل خودكار با شاتل به مدار حمل و سپس بازيافت نمود. يوركا يك فضاپيما با توانايي حضور بلندمدت در فضا (بين 6 تا 9 ماه) است كه امكان تأمين نيرو، كنترل حرارتي و ارسال داده از محموله را نيز فراهم مي‌كند. اين فضاپيما، به هنگام پرواز آزاد از مركز كنترل ايسا در آلمان هدايت مي‌شود. اين فضاپيما اولين پرواز خود را در ژوئيه 1992 با مأموريت اس‌تي‌اس-46 شاتل انجام داد و يك سال بعد با مأموريت اس‌تي‌اس-57 به زمين بازگردانده شد.

ج) شاتل فضايي

شاتل فضايي سابقه زيادي در پرتاب نمونه‌هاي آزمايشي حساس به گرانش به مدارهاي كم‌ارتفاع زمين دارد. اين آزمايش‌ها ممكن است بين چند روز تا دو هفته طول بكشد. معمولاً پيش از پرتاب شاتل، نمونه‌ها در پروازهاي گرانش صفر هواپيماي KC-135 ناسا آزمايش مي‌شوند.

د) ايستگاه‌هاي فضايي

آزمايش‌هاي طولاني‌مدت در شرايط گرانش ناچيز در ايستگاه فضايي بين‌المللي انجام مي‌شود. در اين ايستگاه‌ها، امكان دخالت مستقيم انسان در آزمايش نيز وجود دارد. تأثير بلندمدت حضور در فضا و شرايط گرانش ناچيز را تنها بر روي فضانوردان خدمه ايستگاه مي‌توان تحقيق كرد.

در جدول 1، تسهيلات مختلف ايجاد بي‌وزني مقايسه شده است.

جدول 1: مقايسه تسهيلات گوناگون ايجادكننده شرايط گرانش ناچيز

پرواز گرانش صفر، كه با عنوان پرواز سهموي يا خط سير كپلري نيز شناخته مي‌شود، پروازي است كه با استفاده از هواپيماهايي خاص با اندكي تغييرات داخلي تحت پروفيل پروازي ويژه‌اي صورت مي‌گيرد. اين نوع پروازها در دهه 50 ميلادي شناخته شدند. در آن زمان، خلبانان هواپيماهاي جنگنده به تفاوت شرايط و سختي حركت طي برخي مانورها پي برده بودند. به همين دليل، براي امنيت بيشتر، حضور همزمان دو خلبان در پروازها به عنوان استاندارد مطرح شد. ظهور پروازهاي فضايي سرنشين‌دار، به استفاده از پروازهاي گرانش صفر پيش از پرتاب به منظور آشنايي فضانوردان با شرايط بي‌وزني و چگونگي اقامت در ايستگاه‌هاي فضايي انجاميد. اين پروازها همچنين بهترين شرايط را براي آزمايش تجهيزاتي است كه قرار است به ايستگاه فضايي پرتاب شود، فراهم مي‌آورد.

هواپيماهاي گرانش صفر با انجام مانورهاي سهموي قادرند حدود 20 تا 30 ثانيه حالت بي‌وزني در داخل هواپيما ايجاد كنند تا دانشمندان بتوانند به تحقيقات و آزمايش‌هايي كه امكان انجام آنها بر روي زمين نيست، بپردازند. در هر مانور، پيش از آغاز شرايط بي‌وزني و پس از آن، شخص مدتي را در شرايط گرانش زياد (5/1 تا 8/1 برابر شتاب جاذبه زمين) سپري مي‌كند. خلبان يك هواپيماي گرانش صفر، تنها با بهره‌گيري از حس خود و ابزارهاي دقيق متعارفي مانند شتاب‌سنج مي‌تواند مانورهاي ويژه پروازي را براي ايجاد شرايط گرانش صفر يا ناچيز انجام دهد.

اين نوع پرواز، تنها روش زيرمداري است كه مي‌توان تحت آنها، شرايط بي‌وزني را به منظور انجام تحقيقات بر روي انسان، حتي در مورد افراد عادي كه فضانورد نيستند، در راستاي مطالعات فضايي و يا با اهداف تجاري ايجاد كرد.

پرواز گرانش صفر را مي‌توان فرصتي ايده‌آل و كم‌هزينه براي تحقيقات و آزمايش‌هاي مقدماتي يك سفر بلندمدت فضايي و همچنين تجربه‌اي هيجان‌انگيز براي افراد عادي دانست. در حقيقت، پروازهاي گرانش صفر تنها روش عملي تجربه شرايط بي‌وزني براي انسان بدون حضور در فضاست. در طول اين پروازها، شركت‌كنندگان قادر خواهند بود حس گام برداشتن نيل آرمسترانگ بر روي سطح ماه را تجربه كنند. همچنين مي‌توانند تجربه گام برداشتن بر روي مريخ را حتي پيش از آنكه انساني روي اين سياره قدم گذاشته باشد، كسب كنند. اگرچه مدت بي‌وزني در هر مانور نسبتاً كم است، ولي عموماً عمليات پروازي به تنها يك مانور ختم نمي‌شود. به عنوان مثال، عمليات پرواز گرانش صفر آژانس فضايي اروپا (ايسا) كه با هواپيماي ايرباس A-300 انجام مي‌شود، شامل سه پرواز (كه معمولاً در سه روز انجام ‌مي‌شود) هريك با 31 مانور سهمي‌گون است.

