بشر تاکنون موفق به دیدار حضوری ماه و زندگی طولانی مدت در ایستگاه فضایی شده است. سفر به فضا این امکان را به ما می دهد تا زمین را در بستر و موقعیت واقعی آن در هستی بنگریم. چنین سفرهای تحقیقاتی می توانند چگونگی تشکیل خورشید، سیارات و ستاره ها و وجود حیات در جایی فراتر از دنیای ما را معلوم کنند.

عصر فضا از روز 4 اکتبر سال 1957 آغاز شد. در آن روز شوروی (Soviet Union) ماهواره اسپاتنیک 1(Sputnik 1) را برای گردش در مدار زمین به فضا فرستاد. اولین فضا پیمای با سرنشین در روز 12 آوریل سال 1961 به همراه یوری گاگارین (Yuri A. Gagarin) فضانورد اهل شوروی به مدار زمین فرستاده شد. نام این فضا پیما وستوک 1 (Vostok 1) بود.

فضاپیما های بدون سرنشین که به آنها کاوشگر فضا می گویند، به طور وسیعی به اطلاعات ما درباره فضای اطراف مان، سیارات و ستارگان افزوده اند. در سال 1959 یک کاوشگر شوروی به نزدیکی ماه و کاوشگر دیگر آن به سطح ماه رسیدند. در سال 1962 کاوشگر ایالات متحده به سمت سیاره زهره فرستاده شد. در سالهای 1974 و 1976 ایالات متحده دو کاوشگر ساخت آلمان را به مدار سیاره عطارد نزدیک خورشید ارسال کرد. دو کاوشگر دیگر ایالات متحده در سال 1976 بر روی مریخ نشستند. علاوه بر سیارات، کاوشگر ها برای شناخت سنگها و اجرام کوچک آسمانی نیز به فضا فرستاده می شوند.

اولین سفر با سرنشین به ماه در روز 21 دسامبر1968- زمانیکه ایالات متحده فضا پیمای آپولو8 (Apollo 8) را ارسال کرد- آغاز شد. این فضا پیما 10 بار دور ماه گردش کرد و سپس با موفقیت کامل به زمین بازگشت. در تاریخ 20 جولای 1969 فضا نورد امریکایی، نیل آرمسترانگ (Neil A. Armstrong) و باز آلدرین (Buzz Aldrin) اتاقک مخصوص آپولو 11 را بر روی سطح ماه نشاندند. آرمسترانگ نخستین انسانی بود که بر روی ماه گام نهاد. تا سال 1972 فضانوردان امریکایی 5 سفر دیگر به کره ماه طی ماموریت های  آپولو به انجام رساندند.

در دهه هشتاد میلادی فضانوردان توانایی خود را برای اقامت طولانی در فضا در دو ایستگاه فضایی اسکای لب (Skylab) و سالیوت (Salyut) افزایش دادند. در سالهای 1987 و 1988 دو فضانورد از شوروی، 366 روز پیاپی را در فضا سپری کردند.

در روز 12 آوریل سال 1981 ، شاتل فضایی ایالات متحده، کلمبیا، به فضا ارسال شد. اولین شاتل که بیش از یکبار قابل استفاده بود و اولین فضا پیمایی که می توانست در فرودگاه های معمولی نیز به زمین بنشیند.. شاتل کلمبیا 36 بار در مدار زمین چرخید و سپس در یک باند فرود روی کره زمین فرود آمد. در روز 28 ژانویه 1986 لحظاتی پس از پرتاب فضا پیمای چلنجر در میان جو زمین، در اثر  نقص فنی در فضاپیما انفجاری رخ داد و هر هفت سرنشین آن جان باختند.

شاتل مجددا طراحی و در سال 1988 آغاز به کار نمود. این سانحه برای بار دوم نیز در تاریخ 1 فوریه 2003 رخ داد. شاتل کلمبیا هنگام ورود به جو زمین متلاشی شد و هفت سرنشین آن نیز جان باختند.

در سالهای نخست عصر فضا، موفقیت در فضا مرهون پیشرفت کشورها در عرصه های مختلف علمی، مهندسی و نظامی بود. ایالات متحده و اتحاد جماهیر شوروی دو عضو رقابتی با نام جنگ سرد بودند.

