ساخت تراسترهای فضایی در ایران

سیناپرس: تراسترهای فضایی یا به عبارت بهتر رانش‌زاها، موتورهای کوچکی هستند که برای انجام مانورهای مداری روی فضاپیماها یا ماهواره‌ها نصب می‌شوند. جمهوری اسلامی ایران اکنون دارای توانایی طراحی و ساخت ماهواره‌هایی است که می‌توانند با استفاده از این موتورها مانور مداری داشته باشند.  

فناوری فضایی را یکی از مهمترین فناوری‌های دنیاست و پیشرفت کشور در این زمینه از نظر بسیاری از کارشناسان الزامی است. آنها از طرفی معتقدند به دلیل اهمیت بسیار زیاد این فناوری، موانعی نیز برای کشورهای در حال توسعه وجود دارد. کارشناسان می‌گویند با توجه به تحريم‌هاي موجود در راستاي اجراي فعاليت‌هاي فضايي کشور، خودکفايي صنعتي لازمه مقابله با اين تحريم‌هاست و براي دست‌يابي به اين خودکفایی در بخش فضايي کشور باید سطح فناوری و کيفي تمامی زيرساخت‌های فضایی را بالا برد. 

این توانایی بسیار مهم

یکی از مهمترین زیرسیستم‌ها در فناوری فضایی سیستم پيشرانش فضاپیما یا ماهواره است. با دسترسی به فناوری سیستم پیشرانش یا طراحی و ساخت رانش‌زاهای فضایی، توانایی پرتاب فضاپیماهایی با جرم بيشتر برای کشورمان فراهم می‌شود. از طرفی هرچقدر یک کشور بتواند یک محموله فضایی با جرم بیشتر را به فضا پرتاب کند یعنی در این زمینه قدرتمندتر است. 

تقويت سطح دانش و توانایی در بخش پیشرانش فضایی، باعث استقلال کشور در رسيدن به مدارهاي مطلوب با استفاده از فناوری داخلی و موشک‌های موجود مي‌شود. این یعنی اگر ایران یک زیر سیستم پیشرانش مناسب روی یکی از ماهواره‌های خود نصب کند، می‌تواند با ماهواره‌برهای کوچک‌تر هم به مدارهای بالاتر ماهواره بفرستد.

موتورهای کوچک، مانورهای بزرگ

مانورهای یک فضاپیما در مدارهای زمین بسیار حیاتی و حساس است. موتورهای فضایی ماهواره‌ها یا همان رانش‌زاها چند نوع هستند. رانش‌زاهاي کوچک‌تر برای کنترل وضعيت، مانورهاي مداري و انتقال مدار براي قرار گيري در موقعيت دقيق مداري مورد استفاده قرار مي‌گيرند و از رانشزاهای بزرگ‌تر برای حرکات فرامداری استفاده می‌شود. 

اکنون بسیاری از این رانش‌زاها از سوخت و اکسید کننده مایع استفاده می‌کنند و پیشرانه (سوخت و اکسید کننده) پس از افزایش فشار به وسیله پمپ‌ها یا فشار گاز در مخازن، به صورت مایع وارد محفظه احتراق می‌شود و پس از فروپاشی، اختلاط فاز مایع، تبخیر، اختلاط فاز گاز و احتراق، گاز داغی تولید می‌شود که با حرکت در طول نازل، انرژي گرمایی آن به انرژي جنبشی تبدیل می‌شود و تکانه جت خروجی، فضاپیما یا ماهواره را جرکت داده و به پیش می‌راند. 