زمينه‌هاي گوناگون تحقيقاتي كه عموماً در پروازهاي گرانش صفر مورد آزمايش و بررسي قرار مي‌گيرد، شامل موارد زير است:

- مفاهيم فيزيك پايه: بررسي حركت ذرات، فيزيك پلاسما، پديده تراكم و غيره

- علم مواد: مطالعه خواص ترموفيزيكي، شيمي‌فيزيك، مواد دانه‌اي و غيره؛ مانند آزمايش قالب‌ريزي و ساخت بتن در شرايط گرانش ناچيز با چشم‌انداز زندگي در مريخ

- بيولوژي: تحقيق در مورد فيزيولوژي گياهان و حيوانات، ويژگي سلول‌هاي انساني و غيره

- احتراق و ديناميك سيالات: مطالعه پديده پاشش سوخت، تشكيل دوده، فرايند احتراق، تبخير سوخت، انتقال حرارت، ديناميك قطرات، فرايند پخش و غيره

- فيزيولوژي بدن: بررسي عملكرد سيستم گردش خون، سيستم تنفس، سيستم گوارش، سيستم اعصاب، سيستم حركتي و غيره

- فناوري: تست ابزارهاي فضايي، تحقيق دوباره آزمايش‌هاي انجام گرفته در ايستگاه فضايي بين‌المللي، فناوري جدايش فازها، تجهيزات گوناگون فضانوردان، دستگاه‌هاي نشان‌دهنده وضعيت فضانوردان و غيره؛ مانند آزمايش ربات هدايت‌شونده ويژه فعاليت‌هاي مداري خارج از فضاپيما.

از پروازهاي گرانش صفر در صنعت فيلم‌سازي هم استفاده مي‌شود؛ به عنوان مثال، نماهاي بي‌وزني در فيلم آپولو 13 و مجموعه فيلم‌هاي ماتريكس، در هواپيماي گرانش صفر فيلمبرداري شده است.

تعدادي از هواپيماهايي كه براي پروازهاي گرانش صفر مورد استفاده قرار مي‌گيرند، به شرح زير هستند:

KC-135 و DC-9 ناسا

هواپيماي KC-135 گرانش صفر ناسا، كه با عنوان شهاب مهوّع نيز خوانده مي‌شود، شكل تغييريافته (بدون مخزن) هواپيماهاي بوئينگ 707 (يك توربوجت چهار موتوره) است. پايگاه پروازي اين هواپيماها در مركز فضايي ليندون جانسون آمريكا قرار دارد. پروفيل پروازي اين هواپيما به صورت منحني‌هاي سهمي‌گون به مسافت 6 مايل همراه با صعود و شيرجه است، به طوري كه نيروي پيشرانش هواپيما برابر با نيروي پسآي هوا باشد. در اين حالت، شخص در داخل هواپيما حدود 25 ثانيه احساس بي‌وزني مي‌كند. نوعاً يك چنين عمليات پروازي شامل بيش از 40 مانور سهمي‌گون بوده و حدود دو ساعت به طول مي‌انجامد.

ناسا در راستاي طرح فرصت‌هاي پروازي دانش‌آموزي گرانش كاهش‌يافته، جمعي از دانشجويان را براي پرواز با هواپيماي مكدانل داگلاس DC-9 تغييريافته خود (جايگزين جديد KC-135) با عنوان اعجوبه بي‌وزني برگزيد. اين برنامه كه از 1995 هر سال يك‌بار برگزار مي‌شود، به گروه‌هاي دانشجويي امكان تحقيق، طراحي، ساخت، آزمايش و ارزيابي ايده‌هاي مرتبط با شرايط گرانش صفر را مي‌دهد. سالانه حدود 50 گروه از ميان صدها طرح پيشنهادي براي شركت در پروازهاي گرانش صفر دانش‌آموزي ناسا انتخاب مي‌شوند.

پس از انتخاب طرح‌هاي برگزيده، از گروه‌هاي پيشنهاددهنده دعوت مي‌شود تا طرح‌هاي آزمايشي خود را با پرواز در هواپيماي گرانش صفر ناسا عملي كنند. بدين ترتيب هر گروه در هر پرواز، 32 مانور 18 تا 25 ثانيه‌اي فرصت دارد تا به آزمايش طرح‌هاي خود در شرايط گرانش ناچيز بپردازند. طرح‌هاي پيشنهادي توسط گروه‌هاي دانشجويي در چنين برنامه‌هايي، بيشتر در زمينه پيشرانش، هوانوردي، بيولوژي، داروسازي و مخابرات است. برنامه‌هاي گرانش صفر مشابهي توسط آژانس فضايي اروپا (ايسا) و سازمان فضايي ژاپن (جاكسا) و آژانس توسعه فناوري و علوم ملي تايلند نيز براي علاقه‌مند كردن دانش‌آموزان و دانشجويان به مباحث فضا دنبال مي‌شود.