در نتیجه دو عضو مذکور در زمینه توسعه برنامه های فضایی با یکدیگر به رقابت پرداختند. در دهه های 70 و  80 میلادی این نبرد فضایی  دو عضو را به تلاشهای فراوان و تحقیقات شگفت آوری  گماشت. این نبرد در انتهای دهه 80 یعنی زمانیکه دوکشور اهداف مستقلی را در زمینه فضا پیش گرفتند کمرنگ شد.

مسئله مورد بحث در توسعه برنامه های فضایی تعادل مناسب بین سفرهای تحقیقاتی با سرنشین و بدون سرنشین به فضا می باشد. بعضی کارشناسان، کاوشگر های بدون سرنشین را ترجیح می دهند چرا که ارزان تر، امن تر، و سریعتر اند. آنها متوجه این نکته هستند که کاوشگر ها قادر به انجام سفرهایی می باشند که برای انسان بسیار خطر آفرینند.

از طرفی کاوشگر ها عموما قادر به انجام عکس العمل های لازم در شرایط خاص و غیر قابل پیش بینی نیستند. امروزه اغلب طراحان و برنامه ریزان فضا، راهکار تلفیق کاوشگر های بدون سرنشین و سفرهای تحقیقاتی با سرنشین را ترجيح می دهند. کاوشگر ها می توانند به مناطق کشف نشده فضا یا مناطق شناسایی شده سرکشی کنند و اطلاعات معینی را جمع آوری نمایند اما در بعضی شرایط، انسان باید کاوشگر را همراهی کند تا از قدرت ابتکار، انعطاف پذیری و شهامت خود برای کشف اسرار کائنات بهره گیرد.

فضا چیست؟

فضا عرصه ای تقریبا تهی است که همه اجرام جهان درون آن در حرکتند. سیارات و ستارگان در برابر گستره پهناور فضا، مانند نقاطی بسیار کوچک اند.

آغاز فضا

هوایی کره زمین را فرا گرفته است و جو آن را تشکیل می دهد. هر چه از سطح زمین دورتر شویم، لایه هوا نازکتر می شود. مرز مشخصی بین جو زمین و فضا وجود ندارد  ولی بیشتر کارشناسان می گویند که فضا از ارتفاع 95 کیلومتری (60 مایل) زمین آغاز می شود.

فضایی که درست بالای جو زمین است به طور کامل تهی نیست. این فضا حاوی ذراتی از هوا، غبار فضایی و به طور محلی قطعاتی از فلزات یا مواد سنگی که به آنها احجار آسمانی می گویند،می باشد. انواع متفاوتی از پرتو ها نیز در جریان اند. تا کنون هزاران ماهواره ی مصنوعی به این منطقه از فضا ارسال شده اند.

میدان مغناطیسی زمین از اتمسفر این سیاره فراتر رفته و در فضا قابل رویت است. این میدان مغناطیسی، ذرات الکتریکی موجود در فضا را جذب کرده و بدین ترتیب مناطقی از پرتو های رادیویی به نام کمربندهای ون آلن (Van Allen belts) ایجاد نموده است.

منطقه ای از فضا که در آن حرکت ذرات باردار تحت کنترل میدان مغناطیسی زمین است ،مغناطيس کره (magnetosphere) نامیده می شود. این منطقه شبیه به قطره اشکی است که نقطه شروع آن نزدیک خورشید و به سمت زمین گسترده می شود. میدان مغناطیسی زمین فراتر از این منطقه مغلوب میدان مغناطیسی خورشید می گردد. اما وضع در مورد نیروی گرانش زمین کمی فرق دارد به این صورت که این نیرو تا فواصلی نظیر 6/1 میلیون کیلومتر(1 میلیون مایل) همچنان تاثیر گذار است و می تواند ماهواره ها را در مدار خود نگه دارد.

فضای بین سیاره ها، فضای میان سیاره ای نامیده می شود. گرانش خورشید حرکت سیارات را در این منطقه کنترل می کند و منجر به گردش سیارات به دور خورشید می شود.

