توسعه فضاپیماهای جامد سوز

سیناپرس: چندسالی است که شاهد ظهور نسل جدیدی از پرتابگرهای فضایی اروپا، موسوم به وگا هستیم که یک موشک سوخت جامد است و چندی پیش هم در خبرها شنیده شد که قرار است این موشک یک ماموریت فضایی جدید را با پرتاب فضاپیمای شبیه به شاتل آی.ایکس.وی انجام دهد.

همچنین آژانس فضایی چین اعلام کرده است که نخستین موشک فضایی سوخت جامد خود را در سال 2016 آزمایش خواهد کرد. از طرفی دیگر سازمان‌های فضایی، از موشک های سوخت جامد در اغلب سامانه های پرتابی به طور گسترده ای بهره می گیرند. حال این سوال مطرح است که علت گسترش استفاده از فناوری موشک های جامدسوز در پرتابگرهای فضایی در سال های اخیر چیست؟

 

چند روز دیگر قرار است در یک ماموریت بی‌نظیر موشک سوخت جامد وگا، فضاپیمای آی.ایکس.وی را به فضا بفرستد. به نظر دسترسی به فضا از طریق موشک‌های سوخت جامد موضوع مورتوجهی باشد که کشورهای مختلف به آن علاقمند شده‌اند. 

تاریخچه موشک های سوخت جامد

در قرن سیزدهم میلادی چینی ها موفق به کشف فرمول باروت شدند و به کمک این ماده برای اولین بار در جهان به موشک سازی پرداختند. این موشک ها در ابتدا برای مراسم آتش بازی در جشن ها استفاده می شد و بعدها در جریان حملات مکرر مغول ها به شهرهای شمالی چین، برای ترساندن آن ها به کار گرفته شد و به نوعی از همان ابتدا کاربردهای نظامی نیز پیدا کرد. در قرن های بعد، دانش ساخت موشک به هند و سپس به اروپا، کشیده شد و این دانش به مرور شاهد پیشرفت های اندکی نیز بود. اما نکته این جاست که سوخت موشک هایی که در قرون گذشته در جهان استفاده می شده، همگی باروت بوده است و این ماده یک سوخت جامد محسوب می شود. 

در اوایل قرن نوزدهم میلادی، کنستانتین سالکوفسکی، نظریه پرداز فضایی روسیه می دانست که برای سفر به فضا نمی توان از موشک هایی استفاده کرد که سوخت آن ها باروت است. از این رو استفاده از پیشرانه های مایع را در پرتابگرهای فضایی، بهترین راه برای سفر به فراسوی زمین می دانست. اما در دهه های 50 و 60 میلادی با پیشرفت علم مواد و دستیابی به ترکیبات جدید و کارآمدی از مواد آتش زا، استفاده از موشک هایی با پیشرانه های جامد هم در صنایع موشک های نظامی و هم پرتابگرهای فضایی رواج پیدا کرد. مهندسان و طراحان سامانه های فضایی با توجه به ویژگی های موشک های سوخت جامد، از آن ها به عنوان موشک های تقویتی در مراحل اولیه برخی از پرتابگرهای فضایی بهره گرفتند.

در دهه اخیر فناوری های مربوط به موشک های سوخت جامد پیشرفت های محسوسی داشت و نظر طراحان را برای استفاده هر چه گسترده تر در موشک های نظامی و فضایی جلب کرد. به گونه ای که طراحی برخی از پرتابگرهای فضایی مانند پگاسوس و وگا و اخیراً پرتابگری که چین در سال 2016 قصد به کارگیری آن را دارد، کاملاً مبتنی بر موشک های سوخت جامد است.

طراحی و اساس کار موتورهای موشکی سوخت جامد

موتورهای سوخت جامد همانند سایر موتورهای موشکی، در دسته موتورهای عکس العملی درونسوز قرار می گیرد. یک موتور سوخت جامد به طور کلی از سه بخش اصلی تشکیل شده است. نازل، پیشرانه و آتش‌زنه؛

اساس کار موتورهای سوخت جامد به این گونه است که با استفاده از آتشزنه، پیشرانه موجود در موشک مشتعل شده و گاز داغ و پرفشار حاصل از این احتراق از طریق یک لوله به سمت نازل یا شیپوره موشک هدایت می شود و فشار این گاز هنگام عبور از گلوگاه نازل کاسته شده و سرعت می گیرد و به  این واسطه نیروی پیشرانش ایجاد می شود. 