(Ilyushin-76) آژانس فضايي روسيه

هواپيماي تغييريافته IL-76 MDK به منظور ارائه خدمات تجاري پرواز گرانش صفر توسط آژانس فضايي روسيه استفاده مي‌شود. اين هواپيما به خاطر فضاي داخلي بزرگ خود شهرت دارد و تنها 15 نفر براي هر پرواز انتخاب مي‌شوند. از اين رو، فضاي زيادي براي هر فرد جهت تجربه بي‌وزني وجود خواهد داشت. اگرچه IL-76 MDK براي راحتي مسافر طراحي نشده است، اما اين دقيقاً همان هواپيمايي است كه براي آموزش كيهان‌نوردان استفاده مي‌شود. افراد سالم و با حداقل سن 16 سال، با هزينه‌اي معادل 6500 دلار مي‌توانند در اين نوع پروازهاي شركت كنند. شركت اسپيس‌ادونچر پروازهاي گرانش صفر خود را با اهداف تجاري با استفاده از هواپيماي IL-76 MDK انجام مي‌دهد.

- شركت اسپيس ادونچر

شركت اسپيس‌ادونچر با مسئوليت محدود، شركتي پيشرو در امور فضايي است كه در 1998 توسط گروهي از متخصصان گردشگري و هوافضايي تأسيس شد. اين شركت خصوصي كه دفتر مركزي آن در واشنگتن آمريكا است، دفاتري در 50 شهر از جمله مسكو، توكيو و فلوريدا دارد. اسپيس‌ادونچر با طراحي مجموعه‌اي از مأموريت‌هاي فضايي موفق با سرمايه‌گذاري بخش خصوصي، به دنبال توسعه تجاري صنعت بهره‌برداري تجاري از فضا است. مجموعه فعاليت‌هاي فضايي اين شركت شامل پروازهاي گرانش صفر، آموزش كيهان‌نوردان و همچنين پرتاب‌هاي فضايي است. اولين گردشگر فضايي، دنيس تيتو، به همراه ديگر گردشگران فضايي جهان، همه به لطف فعاليت‌هاي شركت اسپيس‌ادونچر توانستند به آرزوي خود براي حضور در فضا دست يابند. اين شركت يكي از سرمايه‌گذاران اصلي شركت زيرو-جي است. در سال 2005، اسپيس‌ادونچر از آغاز تحقيقات خود براي بررسي امكان پرتاب‌هاي تجاري به ماه خبر داد. برنامه‌هاي آموزشي- فضايي اين شركت عبارتند از:

گواهينامه پرواز مداري مقدماتي: در اين برنامه دو هفته‌اي، آموزش‌هاي حضور در فضا شامل پروازهاي گرانش صفر، تمرين در دستگاه گريز از مركز، شناوري خنثي و آزمايش‌هاي پزشكي به شركت‌كنندگان عرضه شده و در پايان، گواهينامه رسمي آژانس فضايي فدرال روسيه به افرادي كه با موفقيت دوره را پشت سر بگذارند، اعطا مي‌شود.

تجربه شبيه‌سازي سفر فضايي: در اين دوره، شركت‌كنندگان مي‌توانند برخي شرايط و فعاليت‌هاي فضانوردان در فضا را مانند شرايط بي‌وزني (با حضور در پروازهاي گرانش صفر هواپيماي ايليوشين-76) و راهپيمايي فضايي در يك لباس واقعي فضانوردي تجربه كنند. اين شبيه‌سازي در مجموعه استارسيتي در نزديكي مسكو، همان تسهيلاتي كه كيهان‌نوردان و خلبانان نظامي در آن دوره‌هاي آموزشي تخصصي مي‌گذرانند، انجام مي‌شود از مسكو تا استارسيتي يك ساعت راه است و در گذشته، تسهيلاتي كاملاً سري حتي براي بخش اعظمي از نيروهاي نظامي محسوب مي‌شده است.

برنامه‌هاي پروازهاي فضايي اسپيس‌ادونچر نيز از قرار زير است:

پروازهاي زيرمداري: اين برنامه شامل 90 دقيقه پرواز زيرمداري در سيستم ترابري زيرمداري اكسپلورر تا ارتفاع 100 كيلومتري سطح زمين است. با خاموش شدن موتورهاي اكسپلورر در بالاترين ارتفاع، مسافران مي‌توانند تا پنج دقيقه شرايط بي‌وزني را تجربه كنند. شركت‌كنندگان همچنين يك دوره چهار روزه آماده‌سازي پيش از پرواز خواهند گذراند.