فواصل زیاد عموما سیارات را دور از یکدیگر در فضای میان سیاره ای نگه می دارد. برای مثال زمین با فاصله 150 میلیون کیلومتر(93 میلیون مایل) از خورشید در مدار خود در گردش است. فاصله سیاره زهره از خورشید 110 میلیون کیلومتر(68 میلیون مایل) است. هنگامی که سیاره زهره درست بین زمین و خورشید قرار می گیرد کمترین فاصله با زمین یعنی 40 میلیون کیلومتر(25 میلیون مایل) را دارا می باشد.در چنین شرایطی فاصله زهره از زمین 100 برابر فاصله ماه از زمین است.

فضای بین ستارگان، فضای میان ستاره ای نامیده می شود. فواصل در این منطقه بسیار زیاد است به طوری که دانشمندان از واحد های کیلومتر و مایل استفاده نمی کنند. دانشمندان برای اندازه گیری فواصل در مقیاس میان ستاره ای از واحد سال نوری استفاده می کنند. یک سال نوری برابر است با 46/9 تریلیون کیلومتر(88/5 مایل). این مقدار فاصله ایست که نور باسرعت خود یعنی 792/299 کیلومتر(282/186 مایل) در مدت یک سال طی می کند.

گازهای متفاوت، لایه هایی از ابرهای بسیار سرد غبار و تعداد کمی ستاره های دنباله داری که میان ستارگان، سرگردانند همینطور اجرامی که هنوز به درستی کشف و شناسایی نشده اند، در فضای بین ستاره ای وجود دارند.

ورود به فضا و خروج از آن

نیروی شدید گرانش بزرگترین مشکل برای ماموریت های فضایی است. یک فضاپیما در شرایط خاصی از سرعت و جهت به فضا فرستاده می شود.

گرانش به هرچیزی بر روی زمین وزن می دهد و منجر به سقوط اشیا به سمت زمین می شود. در سطح زمین شتاب گرانش با g شناخته می شود که حدود 10 متر در ثانیه است.

یک راکت قدرتمند به نام پرتاب گر به فضا پیما کمک می کند تا بر نیروی گرانش غلبه کند. همه پرتاب گر ها دارای حداقل دو واحد راکت می باشند. بخش اول باید فشار لازم برای جدا شدن از سطح زمین را تامین کند. برای این کار فشار این پایه باید متجاوز از وزن کل پرتاب گر و فضاپیما باشد.

پرتاب گر این فشار را با سوزاندن سوخت و خارج کردن گاز ناشی از آن به دست می آورد. سوخت  موتور این راکت ها ترکیب مخصوصی است به نام پروپلنت (propellant). این سوخت ترکیبی از سوخت جامد، مایع و اکسیژنه، ماده ای که اکسیژن لازم برای سوخت را در فضا تامین می کند، می باشد. معمولا از اکسیژن مایع به عنوان اکسیژنه استفاده می شود.

به حداقل شتاب لازم برای غلبه بر گرانش و ماندن در مدار، شتاب مداری می گویند. این شتاب حدودا g3 یعنی سه برابر شتاب گرانش است. یک پرتاب گر معمولا ظرف 9 دقیقه به این شتاب می رسد. در ارتفاع 190 کیلومتری (120 مایل)، سرعت لازم برای اینکه یک فضا پیما  شتاب مداری داشته باشد و در مدار بماند حدود 8 کیلومتر (5 مایل) در ثانیه است.

بیشتر راکت ها توسط یک وسیله نقلیه به سکوی پرتاب آورده شده و سپس در مکان مناسب خود قرار می گیرند. در این هنگام پروپلنت از طریق لوله هایی مخصوص وارد محفظه سوخت راکت می شود.

در لحظه پرتاب، موتور های راکت واحد یک روشن می شوند تا زمانی که نیروی فشارهای ترکیب شده موتور ها از وزن راکت بیشتر شود. این نیرو منجر به جدا شدن پرتاب گر از سکوی پرتاب می شود. چنانچه پرتاب گری دارای چند واحد راکت باشد، راکت واحد یک پس از چند دقیقه سوخت خود را به پایان رسانده و از پرتاب گر جدا می شود. در این هنگام راکت واحد دو شروع به کار می نماید و چند دقیقه بعد سوخت آن نیز به اتمام رسیده و جدا می شود. در صورت لزوم یک واحد کوچک راکت دیگر نیز روشن می شود تا شتاب مداری به دست آید.

