توپ فضایی؛ تلاشی نافرجام برای حذف راکت از پرتابهای فضایی

علیرضا فتحی: توپ فضایی که از آن با عنوان توپ ورن (Verne gun) نیز یاد می‌شود یکی از روش‌های پرتاب‌های فضایی بدون راکت است که طی آن یک توپ عظیم، جسم مورد نظر را به فضا پرتاب می‌کند. به نظر می‌رسد که با این روش بتوان ماهواره‌ها را تا مدار زمین پرتاب کرد. اگرچه الزام تعبیه‌ی سیستم پیشرانش بر روی خود ماهواره نیز به وجود می آید تا ماهواره بتواند در مدار قرار گیرد.

اگر بتوان به سرعت فرار از مدار زمین یعنی 11.2 کیلومتر بر ثانیه دست یافت، فرستادن کاوشگر به نقاط دیگر منظومه‌ی شمسی نیز با استفاده از توپ فضایی ممکن می‌شود. البته این سرعت در محدوده‌ی ماوراء صوت قرار می‌گیرد که علاوه بر اعمال حرارت بسیار شدید به اجسام، با ایجاد نیروی مقاوم شدید هوا ممکن است باعث در هم شکستن آنها شود. بنابراین استفاده از روش مذکور در مدارهای نزدیک به زمین محتمل‌تر می‌باشد.

در دهه‌ی 1960 تحت پروژه‌ی مشترکی بین آمریکا و کانادا به نام هارپ (HARP) یک توپ با کالیبر 100 برای شلیک کردن پرتابه‌ای 180 کیلوگرمی با سرعت 3600 متر بر ثانیه استفاده شد. این پرتابه تا ارتفاع 180 کیلومتری از سطح زمین صعود کرد و یک پرواز زیرمداری را تجربه کرد. با این حال تاکنون پرتاب مداری موفقی با استفاده از توپ فضایی صورت نگرفته است.

پروژه ی HARP

مشکلات فنی موجود در این مسیر

شتاب گرانشی شدیدی که به پرتابه‌های بالستیک وارد می‌شود، ارسال انسان و یا ابزارهای ظریف را به فضا با این روش غیر ممکن می‌سازد. ضمن اینکه نیروی مقاوم هوای وارده در هنگام فرار از جو زمین باعث دشوار شدن کنترل مسیر پرتابه می‌شود، چرا که در معرض اختلاف فشارهای شدید قرار می‌گیرد و انرژی زیادی را از دست می‌دهد.

وارد شدن به مدار

توپ فضایی به تنهایی قادر به فرستادن پرتابه‌ها در یک مدار پایدار در اطراف زمین نیست. در واقع بدون وجود یک سیستم پیشران برای تصحیح و پایدارسازی حرکت و تنظیم مومنتوم پرتابه، پایدار شدن آن در مدار غیر ممکن است. در صورت نبود قابلیت تصحیح مسیر، یک پرتابه‌ی بالستیک تنها در صورتی می‌تواند از سقوط بر روی زمین مصون باشد که به سرعت فرار از مدار برسد. بنابراین باید به نحوی مسیر پرتابه‌ها را تصحیح کرد. به عنوان مثال در پروژه‌های هارپ و کوییک لانچ (Quicklaunch) از یک راکت برای ایجاد شتاب اضافی استفاده شده بود. دامنه‌ی تصحیح این راکت ممکن است کوچک باشد؛ مانند راکتی که در پروژه‌ی  StarTram Generation 1 برای افزودن میزان 0.6 کیلومتر بر ثانیه به سرعت 8 کیلومتر بر ثانیه‌ای پرتابه اضافه شد تا آن را به نقطه‌ی حضیض مدار leo ببرد.

تلاشهای انجام شده

در حین جنگ جهانی دوم، آلمان با پروژه‌ی توپ V-3 تلاش می‌کرد تا چیزی شبیه به توپ فضایی بسازد. طبق اطلاعات بدست آمده این توپ قادر بود پرتابه ای 140 کیلوگرمی را تا ارتفاع 88 کیلومتری پرتاب کند اما قبل از اینکه پرتابی توسط آن صورت گیرد توسط نیروی هوایی انگلیس بمباران و نابود شد. این توپ از پیشرانش چندمرحله ای استفاده می‌کرد که باعث افزایش برد آن می‌شد.

نمونه‌ی اولیه V-3

برجسته ترین تلاشی که در سال‌های اخیر برای ساخت توپ فضایی انجام شده است مربوط به پروژه‌ی بابیلون (Babylon) می شود که توسط یک مهندس با نام ژرالد بل (Gerald Bull) طراحی شده است. در این پروژه که از آن با نام “ابراسلحه‌ی عراقی” نیز یاد می‌شود بل قرار بود که با استفاده از تجربیاتی که در پروژه ی هارپ کسب کرده بود یک توپ عظیم الجثه برای صدام حسین تولید کند اما وی قبل از اتمام پروژه ترور شد.

قسمت‌های آماده شده از پروژه‌ی Babylon

پس از مرگ بل، تلاشهای دیگری برای برای ساخت توپ فضایی انجام شد که شاخص‌ترین آنها “پروژه ی تحقیقاتی دستیابی به ارتفاع بسیار بالا” (SHARP) توسط سازمان پدافند موشکی بالستیک آمریکا در دهه‌ی 80 میلادی بود. این توپ که در آمایشگاه لاورنس لیورمور (Lawrence Livermore Laboratory) ساخته شد از تکنولوژی شلیک گاز سبک برای پرتاب اشیاء با ماخ 9 استفاده می‌کرد. این پروژه به دلیل تامین نشدن بودجه‌ی 1 میلیون دلاری‌اش در سال 1995 لغو شد.

پروژه SHARP

پس از لغو پروژه‌ی SHARP، یکی از متخصصان این پروژه به نام جان هانتر (John Hunter) دو شرکت ژول ورن (Jules Verne Launcher Company) و کوییک لانچ را تاسیس کرد. تا سپتامبر 2012 کوییک لانچ به دنبال تامین بودجه‌ی 500 میلیون دلاری بود تا توپی بسازد که به مخازن سوخت کاوشگرها سوخت تزریق کند و اجسام مختلف را به فضا پرتاب کند. این پروژه نیز همانند SHARP به دلیل تامین نشدن بودجه هم اکنون در حالت تعلیق به سر می‌برد.

پروژه Quicklaunch

پس از مطالعه‌ی تلاشهای انجام شده تا کنون، به نظر می‌رسد استفاده از راکت‌های بازگشت پذیر نسبت به توپ فضایی منطقی‌تر و کم هزینه‌تر باشد، ضمن اینکه راکت‌ها برای عبور از جو محدودیتی ندارند. همین مزایا باعث شده که رویکرد فعلی جهان به سمت دستیابی به تکنولوژی ساخت پرتابگرهای بازگشت پذیر باشد.