پروازهاي مداري: اسپيس ادونچر، تنها شركت ارائه‌كننده پروازهاي تجاري به ايستگاه فضايي بين‌المللي است. متقاضيان، در مركز آموزش كيهان‌نوردي يوري گاگارين در استارسيتي روسيه آموزش‌هاي لازم فضانوردي را ديده و با فضاپيماي سايوز و فعاليت‌هاي گوناگون فضانوردان در ايستگاه فضايي آشنا مي‌شوند. پس از انجام پرتاب‌هاي شبيه‌سازي شده و تأييد صلاحيت پروازي، مسافران از مركز فضايي بايكونور به سوي ايستگاه پرتاب مي‌شوند. بدين ترتيب، هر گردشگر فضايي مي‌تواند هشت روز را در ايستگاه فضايي بين‌المللي سپري كند و با سرعتي حدود 26720 كيلومتر در ساعت به دور زمين بچرخد.

- برنامه كاوش در اعماق فضا (دي‌اس‌ئي): دي‌اس‌ئي-آلفا، اولين سري مأموريت‌هاي جديد كاوش در اعماق فضاي شركت اسپيس‌ادونچر است كه با همكاري آژانس فضايي فدرال روسيه و شركت فضايي- موشكي انرگيا قرار است تا سال 2011 به مرحله اجرا درآيد. اين برنامه شامل سفر به ماه با استفاده از فضاپيماي سايوز به خلباني يك كيهان‌نورد روسي است كه به شركت‌كنندگان امكان تجربه شرايط بي‌وزني، مشاهده زمين از فاصله 250،000 كيلومتري و ديدن ماه از نمايي بسيار نزديك را خواهد داد.

)

شركت زيرو-جي پس از ارزيابي‌هاي كارشناسانه، هواپيماي ترابري بوئينگ 200-727 را براي خدمات پروازي گرانش صفر خود برگزيد. اين هواپيما از ميان هواپيماهاي بوئينگ707، 737، 757 و دي‌سي-9 به دليل برخي خصوصيات برتر از جمله موتورهاي متصل به بدنه، دم تي‌شكل و انطباق با استانداردهاي اداره هوانوردي فدرال آمريكا (اف‌اي‌اي) در مورد ميزان توليد صدا انتخاب شد. مجموعه اين عوامل، امكان پروازي نرم و آرام را حين مانورهاي سهموي فراهم مي‌سازد. بوئينگ 727 خود يكي از پرفروش‌ترين هواپيماهاي توليدشده توسط شركت بوئينگ بوده است، به طوري كه تعداد 1800 فروند از اين هواپيما بين سال‌هاي 1962 تا 1984 در خطوط هوايي جهان به‌كار گرفته شد. بوئينگ 727 اولين جت سه‌موتوره استفاده‌شده در خطوط هوايي خصوصي است و طي 30 سال اول ظهور هواپيماهاي جت مسافربري، مقام نخست فروش را داشته است. توليد اين هواپيما بيش از 24 سال، از اوايل دهه 60 ميلادي تا اوت 1984، ادامه داشت. به هنگام تحويل آخرين فروند 727 توسط شركت بوئينگ، ناوگان متشكل از اين هواپيما حدود 13 ميليون مسافر را در ماه جابجا مي‌كرد. بوئينگ 727 نيز مانند ديگر هواپيماهاي شركت بوئينگ، با توجه به نياز بازار به مرور تكامل يافت. پس از فروش 407 فروند از سري 100 اين نوع هواپيما، سري 200سي با تغيير در درب جانبي اصلي وارد بازار شد. امروزه با گسترش پروازهاي گرانش صفر در سطح جهان، بوئينگ 727 به عنوان هواپيمايي قابل‌اطمينان و با توانايي‌هاي بالا، جايگاهي دايمي را به خود اختصاص داده است.

هواپيماي گرانش صفر شركت زيرو-جي كه به جي-فورس-وان شهرت يافته، داراي يك درب بزرگ ورود بار است و محفظه داخلي آن به طول 70 پا، فضاي مناسبي را در اختيار مسافران براي انجام حركات آكروباتيك قرار مي‌دهد. شركت زيرو-جي براي تجهيز و آماده‌سازي هواپيماي بوئينگ خود براي پروازهاي گرانش صفر، با اف‌اي‌اي همكاري نزديك داشته است. مهم‌ترين تغيير در بوئينگ 727، ارتقاي سيستم هيدروليك هواپيما بوده كه در كنار افزودن شتاب‌سنج‌هاي ويژه در كابين خلبان، امكان استفاده پيوسته از فشار هيدروليك را فراهم آورده است.

جي-فورس-وان، از نظر اندازه و ظرفيت تقريباً مشابه هواپيماي گرانش صفر KC-135 ناسا است. مشخصات پروازي آن نيز مشابه پروفيل پروازي KC-135 است. در عين حال، جي-فورس-وان يك هواپيماي تجاري و KC-135 يك هواپيماي نظامي است. موارد كاربرد پروازهاي گرانش صفر شركت زيرو-جي ممكن است تفريحي يا تحقيقاتي باشد.

فضاي داخلي جي-فورس-وان به دو بخش تقسيم مي‌شود. بخش انتهايي هواپيما داراي صندلي و براي نشستن 30 مسافر و خدمه با رعايت استانداردهاي اف‌اي‌اي (اكسيژن در مواقع اضطراري، نور هدايتگر خروج، ...) طراحي شده است. بخش جلوتر نيز با طول حدود 60 پا، بخش شناوري خوانده مي‌شود. در پروازهاي تجاري گرانش صفر، كف اين بخش با لايه‌هاي 5/1 اينچي ويژه جذب ضربه مورد تأييد اف‌اي‌اي پوشانده مي‌شود. اما در پروازهاي تحقيقاتي و يا ويژه فيلمبرداري، تجهيزات مخصوص آزمايش يا فيلمبرداري در اين بخش نصب مي‌شود.