موتورهای سوخت جامد را بر خلاف موتورهای موشکی با پیشرانه مایع، بعد از روشن شدن نمی توان خاموش کرد. زیرا امکان جداسازی سوخت و ماده اکسیدکننده در پیشرانه های موتورهای سوخت جامد وجود ندارد. از این رو کنترل و هدایت این موشک ها ساده نیست. اما اخیراً مهندسان به واسطه ارائه طرح هایی مانند تغییر هندسه سطح مقطع نازل این موتورها و نازل های هدایت شونده و بکارگیری سامانه های الکتریکی به پیشرفت هایی در این زمینه دست پیدا کردند. 

حال مهم ترین عامل در طراحی موتورهای سوخت جامد تعیین تکانه کل و به دنبال آن تعیین جرم پیشرانه (سوخت و اکسیدکننده) است. همچنین با توجه به این موارد، پارامترهای دیگری همچون ابعاد دقیق نازل و هندسه سطح مقطع بلوک موشک تعیین می شود. سپس بر اساس داده های به دست آمده از پارامترهای ذکر شده، مواردی مانند فشار محفظه، قطر آن، پوشش بیرونی و زمان کارکرد موتور و غیره محاسبه می شود.

اما یکی از مهم ترین پارامترهای موتورهای سوخت جامد، هندسه سطح مقطع بلوک موشک است که هر کدام از آن ها تاثیر مستقیمی در میزان نیروی پیشران موشک دارد. در شکل زیر به صورت کلی مهم ترین و پرکاربردترین هندسه های سطح مقطع بلوک های موشک های سوخت جامد ارائه شده و در کنار هر کدام نمودار تراست – زمان آن نمایش داده شده است.

قوی ترین و بزرگ ترین نمونه موشک های سوخت جامدی که تاکنون ساخته شده است، راکت های تقویتی شاتل های فضایی آمریکا بود که هر کدام با وزنی در حدود 500 تن، بیش از 14 میلیون نیوتن نیروی پیشران تولید می کردند.

 

پیشرانه های جامد

پیشرانه های جامد را به دو دسته همگن و ناهمگن (کامپوزیتی) تقسیم بندی می کنند. که هر دو نوع تراکم پذیر، پایدار و در دماهای معمولی قابل نگهداری هستند. 

پیشرانه های همگن خود از دو دسته تک پایه و دو پایه تشکیل می شوند. پیشرانه های همگن تک پایه معمولاً ترکیباتی مشابه نیتروسلولز هستند که قابلیت اکسایش و تراکم پذیری دارد. و نوع دو پایه آن ترکیبی از نیتروسلولز و نیتروگلیسیرین به همراه یک نرم کننده پلاستیکی (پلاستی سایزر) است. 

تکانه ویژه پیشرانه های همگن در شرایط عادی حدود 210 ثانیه است و گاز حاصل از اکسایش آن ها قابل رهگیری نیست. از این رو در برخی از سلاح های تاکتیکی نظامی استفاده می شود. همچنین در سامانه جدایش موشک ها مانند پیچ های انفجاری نیز کاربرد دارند.

از طرف دیگر پیشرانه جامد ناهمگن یا کامپوزیتی، گونه دیگری از پیشرانه های جامد هستند که ترکیبی از دو ماده متفاوت که یکی در نقش سوخت و دیگری در نقش اکسیدکننده ایفای نقش می کنند. به طور مثال در برخی از موشک های سوخت جامد مدرن، از پرکلرات آمونیوم در نقش اکسیدکننده (که تقریباً بین 60 تا 90 درصد جرم پیشرانه را تشکیل می دهد) و از آلومینیوم به عنوان سوخت استفاده می شود. این دو ترکیب توسط چسب های پلیمری به هم متصل می شود و موادی مانند اکسید آهن در نقش کاتالیزور، روند سوختن و اکسایش پیشرانه را تسریع می کند.

