فناوری‌های نوین پرتاب‌های فضایی (۳): پرتاب‌های هوایی

0 571

از شروع عصر فضا تاکنون تنها یک روش برای رسیدن به فضا وجود داشته است: انفجارهای بزرگ. یا به طور دقیق‌تر انفجارهایی کنترل‌شده که حامل فضایی (راکت‌) را به سمت خروج از میدان جاذبه زمین هدایت می‌کنند. با اینکه حامل‌های فضایی چندصد ماهواره، چهار ایستگاه فضایی، چندین تلسکوپ فضایی و یک سفر به ماه را برای انسان به ارمغان آورده‌اند، اما چندان بی مشکل نیز نیستند. به عنوان مثال استفاده از راکت‌ها خطرناک و گران‌قیمت است. با وجود معرفی مفهوم بازگشت‌پذیری و استفاده مجدد حامل‌های فضایی، هنوز هم ارسال هر کیلوگرم محموله به مدار می‌تواند تا ۲۵۰۰۰دلار هزینه داشته باشد. بنابراین فعلا تنها افراد علاقه‌مند به ماموریت مریخ، ثروتمندانی همچون ایلن ماسک (Elon Musk) مدیر و موسس شرکت اسپیس ایکس (SpaceX) هستند. اما طی چند سال اخیر روش‌های جدید و نوآورانه‌ای برای سفر و ارسال محموله به فضا مطرح شده‌اند که بعضی از آن‌ها محتمل و برخی تخیلی به نظر می‌رسند. برخی شامل انواع جدیدی از راکت می‌شوند و برخی دیگر روش‌های نوآورانه و کاملا متفاوت با روش‌های فعلی را در پیش گرفته‌اند. در ادامه به بررسی این روش‌ها می‌پردازیم و معایب و مزایای هرکدام را عنوان می‌کنیم.

پرتاب از هواپیما:
یکی دیگر از روش‌های پرتاب هوایی، پرتاب حامل فضایی به کمک هواپیما می‌باشد. این روش پرتاب تقریبا مشابه با روش پرتاب به وسیله بالون‌های استراتوسفری می‌باشد با این تفاوت که وزن ماهواره‌بر و متعاقبا ارتفاع قابل دستیابی توسط آن می‌تواند به مراتب بیشتر باشد. هرچند چالش‌های فنی متعددی که در مسیر طراحی ماهواره‌بر و هواپیما در این روش وجود دارند، ممکن است منجر به قیمت بالای آن در بازار پرتاب شوند. مشکل دیگر این است که مراکز کنترل ماهواره‌ها روی زمین ثابت هستند و امکان ارتباط با ماهواره را تنها در گستره محدودی از پرواز هواپیما دارند. سومین مشکل این است که به عقیده برخی مهندسین، نیرویی که ماهواره‌بر رهاشده از هواپیما برای پرواز به سمت جو نیاز دارد، از نیروی مورد نیاز هنگام پرتاب از روی سکوی پرتاب زمینی بیشتر است.
به هر حال تاکنون دو شرکت در زمینه پرتاب ماهواره از هواپیما فعالیت کرده‌اند که یکی از آن‌ها پس از فوت موسس خود در شرف تعطیلی بوده ولی دیگری احتمالا به زودی در بازار پرتاب‌های تجاری حضور خواهد یافت. شرکت‎های استراتولانچ سیستمز (Stratolaunch Systems) و ویرجین اوربیت (Virgin Orbit) که هر دو ریشه آمریکایی داشته و توسط ثروتمندانی از این کشور تاسیس شده‌اند، از ابتدا دو رویکرد متفاوت را برای فعالیت خود پیش گرفتند. استراتولانچ پس از رایزنی با شرکت‌های مختلف و همکاری نافرجام با اسپیس ایکس (SpaceX) تصمیم گرفت که هم هواپیما و هم ماهواره‌بر را خود توسعه دهد و بدین ترتیب پروژه‌ای گران‌قیمت و طولانی‌مدت را آغاز کرد. وقتی که پس از 8 سال تلاش هواپیمای غول‌پیکر راک (Roc) بالاخره به پرواز درآمد، تقریبا یک سال از فوت پل الن (Paul Allen) موسس این شرکت گذشته بود. این هواپیما که لقب بزرگترین هواپیمای جهان را با خود یدک می‌کشد، با طول دو سر بال ۳۸۵ فوت (معادل ۱۱۷ متر) و وزنی معادل ۲۲۷ تن، برای ارسال محموله‌هایی سنگین‌تر از ۲۰۰ تن به ارتفاع ۱۰ کیلومتری از سطح زمین طراحی شده است و قرار بود که یک الی سه ماهواره‌بر را از این ارتفاع برای پرتاب به فضا رها کند. اولین پرتاب تجاری استراتولانچ برای سال 2020 برنامه‌ریزی شده بود اما شاید این شرکت تا آن زمان وجود نداشته باشد.

بر خلاف استراتولانچ، ویرجین اوربیت تمرکز خود را روی توسعه ماهواره‌بر گذاشت و با اعمال تغییراتی کوچک در بال‌های هواپیمای بوئینگ ۷۴۷ (Boeing 747) تصمیم به استفاده از این هواپیما گرفت. ماهواره‌بر لانچر وان (launcherOne) قابلیت ارسال محموله‌های ۵۰۰کیلوگرمی به مدار LEO را دارد و از ارتفاع ۱۰.۷ کیلومتری سطح زمین توسط هواپیمای بوئینگ ۷۴۷ رها می‌شود. اولین پرتاب تجاری این شرکت احتمالا در سال 2021 به وقوع می‌پیوندد.

هواپیمای فضایی:
هواپیمای فضایی هواپیماییست که بتواند به فضا برود و برخاست و فرود آن به صورت متداول هواپیماها یعنی افقی باشد. همانطور که مشخص است تفاوت اصلی این روش با روش قبلی این است که در هواپیمای فضایی از راکت استفاده نمی‌شود و این خود هواپیماست که محموله را تا فضا همراهی می‌کند. هرچند بر اساس این تعریف تاکنون هواپیمای فضایی به فضا پرواز نکرده است، مهم‌ترین نمونه‌های نزدیک به این مفهوم که از زمان جنگ جهانی دوم تاکنون توسعه یافته‌اند عبارتند از: هواپیمای X-15 ، شاتل فضایی، بوران (Buran)، اسپیس شیپ وان (SpaceShipOne)  و بوئینگ X-37.

اما چرا یک هواپیمای تک‌مرحله‌ای وجود ندارد که ایتدا پروازی افقی داشته باشد، سپس به فضا برود و در نهایت با یک گلاید آرام روی زمین فرود بیاید؟ یا مهم‌تر از آن، چرا دانشمندان فضایی در سرتاسر جهان با وجود شکست‌های فراوان و خسارات مالی عظیم دست از تلاش برای توسعه هواپیمای فضایی بر نمی‌دارند؟ آن هم وقتی که طبق معادلات پیچیده توسعه راکت‌های ماهواره‌بر و سرنشین‌دار، برای رسیدن به فضا حتما باید راکت را چند مرحله‌ای ساخت.
یک دلیل مهم شاید این باشد که رسیدن به این هدف همیشه نزدیک به نظر رسیده است. به محض اینکه یک سوخت، ماده یا فناوری جدید ظهور می‌کند، دانشمندان و سرمایه‌گذاران فکر می‌کنند که می‌توان آن را برای تحقق هواپیمای فضایی استفاده کرد. در حال حاضر هواپیماهایی که به هوا حمل می‌شوند و از یک ارتفاع معین پرواز خود را به سوی فضا آغاز می‌کنند نزدیک‌ترین فناوری به مفهوم هواپیمای فضایی هستند. در حقیقت رسیدن به هدف ساخت هواپیمای فضایی نزدیک هم هست. در یک موتور معمولی با نازل معمولی گاز خروجی با سرعت ۲۸۰۰ متر بر ثانیه خارج می‌شود. اگر بخواهید با سرعت ۸۰۰۰متر بر ثانیه به مدار LEO برسید، می‌توانید مجموعا 4 درصد از وزن کل مجموعه را به سازه، موتور و محموله اختصاص دهید. اما اگر فرضا بتوانید سرعت گاز خروجی را به ۴۰۰۰متر بر ثانیه برسانید، این درصد ناچیز وزن را باید به بالای ۱۰درصد افزایش داد. این محاسبات ساده بسیاری از افراد را وسوسه کرده و به سرنوشتی مشابه دچار کرده است: «اگر کمی بیشتر وقت داشتم، اگر کمی بیشتر پول داشتم…موفق می‌شدم.» 