شركت زيرو-جي براي راحتي و انعطاف‌پذيري، از چارچوب‌هاي مخصوصي درون هواپيما استفاده مي‌كند. چهار چارچوب داراي صندلي در عقب و هشت چارچوب با توجه به نياز مشتري و نوع استفاده از پرواز گرانش صفر در جلو قرار داده مي‌شود. شش دوربين ويدئويي نيز در كابين تعبيه شده تا تمام مراحل پرواز داخل هواپيما ضبط كنند. جي-فورس-وان مي‌تواند در هر پرواز، 27 مسافر را براي تجربه بي‌وزني همراه داشته باشد.

- شركت زيرو-جي

شركت آمريكايي زيرو گراويتي (زيرو-جي) در آمريكا، اولين و تنها شركت تأييدشده توسط اداره هوانوردي فدرال آمريكا (اف‌اي‌اي) براي ارائه خدمات پرواز در حالت بي‌وزني است. اين شركت، يك شركت خصوصي پيشرو در بخش فضا و گردشگري فضايي است كه در راستاي گسترش و عمومي‌سازي استفاده از فضا فعاليت مي‌كند. در حقيقت، هدف اصلي شركت زيرو-جي فراهم آوردن امكان تجربه فضا براي همگان به طور ايمن، لذت‌بخش و ارزان است. پروازهاي گرانش صفر شركت زيرو-جي با عنوان تجربه زيرو-جي براي عموم از سپتامبر 2004 آغاز شد و اين شركت تاكنون بيش از 100 پرواز گرانش صفر با بيش از 2500 مسافر 12 تا 85 سال با موفقيت به انجام رسانده است. اين پروازهاي مشابه پروازهايي است كه ناسا در چهل سال گذشته براي آموزش فضانوردان ترتيب داده است.

يكي از شركاي تجاري شركت زيرو-جي در پروژه پروازهاي گرانش صفر، شركت اَمريجت اينترنشنال در فورت لادرديل آمريكا است. پروازهاي گرانش صفر زيرو-جي با هواپيماي جي-فورس-وان براي افراد عادي، صنايع فيلم‌سازي، موسسات تحقيقاتي- آموزشي و سازمان‌هاي دولتي انجام مي‌شود. دفتر مركزي شركت زيرو-جي در فورت لادرديل فلوريدا قرار دارد.

شركت زيرو-جي با همكاري مراكز گوناگون به برگزاري پروازهاي گرانش صفر براي معلمان و هيأت‌هاي علمي نيز اقدام كرده است. اين برنامه‌ها با هدف علاقه‌مند كردن آموزگاران و به تبع آن، دانش‌آموزان و دانشجويان به مباحث فضا صورت گرفته است. شركت‌كنندگان در هر پرواز گرانش صفر، به سه گروه تقسيم مي‌شوند كه هر گروه را يكي از مربيان زيرو-جي هدايت مي كند.

در آوريل سال 2007، شركت زيرو-جي با همكاري اسپيس فلوريدا و شركت شارپر ايميج، براي فيزيكدان و كيهان‌شناس معروف، پروفسور استفان هاوكينگ امكان تجربه بي‌وزني در هشت مانور سهموي پرواز گرانش صفر را فراهم كردند. اين اقدام پس از اخذ گواهينامه اف‌اي‌اي براي انجام پرواز گرانش صفر ويژه معلولين صورت گرفت. زيرو-جي با انجام اين پرواز عملاً ثابت كرد كه امروزه همگان مي‌توانند پروازهاي گرانش صفر را تجربه كنند. شركت زيرو-جي همچنين در اين پرواز، دو صندلي نيز به مراكز خيريه اختصاص داد تا آنها را به مزايده گذاشته و درآمد آن را صرف امور خيريه كنند.

اخيراً اين شركت رسماً پرتاب‌هاي تجاري منظم خود را از پايگاه هوايي فرودگاه بين‌المللي مك‌كارن آمريكا آغاز كرده است. هر پرواز گرانش صفر شركت زيرو-جي، شامل 15 مانور سهموي در ارتفاع 24000 تا 34000 پايي بوده و تقريباً 90 دقيقه طول مي‌كشد. از 15 مانور هر پرواز، دو مانور شبيه‌سازي محيط مريخ با يك‌سوم گرانش زمين، سه مانور شبيه‌سازي محيط ماه با يك‌ششم نيروي گرانش زمين و 10 مانور با گرانش صفر و بي‌وزني كامل انجام مي‌شود.