اغلب پیشرانه های ناهمگن با توجه به نوع پلیمر استفاده شده در آن شناخته می شوند. دو مورد از پرکاربردترین نوع این پلیمرها، PBAN و HTPB است که نوع اول دارای ضربه ویژه بیشتر، چگالی بالاتر و نرخ اکسایش بالاتری است. اما فرمولاسیون PBAN بسیار سخت تر می باشد و برای ترکیب و آمیختگی به حرارت بالاتری نیاز دارد. اما HTPB انعطاف پذیری بیشتری از خود نشان می دهد. ولی هر دوی این پلیمرها، خواص مکانیکی بسیار خوبی برای افزایش بهره وری و عملکرد پیشرانه های ناهمگن دارد.

 

ویژگی ها و کاربردها

موشک های سوخت جامد دارای ویژگی های خاصی است که تاثیر مستقیمی در کاربردهای استفاده از آن دارد. همان طور که پیش از این هم به آن اشاره شد، این موشک ها در مقایسه با موشک های سوخت مایع، پس از روشن شدن، دیگر خاموش نخواهند شد. از این رو قدرت مانورپذیری کمتری دارند. اما از طرفی دیگر زمان اشتعال این موشک ها بسیار کوتاه تر است و در مدت زمان کم، نیروی پیشرانش قابل توجهی تولید می کند. 

ویژگی مهم دیگر موشک های سوخت جامد، قابلیت نگهداری آن ها در سوله ها و در شرایط محیطی عادی است؛ و این ویژگی باعث می شود که در مدت زمان کوتاهی قابل استفاده و عملیاتی باشند. از این جهت پیشرانه اغلب موشک های نظامی جهان، پیشرانه های جامد هستند.

کاربردهای موشک های سوخت جامد در صنایع فضایی بسیار وسیع است. مانند: راکت های کاوشی، استفاده به عنوان راکت های تقویتی در مرحله اول پرتابگرهای فضایی و به کارگیری آن ها در مرحله پایانی پرتابگرها برای تزریق محموله به مدار نهایی و …

 

چرا موشک های سوخت جامد؟

حال این سوال مطرح است که چرا برخی از موشک های فضایی تماماً مبتنی بر موشک های سوخت جامد ساخته می شوند؟ و مزیت این موشک ها نسبت به همتایان مایع خود چیست؟ 

پاسخ این سوال را باید در ویژگی های این موشک ها بررسی کرد. طراحی، ساخت و پرتاب این موشک ها نسبت به موشک های سوخت مایع، هزینه کمتری دارد. به گونه ای که برای نگهداری و پرتاب آن ها نیازمند تسهیلات و تجهیزات زیاد نیست.

اما مسئله دیگری که شاید کشورهایی مانند چین را ترغیب به طراحی و ساخت یک سامانه پرتابی سوخت جامد کرده نموده، این است که این موشک ها زمانی که در سوله نگهداری می شود، همواره در وضعیت عملیاتی قرار دارند. به گونه ای که پس از خروج از انبار نگهداری، به سرعت می تواند برای انجام پرتاب آماده شود و این مسئله باعث خواهد شد در مواقع اضطراری و بحرانی و یا زمان هایی که نیاز به واکنش سریع احساس می شود، به سرعت به کار گرفته شوند. 

به طور مثال درباره موشک لانگ مارچ11 (موشک سوخت جامدی که چین قصد آزمایش آن را در سال 2016 دارد)، به نظر می رسد از این موشک در مواقع اضطراری مانند انجام عملیات نجات فضانوردان و یا به عنوان یک سلاح ضدماهواره واکنش سریع استفاده شود. البته هنوز اطلاعات دقیقی از ساختار، توان و قابلیت های فنی این موشک در رسانه ها منتشر نشده است.

No tags for this post.

نوشته های مشابه

یک دیدگاه

  1. برخی مواردی که در متن بهش اشاره شده بود نشان دهنده این بود که متن رو یک متخصص نوشته و این خیلی خوب بود

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا