اگر یکی از علاقمندان موضوعات فضایی هستید احتمالا تا به حال به این فکر کرده‌اید که پس از پرتاب ماهواره‌ها یا فضاپیماها به فضا، حرکات و مانورهای آنها به کمک چه سیستمی صورت می‌پذیرد؟ پس لازم است با پیشرانهای فضایی آشنا شوید.
پیشرانهای فضایی یا تراسترها، ابزاری برای تغییر سرعت موشکها، ماهواره‌ها و فضاپیماها هستند. آنها روشهای متفاوتی برای حرکت دادن سامانه‌های فضایی در جهات مختلف دارند که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارد. با توجه به نوع کاربرد، در سفر به فضا و یا کنترل وسیله فضایی در مدار از پیشرانها استفاده‌های متفاوتی میشود.
چندین نوع سامانه پیشرانش فضایی رایج و مورد استفاده وجود دارد که تقریبا در همه‌ی موارد نیروی پیشرانش بوسیله نیروی عکس العمل حاصل از حرکت سیال عامل (مواد پیشرانه) تامین میشود. این موتورهای فضایی جهت ماموریتهایی نظیر تغییر ارتفاع، کنترل وضعیت، حفظ موقعیت، فرود آمدن، تغییر مدار و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند. معمولاً سامانه‌های پیشرانش مختلف بر اساس منابع انرژی آنها تقسیم‌بندی می‌شوند. انرژی تزریقی به سیال عامل می تواند از روشهای زیر تامین گردند:
احتراق شیمیایی
میدان‌های الکتریکی و الکترومغناطیسی
واکنش هسته‌ای
تابش خورشیدی و روشهای دیگر
در ادامه به صورت خلاصه به معرفی عناوین فوق پرداخته میشود:
سامانه‌های پیشرانش با پیشران شیمیایی
سامانه‌های پیشرانش شیمیایی، قدیمیترین نوع از سامانه‌هاي پیشرانش می‌باشند که در قرن 13 توسط چینیها برای انجام آتش‌بازی اختراع شدند. در این نوع از سامانه‌ها انرژی سوخت از طریق واکنش شیمیایی آزاد می‌گردد. سامانه‌های پیشرانش شیمیایی با توجه به حالت فیزیکی پیشرانه آنها ( جامد، مایع یا گاز) تقسیم‌بندی می‌شوند.
به علت قدمت زیاد این نوع موتورها، تکنولوژی آنها به خوبی تائید شده است و در هر اندازه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند و عملکرد آنها آسان و قابل اعتماد می‌باشد؛ آنقدر که اسپیس ایکس (SpaceX) حاضر است استفاده از طول 124 متر(!) را برای پرتابگر مریخ خود به جان بخرد اما به جای استفاده از پیشرانش الکتریکی یا هسته‌ای در آن از سوخت مایع استفاده کند؛ در حالی که با استفاده از این سیستمها طول آن به میزان قابل توجهی کاهش می‌یافت. در تصویر زیر، پیشران سوخت مایع C-1 مشاهده میشود که در سال 1965 ساخته و در ماموریتهای مختلف توسط ناسا به کار گرفته شد.
سیستمهای پیشران غیر شیمیایی
سیستمهای پیشران غیرشیمیایی به طور کلی مانند سیستمهای پیشران شیمیایی می‌باشند اما اختلاف اصلی در منبع تولید انرژی برای سیال در حال حرکت و جنس سیال در حال حرکت است. منابع انرژی سیستمهای غیر شیمیایی شامل انرژی گرمایی، انرژی الکتریکی، انرژی مغناطیسی، انرژی الکترومغناطیسی و شکلهای دیگری از انرژی است. سیال، گازی مانند هیدروژن و یا حتی به صورت یون است.
برای مثال در تصویر زیر موتور NSTAR قرارگرفته روی فضاپیمای Deep Space1 قابل مشاهده است. این تراستر یونی در بهترین عملکرد خود نیرویی کمتر از 100 میلی نیوتون تولید می‌کند، چرا که جریان خروجی فقط شامل تعدادی یون است که هر چند سرعتی چندین برابر سیال‌هایی مثل هوا یا هلیم یا گازهای داغ خروجی از موتور دارند اما از وزن بسیار کمی برخوردارند بنابر این نیروی چندانی تولید نمی‌کنند؛ اما در شرایط خلاء همین نیرو مقدار قابل توجهی محسوب می‌گردد.