پيش از پرواز گرانش صفر، جلسات آموزشي و تمريني براي آشنايي فرد با شرايط بي‌وزني و آمادگي او جهت جلوگيري از به وجود آمدن حالت تهوع حين پرواز برگزار مي‌شود. شركت زيرو-جي تلاش كرده است تا هزينه اين نوع پروازها را براي عموم مردم به حداقل برساند. در حال حاضر، اين هزينه براي هر پرواز به همراه آموزش‌هاي پيش‌پروازي، 2950 دلار است. در مقابل، شركت‌هاي تجاري ديگر آمريكا كه در روسيه خدمات پرواز گرانش صفر ارائه مي‌دهند، براي يك تور چهار روزه 6500 تا 7000 دلار طلب مي‌كنند. در حال حاضر، حداقل سن براي شركت در برنامه‌هاي پروازي شركت زيرو-جي، 12 سال است.

فيلم كوتاه پرواز گرانش صفر شركت زيرو-جي (حدود 2 مگابايت)

A-300 ايسا

آژانس فضايي اروپا (ايسا) از سال 1997، با استفاده از هواپيماي تغيير داده شده ايرباس A-300 و با مشاركت شركت دولتي نوواسپيس فرانسه به ارائه خدمات پروازهاي گرانش صفر براي كاربردهاي تحقيقاتي از فرودگاه بين‌المللي بوردو-مريگناك مي‌پردازد. عمليات پروازي گرانش صفر ايسا شامل سه پرواز در سه روز پياپي است كه در هر يك حدود 30 مانور سهمي‌گون انجام مي‌شود. در هر مانور نيز حدود 20 ثانيه شرايط گرانش صفر حاصل مي‌شود. بدين ترتيب، مجموعاً مي‌توان حدود 10 دقيقه حالت بي‌وزني را در هر پرواز تجربه كرد.

اولين پرواز گرانش صفر ايسا در سال 1984 با استفاده از هواپيماي KC-135 ناسا در هيوستون تگزاس انجام شد و تا مارس سال 2006، ايسا 43 عمليات پروازي گرانش صفر را ترتيب داده است. ديگر هواپيماهايي كه ايسا در اين نوع مأموريت‌ها استفاده مي‌كند، Ilyushin Il-76 MDK روسيه، Caravelle فرانسه و Cessna Citation II هستند.

ايسا اردوهاي پرواز گرانش صفر خود را با حضور گروه‌هايي از دانشمندان سراسر اروپا برگزار مي‌كند. در اين برنامه، دانشمندان و محققان مي‌توانند طي سه روز آزمايش‌هاي خود را در زمينه بي‌وزني در هواپيماي ايرباس A300 به انجام برسانند. اين پروازها به صورت سالانه براي گروه‌هاي دانشجويي نيز برگزار مي‌شود تا بتوانند ضمن تجربه شرايط منحصربه‌فرد بي‌وزني، آزمايش‌هاي پيشنهادي خود را نيز بررسي كنند. يكي از آزمايش‌هاي دانشجويان در اين پروازها، در مورد خرچنگ‌ها انجام شده است؛ به اين دليل كه ثابت شده است اندام تعادلي خرچنگ‌ها بسيار مشابه انسان و ديگر مهره‌داران بوده و با استفاده از ادوات ابتدايي مي‌توان سيگنال‌هاي حركتي آنها دريافت كرد و سپس نتايج را به رفتار حركتي و تعادلي انسان در شرايط گرانش ناچيز تعميم داد.

A-300 و مانورهاي گرانش صفر آن

براي آماده‌سازي يك هواپيما جهت انجام پروازهاي گرانش صفر، بايد تغييراتي در ساختار داخلي هواپيما داده شود. برخي از مشخصات اصلي هواپيماي A-300 ويژه پروازهاي گرانش صفر كه توسط ايسا و شركت نوواسپيس فرانسه اداره مي‌شود، به قرار زير است:

· نوع هواپيما: هواپيماي تغييريافته دو موتوره ايرباس A-300؛

· وزن: حدود 145 تن؛

· طول كل: 54 متر؛

· دهانه بال: 44 متر؛

· قطر بدنه: 64/5 متر؛

· فضاي كل داخلي: 300 متر مكعب؛

· ابعاد محدوده در نظر گرفته براي آزمايش: 3/2×5×20 متر؛

· فضاي داخلي آزمايش: 230 متر مكعب؛

· تعداد مسافر: 40 نفر؛

· در ديواره‌ها، كف و سقف داخل هواپيما پوشش‌هاي ويژه براي جلوگيري از آسيب تعبيه مي‌شود؛

· فضاي داخلي با لامپ‌هاي نئون پشت سر هم، روشن مي‌شود؛

· داراي شش درب خروجي كه تنها دو درب براي استفاده در نظر گرفته مي‌شود؛

· ابعاد درب ورودي تجهيزات: ارتفاع 93/1 متر در پهناي 07/1 متر؛ تجهيزات با ابعاد بزرگتر بايد قابل جدا كردن طراحي شوند.

همان‌گونه كه ذكر شد، پروازهاي ايرباس A-300 گرانش صفر از فرودگاه بين‌المللي بوردو- مريگناك در فرانسه صورت مي‌گيرد. اگر شرايط جوّي مساعد نباشد و يا هر مشكل ديگري روي دهد، ممكن است از فرودگاه‌هاي ديگري به عنوان جايگزين براي فرود هواپيما استفاده شود. اين فرودگاه‌ها به همراه محدوده عملياتي پروازي هواپيماي گرانش صفر در شكل نشان داده شده است.

