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 تحریم‌های موجود در راستای اجرای فعالیت‌های فضایی کشور، خودکفایی صنعتی لازمه مقابله با این تحریم‌هاست و برای دست‌یابی به این خودکفایی در بخش فضایی کشور باید سطح فناوری و کیفی تمامی زیرساخت‌های فضایی را بالا برد. 

این توانایی بسیار مهم

یکی از مهمترین زیرسیستم‌ها در فناوری فضایی سیستم پیشرانش فضاپیما یا ماهواره است. با دسترسی به فناوری سیستم پیشرانش یا طراحی و ساخت رانش‌زاهای فضایی، توانایی پرتاب فضاپیماهایی با جرم بیشتر 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. 

تقویت سطح دانش و توانایی در بخش پیشرانش فضایی، باعث استقلال کشور در رسیدن به مدارهای مطلوب با استفاده از فناوری داخلی و موشک‌های موجود می‌شود. 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. رانش‌زاهای کوچک‌تر برای کنترل وضعیت، مانورهای مداری و انتقال مدار برای قرار گیری در موقعیت دقیق مداری مورد استفاده قرار می‌گیرند 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، انرژی گرمایی آن به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود و تکانه جت خروجی، فضاپیما یا ماهواره را جرکت داده و به پیش می‌راند. 

سیستم‌های پیشرانش ماهواره چگونه کار می‌کنند؟

سیستم‌های پیشرانش ماهواره کارکردهای متنوعی دارند. استفاده اصلی آنها برای انجام مانورهای ویژه در فضا است. این مانورها معمولا برای تغییر شکل، اندازه و یا ارتفاع مدار ماهواره انجام می‌شود. کارکرد دیگر سیستم‌های پیشرانش ماهواره در تامین کنترل وضعیت ماهواره است. برای داشتن کنترل وضعیت کامل به کنترل در راستای سه محور نیاز است. برای این کار به حداقل سه رانش‌زا (موتور کوچک) احتیاج است که در راستای سه محور ماهواره نصب شده باشند. اجزای اصلی سیستم پیشرانش ماهواره، معمولا مجموعه‌ای از مخازن سوخت و گروه رانش‌زاها هستند. این سیستم در محل مناسبی از ماهواره نصب می‌شود که معمولا شامل مخازن سوخت، مخازن اکسیدکننده (برای سیستم‌های دو مولفه‌ای)، موتورهای توان بالا، موتورهای توان پایین، مخازن تحت فشار، تنظیم کننده‌های فشار، شیرهای جداکننده، فیلترها، شیرهای پرکن و تخلیه کن، شیرهای سرریز، منتقل کننده فشار، منتقل کننده دما، اجزای الکترونیک سیستم پیشرانش و گرمکن‌ها است.

انواع سیستم پیشرانش ماهواره

تقسیم‌بندی‌های گوناگونی برای سیستم‌های پیشرانش در ماهواره‌ها وجود دارد ولی به طور کلی این سیستم‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند:

۱) سیستم‌های تک‌مولفه‌ای: سیستم‌های تک‌مولفه‌ای در واقع موشک‌هایی هستند که از یک نوع ماده شیمیایی به عنوان منبع انرژی و سوخت استفاده می‌کنند. معمولا سوخت به محفظه‌ احتراق که شامل اسفنج نقره‌ای یا پلاتینی به عنوان کاتالیست است، وارد می‌شود. رایج‌ترین سوخت سیستم‌های تک‌مولفه‌ای هیدرازین است. هیدرازین در مجاورت کاتالیزور تجزیه می‌شود؛ این واکنش به شدت گرماده دمای ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد به وجود می‌آورد و فراورده‌های آن نیتروژن، هیدروژن و آمونیاک است. اکثر سیستم‌های تک‌مولفه‌ای شامل یک تانک سوخت کروی تیتانیومی یا آلومینیومی هستند که یک لایه‌ پلاستیکی اتیلن‌ـ‌پروپیلن در داخل آن‌ها تعبیه شده است که پر از سوخت می‌شود. محفظه‌ از هلیوم پر فشار انباشته می‌شود و در نتیجه سوخت را به موتورها می‌رساند. سوخت از لایه‌ پلاستیکی به یک شیر یک‌طرفه و از آنجا به محفظه‌ احتراق موتور می‌رود. معمولا ماهواره تنها یک موتور ندارد؛ بلکه از دو تا دوازده موتور دارد و هر موتور نیز یک شیر مخصوص به خود دارد. موتور وقتی جرقه می‌زند که رایانه یک سیگنال مستقیم برای باز کردن شیر یک طرفه به الکتروموتور می‌فرستد. جرقه در مدت زمانی بسیار کوتاه، معمولا حدود چند هزارم ثانیه، زده می‌شود.