سیستم‌های پیشرانش ماهواره چگونه کار می‌کنند؟

سیستم‌های پيشرانش ماهواره كاركردهاي متنوعي دارند. استفاده اصلي آنها براي انجام مانورهای ویژه در فضا است. اين مانورها معمولا براي تغيير شكل، اندازه و يا ارتفاع مدار ماهواره انجام مي‌شود. كاركرد ديگر سیستم‌های پيشرانش ماهواره در تامين كنترل وضعيت ماهواره است. براي داشتن كنترل وضعيت كامل به كنترل در راستاي سه محور نياز است. براي اين كار به حداقل سه رانش‌زا (موتور کوچک) احتياج است كه در راستاي سه محور ماهواره نصب شده باشند. اجزاي اصلي سیستم پيشرانش ماهواره، معمولا مجموعه‌اي از مخازن سوخت و گروه رانش‌زاها هستند. اين سیستم در محل مناسبي از ماهواره نصب مي‌شود كه معمولا شامل مخازن سوخت، مخازن اكسيدكننده (براي سیستم‌های دو مولفه‌ای)، موتورهاي توان بالا، موتورهاي توان پايين، مخازن تحت فشار، تنظيم كننده‌هاي فشار، شيرهاي جداكننده، فيلترها، شيرهاي پركن و تخليه كن، شيرهاي سرريز، منتقل كننده فشار، منتقل كننده دما، اجزای الكترونيك سیستم پيشرانش و گرمكن‌ها است.

انواع سیستم پیشرانش ماهواره

تقسيم‌بندي‌هاي گوناگوني براي سیستم‌های پيشرانش در ماهواره‌ها وجود دارد ولي به طور کلي اين سیستم‌ها به دو دسته تقسيم مي‌شوند:

۱) سیستم‌های تک‌مولفه‌اي: سیستم‌های تك‌مولفه‌اي در واقع موشک‌هايي هستند كه از يك نوع ماده شيميايي به عنوان منبع انرژي و سوخت استفاده مي‌كنند. معمولا سوخت به محفظه‌ احتراق كه شامل اسفنج نقره‌اي يا پلاتيني به عنوان كاتاليست است، وارد مي‌شود. رايج‌ترين سوخت سیستم‌های تك‌مولفه‌اي هيدرازين است. هيدرازين در مجاورت كاتاليزور تجزيه مي‌شود؛ اين واكنش به شدت گرماده دماي ۱۰۰۰ درجه سانتي‌گراد به وجود مي‌آورد و فراورده‌هاي آن نيتروژن، هيدروژن و آمونياك است. اكثر سیستم‌های تك‌مولفه‌اي شامل يك تانك سوخت كروي تيتانيومي يا آلومينيومي هستند كه يك لايه‌ پلاستيكي اتيلن‌ـ‌پروپيلن در داخل آن‌ها تعبيه شده است كه پر از سوخت مي‌شود. محفظه‌ از هليوم پر فشار انباشته مي‌شود و در نتيجه سوخت را به موتورها مي‌رساند. سوخت از لايه‌ پلاستيكي به يك شير يك‌طرفه و از آنجا به محفظه‌ احتراق موتور مي‌رود. معمولا ماهواره تنها يك موتور ندارد؛ بلكه از دو تا دوازده موتور دارد و هر موتور نيز يك شير مخصوص به خود دارد. موتور وقتي جرقه مي‌زند كه رایانه يك سيگنال مستقيم براي باز كردن شير يك طرفه به الكتروموتور مي‌فرستد. جرقه در مدت زماني بسيار كوتاه، معمولا حدود چند هزارم ثانيه، زده مي‌شود.