هواپيماي A-300 در هر پرواز خود، مجموعه‌اي شامل 31 مانور گرانش صفر را انجام مي‌دهد كه هر مانور سهمي‌گون از حالت پرواز افقي پايا در ارتفاع تقريبي 6000 متر و سرعت 810 كيلومتر بر ساعت با شتاب g 1 آغاز مي‌شود. پس از آن، خلبان به تدريج دماغه هواپيما را بالا برده و شروع به صعود مي‌كند. اين فاز در حدود 20 ثانيه طول مي‌كشد و به هواپيما شتابي معادل g 1/5 تا g 1/8 وارد مي‌شود. در ارتفاع 7500 متري، هنگامي كه هواپيما با زاويه‌اي حدود 47 درجه و سرعت 650 كيلومتر بر ساعت در حال صعود است، خلبان نيروي پيشران موتور را رفته رفته كاهش مي‌دهد تا تنها نيروي پسآي هوا خنثي شود. در اين حالت، هواپيما در حدود 20 ثانيه مسير سهمي‌گوني را طي مي‌كند كه شرايط بي‌وزني تحت آن حاصل مي‌شود. نوك قله اين سهمي تقريباً در ارتفاع 8500 متري واقع است و سرعت در اين نقطه به 390 كيلومتر بر ساعت كاهش مي‌يابد.

در انتهاي شرايط بي‌وزني و در همان ارتفاع 7500 متري، هواپيما طي 20 ثانيه مانور خروج از منحني سهموي را انجام مي‌دهد. شتاب وارد شده به هواپيما در اين حالت نيز g 1/8 است. در انتهاي اين مانور، هواپيما بار ديگر به شرايط پرواز افقي پايا در ارتفاع 6000 متري مي‌رسد.

بدين ترتيب، كل مانور حدود سه دقيقه شامل يك دقيقه فاز سهمي (20 ثانيه شتاب g 1/8 ابتدايي، 20 ثانيه شرايط بي‌وزني و 20 ثانيه شتاب g 1/8 انتهايي) و دو دقيقه پرواز افقي پايا با شتاب g 1 قبل و بعد از مانور سهمي‌گون به طول مي‌انجامد. سهمي‌گون‌ها در مجموعه‌هاي پنج‌تايي انجام مي‌شود. بين هر مجموعه مانور، مدت زمان نسبتاً بيشتري (4، 5 يا 8 دقيقه) گنجانده مي‌شود تا گروه تحقيقاتي در صورت لزوم بتواند شرايط آزمايش را دوباره مهيا كند. در طول پرواز، خلبان اطلاعات مربوط به هر مانور شامل زمان، زاويه، ورود و خروج به سهمي‌گون را به سرنشينان اعلام مي‌كند.

آژانس فضايي كانادا نيز از در حدود دو دهه است كه اقدام به انجام پروازهاي گرانش صفر با استفاده از هواپيماهايي چون فالكون 20 مي‌كند. اولين هواپيماي فالكون 20، در سال 1991 توسط آزمايشگاه تحقيقات پروازي شوراي تحقيقات ملي كانادا براي اين نوع مأموريت تجهيز شد و در سال 1993 اين هواپيما اولين مانور گرانش صفر خود را انجام داد. پس از آن، آژانس فضايي كانادا استفاده از فالكون 20 را براي پروازهاي گرانش صفر ادامه داد تا در نهايت طي توافقي با ناسا، هواپيماي گرانش صفر DC-9 مك‌دانل‌داگلاس را براي اين منظور به كار گرفت.

فالكون 20 يك جت تجاري است كه در سيستم‌هاي هيدروليك و سوخت‌رساني آن جهت انجام مانورهاي سهمي‌گون گرانش صفر تغييراتي داده شده است. مانور اين هواپيما مطابق شكل در محدوده ارتفاعي بين 4000 تا 8000 متر انجام مي‌شود. هر پرواز شامل چهار مانور سهمي‌گون است كه مجموعاً 45 دقيقه طول مي‌كشد و در هر مانور، امكان تجربه شتاب g 0/02 طي 15 تا 20 ثانيه وجود دارد.

آژانس فضايي كانادا همچنين از پروازهاي گرانش صفر هواپيماهاي KC-135 ناسا و ايرباس A-300 براي اهداف تحقيقاتي استفاده مي‌كند. به علاوه اين سازمان در مقاطعي، از هواپيماهاي ديگري چون DC-9 و T-33 نيز استفاده كرده است. مقايسه‌اي بين انواع هواپيماهاي گرانش صفر آژانس فضايي كانادا در جدول 2 مشاهده مي‌شود. در حال حاضر، هواپيماهاي فالكون 20، DC-9 و T-33 ديگر براي پروازهاي گرانش صفر استفاده نمي‌شوند.