 ۲) سیستم‌های دو‌مولفه‌ای: در این نوع سیستم‌ها دو سیال که در دو تانک جداگانه ذخیره شده‌اند، در محفظه احتراق با یک‌دیگر واکنش به شدت گرماده انجام می‌دهند و نیروی پیشران را تامین می‌کنند. از آن‌جا که در سامانه‌های دو مولفه‌ای امکان کنترل دقیق مخلوط دو سیال وجود دارد، معمولا آن‌ها پربازده تر هستند ولی در عوض پیچیده‌تر و گران‌تر هستند، به‌خصوص وقتی که برای کاهش وزن از توربوپمپ‌ها در انتقال سوخت به محفظه احتراق استفاده شود. سیستم‌های دو مولفه‌ای، موشک‌های بسیار نیرومندی هستند. آنها بیش‌ترین ضربه مخصوص را در بین وسایلی که از زمین پرتاب می‌شوند، می‌دهند و در همین حال می‌توانند نسبت نیروی پیشران به وزنی بین ۱۰۰-۷۰ را تامین کنند که این موجب می‌شود تا سازه‌ محفظه‌ احتراق برای ماهواره بسیار سبک باشد. در بین سیستم‌های دومولفه‌ای، سوخت هیدروژن‌ـ‌اکسیژن، بیشترین ضربه‌ مخصوص را به دست می‌دهد. در سیستم‌های دومولفه‌ای، سوخت‌ها باید با فشار بالا به محفظه احتراق وارد شوند تا مخلوطی پایدار را تشکیل دهند و از سوختن محفظه احتراق جلوگیری شود. در تانک‌ها سوخت باید تحت فشار نگه داشته شود؛ این کار به وسیله یک گاز بی اثر مثل هلیوم یا در بعضی موارد به وسیله بخار خود سوخت صورت می‌گیرد. سوخت‌ها باید با فشار بالا، حدود ۲۰ تا ۲۰۰ اتمسفر و با دبی بالا، تا ۱۰۰۰ لیتر بر ثانیه به محفظه احتراق وارد شوند. برای تامین این چنین فشار و دبی یا باید از تانک‌های سنگین تحت فشار استفاده کرد و یا از تانک‌های کم فشار سبک وزن به همراه پمپ مناسب استفاده نمود. برای این‌کار معمولا از توربوپمپ‌ها استفاده می‌شود که یا با استفاده از یک تا دو درصد نیروی سوخت‌ها راه اندازی می‌شوند. در سیستم‌های دو مولفه‌ای، سوخت و اکسید کننده به وسیله تزریق کننده به محفظه احتراق وارد می‌شوند. تزریق کننده می‌تواند سوراخ ساده‌ای با لبه تیز باشد که سوخت و اکسید کننده را برای مخلوط شدن بهتر در جهت تصادم با یکدیگر به داخل محفظه احتراق بپاشد.

کاربردها

سیستم‌های تک‌مولفه‌ای در مقایسه با سایر فناوری‌های پیشرانش چندان پر بازده نیستند و از آن وقتی استفاده می‌کنند که سادگی و قابل اطمینان بودن سیستم از ضربه و نیروی بالا مهم‌تر باشد. این سیستم‌ها معمولا ایمپالس (ضربه مخصوص) حدود 250 ثانیه تولید می‌کنند. اگر ضربه‌ مخصوص بالا یا نیروی پیشران بالا مورد نیاز باشد و یا بخواهیم موتور اصلی یک ماهواره را در مسیرهای بین سیاره‌ای طراحی کنیم، از فناوری‌های دیگر استفاده می‌شود. از طرفی به طوری کلی از رانش‌زاهای دومولفه‌ای برای ماهواره‌های بزرگ، کاوشگرهای فضایی و موتورهای نقطه اوج مدار ماهواره‌های زمین آهنگ استفاده می‌شود. از این‌گونه رانش‌زاها هم در حالت پیوسته و دراز مدت و هم در حالت ضربات متعدد استفاده می‌شود. در بسیاری از موارد محفظه احتراق و گلوگاه نازل را از جنس آلیاژهای پلاتین می‌سازند تا در برابر حرارت بالا و اکسید شدن محافظت شود. بدین ترتیب امکان رسیدن به دماهای بالاتر برای بیشینه بازده رانش‌زا فراهم شده و در ضمن عمر کاری آن نیز زیاد می‌شود؛ بدون این‌که به آبکاری دیواره‌ها احتیاجی باشد.

عباس خاراباف/ کارشناس هوافضا