پرتاب شاتل فضایی کمی با آنچه گفته شد متفاوت است. شاتل علاوه بر موتور های اصلی راکت، موتور های شتاب دهنده دیگری به نام بوستر(booster) با پروپلنت جامد دارد که باعث سوخته شدن پروپلنت مایع است.

نیروهای حاصله از بوستر ها با نیروی موتور های اصلی ترکیب شده و منجر به جدا شدن پرتاب گر از سکو می گردد. حدود دو دقیقه پس از پرواز، بوستر ها از شاتل جدا شده و توسط پاراشوت (چتر نجات) به زمین بر می گردند. موتور های اصلی همچنان مشغول به کار باقی می مانند تا زمانی که شاتل تقریبا به شتاب مداری رسیده باشد. پس از آن موتور های کوچکی شاتل را در شتاب مداری نگه می دارند.

برای رسیدن به مداری مرتفع تر، یک فضا پیما به راکت دیگری برای افزایش سرعت نیاز دارد. زمانیکه سرعت فضا پیما 40% بیش تر از شتاب مداری باشد، اصطلاحا به شتاب فرار دست پیدا می کند، یعنی سرعت لازم برای رهایی از گرانش زمین.

بازگشت به زمین با مشکل سرعت بسیار بالای فضاپیما و پایین آوردن این سرعت همراه است. برای انجام این کار، یک فضا پیما که گردش مداری دارد، از موتور های کوچکی برای تغییر مسیر به سمت اتمسفر زمین استفاده می کند. به این عمل خروج از مدار و یا دی اربیت (de-orbit) گفته می شود. فضا پیماهایی که از ماه و یا سیارات دیگر به زمین باز می گردند نیز جهت خود را به سمت اتمسفر تغییر می دهند. مقاومت هوا در این ناحیه به صورت قابل توجهی از سرعت فضا پیما می کاهد.

در شرایطی که سرعت فضا پیما هنگام ورود به اتمسفر بسیار زیاد است، هوا نمی تواند با سرعت لازم از مسیر فضا پیما بگریزد. در عوض مولکول های هوا در مقابل فضا پیما توده ای بسیار فشرده می شوند. این فشار بسیار زیاد دمای هوا را تا 5500 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای سطح خورشید می رساند. دمای به وجود آمده می تواند فضاپیمایی بدون عایق را ظرف چند ثانیه بسوزاند.

صفحات عایق ساخته شده از الیاف کوارتز که به بدنه برخی از فضاپیماها چسبانده می شود عایق مناسبی برای این دما می باشد. سیستم های خنک کننده ای نیز ممکن است به کار روند. اخیرا فضاپیمایی دارای عایق هایی بود که گرما را لایه به لایه تبدیل به بخار و جذب می کرد.

اغلب مردم تصور می کنند که گرم شدن فضاپیما ها به دلیل اصطکاک و سایش آنها با هوا می باشد. از لحاظ علمی این باور صحیح نیست. هوا بسیار نازک است و سرعت برخورد آن با فضاپیما به قدری ناچیز است که نمی تواند مسبب اصطکاک زیادی باشد.

درمورد فضاپیما های بدون سرنشین یا کاوشگر ها، نیروی کاهش سرعت می تواند بین g60 تا g90 در مدت زمان 10 تا 20 دقیقه باشد. شاتل ها برای ورود به اتمسفر از بال های خود استفاده می کنند زمان کاهش سرعت بیش از 15 دقیقه و اندازه آن g2/11 است. 

هنگامی که فضاپیما بیشتر سرعت خود را از دست داد، آزادانه در هوا به سمت پایین می آید. پاراشوت ها در این هنگام سرعت را باز هم کمتر می کنند همینطور ممکن است برای یک فرود آرامتر در آخرین ثانیه ها، یک راکت کوچک را روشن نمود. شاتل ها با استفاده از بالهای خود می توانند تا یک بزرگراه و یا فرودگاه پرواز و در آنجا فرود آیند. اخیرا یک کپسول فضایی ایالات متحده برای فرود از بالشتک های آب استفاده کرد و آنها را به درون اقیانوس انداخت.