Deep Space1 را میتوان اولین فضاپیمایی نامید که از پیشرانش یونی استفاده کرده است. از آنجایی که یک فضاپیما یا ماهواره از لحاظ تئوری حداکثر می‌تواند به سرعتی نزدیک به سرعت سیال خروجی برسد، مشخص میشود که مزیت پیشرانش‌های یونی، قابلیت کسب سرعتهای بسیار بالا در مقایسه با سایر پیشرانش‌هاست.
برای فهم بهتر این موضوع می‌توانید تصور کنید که اگر می‌توانستید پشت فرمان یک خودرو با موتور یونی بنشینید به هیچ عنوان نمی‌توانید از تیک‌آف کشیدن و شتاب بالای خودرو لذت ببرید اما پس از چند سال نگه داشتن پا روی گاز در یک اتوبان، خودروی شما به سرعتی خواهد رسید که هیچ خودروی فرمول وان یا هیچ جت جنگنده‌ای حتی به گرد پای آن هم نخواهد رسید.
البته ممکن است روی زمین چند سال خیلی زیاد به نظر برسد اما برای یک ماهواره که سفرهای چندین ساله را بین کرات تجربه می‌کند، موتور یونی بسیار جذاب و کاربردی است.
سامانه‌های پیشرانش الکتریکی
بخش اعظمی از سیستمهای پیشرانش غیرشیمیایی را سیستمهای پیشرانش الکتریکی تشکیل می‌دهند. اما قبل معرفی این سیستمها این سئوال ایجاد میشود که با توجه به ساخت ساده‌تر ، قابلیت اطمینان بیشتر و تراست بالاتر پیشرانهای شیمیایی که قبلتر توضیح داده شد، چرا اصلا هزینه و سختی بکارگیری پیشرانهای الکتریکی را به جان بخریم؟
محدودیت اساسی که در راکتهای شیمیایی وجود دارد این است که انرژی گاز خروجی از راکت به طور دقیق بوسیله انرژی شیمیایی و نرخ جریان پیشران به دست می‌آید. به زبان ساده‌تر هرچه بخواهیم از زمین دورتر شویم، میزان سوخت بیشتر، پمپهای قویتر و در نتیجه راکت بزرگتری نیاز داریم.
با توجه به محدودیتهای ذکر شده، از طریق چند مرحله‌ای کردن موشکها، میتوان عملکرد آنها را به بهترین حالت تئوری نزدیک کرد که در این صورت سرعت خروجی تا مقدار km/s 4.5 افزایش می‌یابد. در این صورت میتوان با راکتی مانند راکت اسپیس ایکس که ارتفاعی بیشتر از یک برج 40 طبقه دارد به مریخ رفت و برگشت. اما اگر بخواهیم به سیاره‌ای در یک منظومه‌ی دیگر سفر کنیم تکلیف چیست؟!
با توجه به توضیحات مطرح شده، فکر استفاده از سامانه‌های پیشرانش الکتریکی برای مدتهای قابل توجهی شناخته شده است و انواع مختلفی از پیشرانهای الکتریکی گسترش یافته و در فضا تست شده‌اند. منبع انرژی این سامانه‌ها، الکتریسیته می‌باشد که برای تهیه انرژی گرمایی و یا انرژی الکتروستاتیکی/الکترومغناطیسی برای سیال استفاده میشود.
به هر حال در گذشته استفاده از این سامانه‌ها نسبت به زمان کنونی نسبتاً کمتر بود، تا اینکه متوجه شدند که افزایش سرعت خیلی بالا نه تنها برای ماموریتهای جستجوی فضایی، بلکه برای حفظ موقعیت ماهواره‌های مخابراتی، افزایش عمر ماهواره‌ها، و حرکت کردن ماهواره‌ها در مدار صحیح (که به علت تشعشعهای خورشیدی و وجود گرانش باید سرعت ماهواره به طور دائمی، تصحیح شود) ضروری است. البته همه این موارد نیازمند مقدار سوخت کافی می‌باشند که اگرچه در مقایسه با مقدار سوخت پیشرانهای شیمیایی بسیار کمتر است اما همچنان باید بین استفاده از تجهیزات ارتباطی بیشتر یا استفاده از سوخت بیشتر مصالحه صورت گیرد.