 ۲) سیستم‌های دو‌مولفه‌اي: در اين نوع سیستم‌ها دو سيال كه در دو تانك جداگانه ذخيره شده‌اند، در محفظه احتراق با يك‌ديگر واكنش به شدت گرماده انجام مي‌دهند و نیروی پیشران را تامين مي‌كنند. از آن‌جا كه در سامانه‌هاي دو مولفه‌اي امكان كنترل دقيق مخلوط دو سيال وجود دارد، معمولا آن‌ها پربازده تر هستند ولي در عوض پيچيده‌تر و گران‌تر هستند، به‌خصوص وقتي كه براي كاهش وزن از توربوپمپ‌ها در انتقال سوخت به محفظه احتراق استفاده شود. سیستم‌های دو مولفه‌اي، موشک‌هاي بسيار نيرومندي هستند. آنها بيش‌ترين ضربه مخصوص را در بين وسايلي كه از زمين پرتاب مي‌شوند، مي‌دهند و در همين حال مي‌توانند نسبت نیروی پیشران به وزني بين ۱۰۰-۷۰ را تامين كنند كه اين موجب مي‌شود تا سازه‌ محفظه‌ احتراق براي ماهواره بسيار سبك باشد. در بين سیستم‌های دومولفه‌اي، سوخت هيدروژن‌ـ‌اكسيژن، بيشترين ضربه‌ مخصوص را به دست مي‌دهد. در سیستم‌های دومولفه‌اي، سوخت‌ها بايد با فشار بالا به محفظه احتراق وارد شوند تا مخلوطي پايدار را تشكيل دهند و از سوختن محفظه احتراق جلوگيري شود. در تانك‌ها سوخت بايد تحت فشار نگه داشته شود؛ اين کار به وسيله يك گاز بي اثر مثل هليوم يا در بعضي موارد به وسيله بخار خود سوخت صورت مي‌گيرد. سوخت‌ها بايد با فشار بالا، حدود ۲۰ تا ۲۰۰ اتمسفر و با دبي بالا، تا ۱۰۰۰ ليتر بر ثانيه به محفظه احتراق وارد شوند. براي تامين اين چنين فشار و دبي يا بايد از تانك‌هاي سنگين تحت فشار استفاده كرد و يا از تانك‌هاي كم فشار سبك وزن به همراه پمپ مناسب استفاده نمود. براي اين‌كار معمولا از توربوپمپ‌ها استفاده مي‌شود كه يا با استفاده از یک تا دو درصد نيروي سوخت‌ها راه اندازي مي‌شوند. در سیستم‌های دو مولفه‌ای، سوخت و اکسيد کننده به وسيله تزريق کننده به محفظه احتراق وارد مي‌شوند. تزريق کننده مي‌تواند سوراخ ساده‌اي با لبه تيز باشد كه سوخت و اکسيد کننده را براي مخلوط شدن بهتر در جهت تصادم با يكديگر به داخل محفظه احتراق بپاشد.

کاربردها

سیستم‌های تك‌مولفه‌اي در مقايسه با ساير فناوري‌هاي پيشرانش چندان پر بازده نيستند و از آن وقتي استفاده مي‌كنند كه سادگي و قابل اطمينان بودن سیستم از ضربه و نیروی بالا مهم‌تر باشد. اين سیستم‌ها معمولا ایمپالس (ضربه مخصوص) حدود 250 ثانيه توليد مي‌كنند. اگر ضربه‌ مخصوص بالا يا نیروی پیشران بالا مورد نياز باشد و يا بخواهيم موتور اصلي يك ماهواره را در مسيرهاي بين سياره‌اي طراحي كنيم، از فناوري‌هاي ديگر استفاده مي‌شود. از طرفی به طوری کلی از رانش‌زاهای دومولفه‌اي براي ماهواره‌هاي بزرگ، كاوشگرهاي فضايي و موتورهاي نقطه اوج مدار ماهواره‌هاي زمين آهنگ استفاده مي‌شود. از اين‌گونه رانش‌زاها هم در حالت پيوسته و دراز مدت و هم در حالت ضربات متعدد استفاده مي‌شود. در بسياري از موارد محفظه احتراق و گلوگاه نازل را از جنس آلياژهاي پلاتين مي‌سازند تا در برابر حرارت بالا و اكسيد شدن محافظت شود. بدين ترتيب امكان رسيدن به دماهاي بالاتر براي بیشینه بازده رانش‌زا فراهم شده و در ضمن عمر كاري آن نيز زياد مي‌شود؛ بدون اين‌كه به آبكاري ديواره‌ها احتياجي باشد.

عباس خاراباف/ کارشناس هوافضا