با بهره‌گيري از فناوري پروازهاي گرانش صفر، مي‌توان با صرف هزينه‌هاي نسبتاً كم (در مقايسه با هزينه‌هاي سرسام‌آور پروژه‌هاي فضايي)، گامي مؤثر در پيشبرد اهداف فضايي برداشت و به نوعي، مأموريت‌هاي پرهزينه فضايي را با اطمينان بيشتري انجام داد. دقت عملكرد تجهيزات فضايي، با آزمايش در پروازهاي گرانش صفر پيش از پرتاب، به ميزان قابل‌توجهي بهبود مي‌يابد.

از طرفي، علاوه بر انجام آزمايش‌هاي گوناگون در زمينه فناوري فضايي، از پروازهاي گرانش صفر مي‌توان بهره‌برداري تجاري نيز كرد. پروازهاي گرانش صفر، بهترين و مناسب‌ترين راه ايجاد شرايط بي‌وزني بر روي زمين است. مزيت اين نوع پروازها اين است كه افراد عادي هم مي‌توانند به راحتي و بدون صرف مبالغ هنگفت در آن شركت كنند. تاكنون، كمتر از 500 انسان شانس حضور در فضا را داشته‌اند. بدين ترتيب، تا پيش از فعاليت شركت‌هايي مانند شركت زيرو-جي، تجربه پروازهاي گرانش صفر براي عامه مردم يك آرزو محسوب مي‌شد. فيزيك آنچه در پروازهاي گرانش صفر براي ايجاد احساس بي‌وزني رخ مي‌دهد، دقيقاً مشابه پديده پايين آمدن سريع آسانسور است. در اين حالت، افراد در داخل محفظه ويژه هواپيما (كه پوشش‌هاي خاصي در ديواره‌ها، كف و سقف آن به منظور جلوگيري از آسيب تعبيه شده است) براي حدود 25 ثانيه در هر مانور مي‌توانند آزادانه به صورت معلق در آمده و حركات آكروباتيك انجام دهند. در حال حاضر، پروازهاي گرانش صفر در سطح جهان با هزينه‌اي در حدود 3000 تا 7000 دلار براي محققان علوم فضايي و افراد مشتاق ارائه مي‌شود. پديده بي‌وزني، موضوع بسيار جذابي براي انسان است. افراد بسياري علاقه‌مند هستند تا به طريقي بتوانند بخشي از آنچه فضانوردان با صرف هزينه‌هاي زياد و آموزش‌هاي طاقت‌فرسا تجربه مي‌كنند را به آساني تجربه كنند.

به علاوه، آماده‌سازي افراد و هواپيما براي انجام پرواز گرانش صفر آنچنان مشكل نيست. تغييراتي كه بايد در يك هواپيما ايجاد شود تا بتوان از آن در پروازهاي گرانش صفر استفاده كرد، تنها محدود به تغييرات داخلي است تا فضاي مناسب براي انجام آزمايش يا حركات آكروباتيك مهيا شود. بدين ترتيب، با اختصاص هزينه‌هاي اندك جهت آماده‌سازي هواپيما و آموزش‌هاي لازم پيش از پرواز مي‌توان درآمد خوبي از اين پروازها كسب كرد. خوشبختانه در پروازهاي گرانش صفر با رعايت نكات ايمني مي‌توان از هرگونه سانحه جلوگيري كرد، به طوري كه طي 45 سال خدمات پرواز گرانش صفر ناسا و آژانس فضايي روسيه تاكنون هيچ واقعه ناگواري رخ نداده است. از اين رو، شركت در چنين برنامه‌هايي متقاضيان بسياري دارد.

برخي شركت‌هاي برگزاركننده تورهاي تفريحي نيز براي هرچه جذاب‌تر كردن برنامه‌هاي خود، از پروازهاي گرانش صفر بهره مي‌برند. براي مثال، شركت ووييج كانسپت در تورهاي خود به مقصد روسيه، امكان تجربه گرانش صفر در هواپيماهاي بوئينگ 727 شركت زيرو-جي حين پرواز به سوي كشور روسيه را نيز گنجانده است. حتي نهادهاي هنري نيز نگاه ويژه‌اي به پروازهاي گرانش صفر دارند. آنها چنين پروازهايي را واسطه‌اي ميان علم، هنر، مذهب، اقتصاد و سياست مي‌دانند. قضيه تا آنجا پيش رفته است كه كنسرسيومي بين‌المللي تحت عنوان كنسرسيوم هنري گرانش صفر با هدف افزايش علاقه‌مندي و دسترسي هنرمندان به فناوري فضايي و گرانش صفر با مشاركت بين‌المللي با سازمان‌هاي فضايي، نهادهاي هنري و دانشگاه‌هاي پيشرو در اين زمينه به وجود آمده است.

بدين ترتيب، پروازهاي گرانش صفر يكي از ساده‌ترين روش‌ها براي ورود يك كشور به وادي فضا محسوب مي‌شود. اين پروازها با وجود كم‌هزينه بودن و سادگي در اصول اوليه و مانورها، هم از بُعد علمي و فناوري فضايي و هم از بُعد تجاري مي‌توانند مفيد واقع شوند. 

نوشته: iraninan space agency

[1] - Various Internet Websites