امروزه فضاپیماهایی مانند Deep Space1 که قبلتر راجع به آن صحبت شد و SMART (برای رفتن به ماه) بوسیله سامانه‌های پیشرانش الکتریکی کامل شده‌اند. این نوع پیشران ها حتی برای ماموریتهای بین سیاره‌ای بدون انتقال انسان هم مناسب می‌باشند. پیشرانهای الکتریکی همچنین میتوانند جانشینی برای پیشران های شیمیایی در مدار زمین برای بررسی و کاوش باشند و این عمل باعث ایجاد یک اثر چشمگیر روی نسبت جرم وسیله برای پرتاب کردن میشود و در نتیجه هزینه‌های پرتاب کاهش می‌یابد.
استفاده از سامانه‌های پیشرانش الکتریکی قابلیت انجام ماموریتهای بین سیاره‌ای بدون سرنشین را که نیازمند سرعتهای بسیار بالایی می‌باشد، را ایجاد کرده است. به همین دلیل ناسا امکان استفاده از این پیشرانها را برای سفر به مریخ بررسی می‌کند.
سامانه های پیشرانش گرما-هسته‌ای
انرژی سامانه‌های پیشرانش گرما-هسته‌ای به صورت انرژی گرمایی از واکنش هسته‌ای است. تراست از تغذیه گاز بوسیله راکتور هسته‌ای ایجاد میشود و با شتاب دادن گاز بوسیله یک نازل همگرا-واگرا مانند یک محصول حاصل از واکنش شیمیایی به دست می‌آید. این نوع سامانه‌های پیشرانش در دهه 1960 گسترش یافتند.
نوع دوم از سامانه‌های پیشرانش هسته‌ای، سامانه‌های پیشرانش هسته‌ای با هسته گازی است که موتور در دماهای خیلی بالاتری عمل می‌کند. این نوع سامانه‌های پیشرانش هنوز تست نشده‌اند ولی به نظر میرسد برای اهداف بین سیاره‌ای مناسب باشند. مزایای این سیستمها، ایمپالس مخصوص خیلی زیاد، تولید تراست بالا و قابلیت استفاده مجدد آنها می‌باشد.
چون واکنش هسته‌ای در این سیستمها به کار می‌رود مخصوصاً برای انتقال انسان باید دارای محافظ باشند. البته گروه‌های سیاسی و محیط زیست با استفاده از انرژی هسته‌ای مخالف هستند. شکل زیر یکی از طرح‌های راکت مجهز به پیشران هسته‌ای ناسا را برای انتقال انسان به مریخ نشان می‌دهد:
تابش خورشیدی و روشهای دیگر
این گروه، سامانه‌هایی هستند که در آینده مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان نمونه‌هایی از این سامانه‌های پیشرانش میتوان به سامانه‌های تابش گرمایی، بادبان خورشیدی، ضد ماده یا تفنگ ریلی اشاره کرد. نمونه‌های دیگری از این نوع سامانه پیشرانش نیز مانند استفاده از ذرات جامد مجزا همراه با سوخت یا سیال نیز وجود دارد. هرکدام از این پیشرانها میتوانند موضوع یک مقاله‌ی مفصل باشند و در آینده به آنها پرداخته خواهد شد.
طرحی مفهومی برای استفاده از بادبان خورشیدی در یک ماهواره‌ی مکعبی
پیشرانهای فضایی یا تراسترها، ابزاری برای تغییر سرعت موشکها، ماهواره‌ها و فضاپیماها هستند و در این مقاله سعی شد به صورت خلاصه به معرفی آنها پرداخته شود. طراحی و ساخت این سامانه‌ها می‌تواند موضوع پروژه‌های آکادمیک و صنعتی باشد و برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد انواع نام برده شده می‌توانید به لینکهای ضمیمه شده مراجعه نمایید. ضمنا در جدول زیر مقایسه‌ای ساده بین دو دسته‌ی اصلی پیشرانهای فضایی قابل مشاهده است.