آخرین تلاش انجام‌شده در زمینه هواپیماهای فضایی اسپیس شیپ ۲ (SpaceShipTwo)  متعلق به شرکت ویرجین گلکتیک (Virgin Galactic) می‌باشد که آزمایش‌های موفقیت‌آمیزی را طی کرده است اما با توجه به حمل شدن آن تا ارتفاع ۱۴کیلومتری از سطح زمین توسط هواپیمای باری وایت نایت ۲ (WhiteKnightTwo) و آغاز پرواز اسپیس شیپ از این ارتفاع، نمی‌توان آن را یک هواپیمای فضایی به حساب آورد. ویرجین گلکتیک یکی دیگر از شرکت‌های زیرمجموعه گروه ویرجین است که برای حضور در عرصه توریسم فضایی راه‌اندازی شده‌است و پروازهای آن به صورت زیرمداری انجام می‌شود. بنابراین نباید آن را با ویرجین اوربیت اشتباه گرفت. حال ممکن است این سوال مطرح شود که چرا ویرجین اوربیت نیز از هواپیمای وایت نایت برای پرتاب ماهواره‌برهایش استفاده نمی‌کند یا با اعمال تغییراتی اندک آن را برای انجام این پرتاب آماده نمی‌سازد؟ در پاسخ باید دو دلیل را ذکر نمود: نخست آنکه ظرفیت حمل بار وایت نایت 2 بسیار کمتر از وزن لانچر وان می‌باشد. این هواپیمای باری برای حمل هواپیمای ۱۰تنی اسپیس شیپ ۲ طراحی شده است، در حالی که لانچر وان تقریبا ۲۶تن وزن دارد. دلیل دیگر این است که احتمالا هزینه اعمال تغییرات در وایت نایت ۲ بیشتر از هزینه اجاره بوئینگ می‌باشد.

بالون‌های استراتوسفری:
استفاده از بالون‌های استراتوسفری برای پرتاب محموله به فضا یکی از روش‌های
پرتاب هوایی (Air launch) محسوب می‌گردد. در این روش یک ماهواره‌بر کوچک
توسط یک بالون استراتوسفری به لبه‌ فضا و در ارتفاع حدودا ۲۵کیلومتری
ارسال می‌گردد و سپس از بالون رها شده و موتورهایش روشن می‌شود. وقتی راکت
شروع به فعالیت می‌کند، بیش از ۹۵درصد جرم اتمسفر را پشت سر گذاشته است و
نسبت به پرتاب زمینی با مقاومت کمتری هم از لحاظ جاذبه و هم از لحاظ نیروی
پسا مواجه است. بنابراین قادر خواهد بود که یک ماهواره‌ سایز میکرو و نانو
با وزن کمتر از ۱۰۰کیلوگرم را به فضا ارسال کند. از مزایای روش پرتاب
ماهواره با بالون استزاتوسفری می‌توان به دستیابی به ارتفاع بالا بدون
ایجاد آلودگی، قابلیت استفاده مجدد از بالون، هزینه کمتر پرتاب محموله نسبت
به پرتاب زمینی و کاهش زمان انتظار مشتریان برای پرتاب اشاره کرد. در
تصویر زیر شماتیکی از نحوه پرتاب ماهواره در این روش قابل مشاهده است:

دو مورد از مهم‌ترین تلاش‌های انجام‌شده
در زمینه انجام پرتاب‌های فضایی به کمک بالون استراتوسفری عبارتند از
استارت‌آپ آمریکایی لئو آیرواسپیس (Leo Aerospace LLC)  و شرکت اسپانیایی
Zero 2 Infinity. هر دو شرکت اخیرا آزمایش‌های موفقی را پشت سر گذاشته‌اند و
احتمالا طی یک تا دو سال آینده وارد بازار پرتاب‌های تجاری خواهند شد. لئو
آیرواسپیس برای ارسال محموله‌های کمتر از 25 کیلوگرم و Zero 2 Infinity
برای ارسال محموله‌هایی تا ۱۰۰کیلوگرم به مدار LEO برنامه‌ریزی کرده‌اند.
اما تفاوت مهم‌تر بین دو شرکت این است که Zero 2 Infinity علاوه بر بالون،
ماهواره‌بر خود را نیز بازیابی کرده و در پرتاب‌های بعدی استفاده می‌کند.

در بخش سوم به روش‌های دیگری برای پرتاب فضایی اشاره خواهد شد.

 

 
 
با اشتراک گذاری مطلب از اسپاش حمایت کنید
https://espash.ir/?p=13319
مطالب پیشنهادی اسپاش
اشتراک در
اطلاع از
guest
0 نظرات
بازخورد (Feedback) های اینلاین
مشاهده همه دیدگاه ها