نیاز مأموریت های فضائی به موشک های چند مرحله ای
برای اجرای هر نوع مأموریت فضایی مشخصات موشک باید از نظر انرژتیکی و وزنی برای آن مأموریت بهینه گردد. بنا بر این نباید انتظار داشت تا طیف وسیعی از مأموریت ها تنها با یک موشک چند مرحله ای قابل اجرا باشد.
در واقع برای هر مأموریتی باید محاسبات بالستیکی و وزنی انجام گیرد و طراحی پیشران ها و ساختار بهینه موشک بر اساس نتایج این فرایند حاصل خواهد شد. البته به طور معمول، بخشی از این تنوع مورد نیاز با بهسازی موشک های موجود تأمین می گردد.
وظیفه اصلی موشک تأمین سرعت مشخص شده برای بار مفید خود است. با توجه به بار مفید و سرعت مربوط، مقدار سوخت مورد نیاز معین می شود. هر قدر بار مفید و سرعت لازم بیشتر باشد مقدار این سوخت بیشتر و به دنبال آن وزن اولیه موشک بیشتر خواهد بود و همین مسئله انتظار پیشرانش بالاتر از موتور را به همراه خواهد داشت.
با افزایش مقدار سوخت، اندازه و همچنین وزن مخازن سوخت مایع یا جداره گرین سوخت جامد نیز افزایش خواهد یافت. با افزایش پیشرانش، وزن موتور نیز بالا می رود و وزن کلی سازه افزایش خواهد یافت. یکی از عمده ترین نقاط ضعف موشک های یک مرحله ای در آن است که سرعت مورد نظر نه تنها برای بار مفید بلکه برای تمامی سازه ای که دیگر مورد نیاز نیست تأمین می شود مثلاً وقتی بیش از نصف سوخت سوزانده شده، موتور همچنان باید برای کل سازه مخزن انرژی جنبشی فراهم کند.
با افزایش وزن سازه، یک بار اضافی بر توانایی انرژتیک موشک تحمیل می شود که خود به خود محدودیتی بر سر راه دستیابی به سرعت مورد نظر است. این مشکلات تا حدودی با استفاده از موشک های چند مرحله ای رفع شده.
موشک چند مرحله ای به موشک هایی گفته می شود که در حین پرواز هر قسمت از آن که کار خود را به انجام رسانده از سایر قسمت های بدنه جدا می شوند بدین ترتیب در حین پرواز، سرعت برای قسمت های در حال کار یا قسمت هایی که هنوز کار خود را به انجام نرسانده اند و بار مفید تأمین می شود.
در هنگام پرتاب، قوی ترین موتورهای موشک یعنی موتورهای مرحله اول شروع به کار خواهند کرد. این موتورها قادر به بلند کردن موشک از روی سکوی پرتاب و رساندن آن تا سرعت معین است.
پس از اتمام مقدار سوخت تعیین شده در مرحله اول این مرحله از موشک جدا می شود و موتورهای مرحله دوم شروع به کار می کنند. این موتورها قسمت باقی مانده از موشک را به سرعت مورد نظر می رسانند و پس از اتمام سوخت مانند موتور مرحله قبل به همراه باک ها و سازه از موشک جدا می شوند.
از نظر تئوری جدایش مراحل می تواند به تعداد بیشتر نیز صورت پذیرد اما در عمل تعداد مراحل موشک را به صورت مجهولی برای مسئله بهینه کردن سازه آن در نظر می گیرند و تعیین می کنند که آیا افزایش تعداد مراحل به ازای بار مفید ثابت باعث کم شدن جرم اولیه در موقع پرتاب موشک می شود یا خیر.
اما با افزایش تعداد مراحل موشک از تعداد n به n+1، به صرفه بودن با درجه n کم می شود. شاخص های وزنی در مرحله یا بلوک موشک افت می کند، هزینه ها بالا می رود و کاملاً آشکار است که قابلیت اطمینان مجموعه نیز کم می شود. برخلاف موشک های یک مرحله ای در موشک های چند مرحله ای تنها مرحله آخر به همراه بار مفید، سرعت نهایی مشخص شده را بدست می آورد و نه تمامی سازه موشک. بلوک های قبلی سرعت کمتری به دست می آورند که این خود باعث صرفه جویی در مصرف انرژی می شود.
موشک ماهواره بر 4 مرحله ای آریان-1 برای حمل ماهواره به مدار پائین از سطح زمین به سرعت مشخصه 9400 متر بر ثانیه معادل با سرعت حقیقی 7800 متر بر ثانیه احتیاج است.
اگر سرعت مؤثر جریان خروجی را مقدار 4400 متر بر ثانیه فرض کنیم که تقریباً برابر حد نهایی توانایی انرژتیک سوخت های شیمیایی موشک ها است و به صورت همزمان نسبت وزن نهایی موشک به وزن اولیه آن را برابر با کمترین مقدار قابل دسترس از نظر فرایندهای صنعتی ساخت فعلی یعنی 0.12 در نظر بگیریم با رابطه مربوط به سرعت گریز موشک به عدد 9300 متر بر ثانیه خواهیم رسید که کمتر از سرعت مشخصه مورد نیاز برای دسترسی به مدارهای نزدیک به زمین است.
بنا بر این موشک های تک مرحله ای با سوخت شیمیایی با فناوری های در دسترس شامل سوخت، مواد، سازه، روش های ساخت و مونتاژ، بازدهی پیشران ها و ... برای ساخت ماهواره بر مناسب نیست هر چند که در آینده با پیشرفت های بیشتر احتمال دارد که این موشک ها به سرعت مشخصه کافی برای مدارهای پائینی برسند. اما فعلاً ماهواره برها دستکم 2 مرحله ای هستند.
به گزارش مشرق، با توجه به عدم باور توانمندی های فناورانه ایران، تعجب کارشناسان خارجی از اینکه اولین ماهواره بر ایرانی 2 مرحله ای بوده و بنا بر این سطح بالایی از فناوری را داشته قابل درک است.
سرعت مشخصه موشک چند مرحله ای جمع جبری سرعت های به دست آمده به وسیله هر مرحله خواهد بود. در این حالت وزن تمامی مراحل بعدی و بار مفید حمل شونده، برای مرحله قبلی موشک به عنوان بار مفید به حساب می آید.
بر خلاف موشک های یک مرحله ای موشک های چند مرحله ای که با سوخت مایع کار می کنند می توانند به راحتی مسئله حمل ماهواره ها بر روی مدارهای پائینی را حل کنند. اولین ماهواره در سال 1957 به وسیله یک موشک 2 مرحله ای در مدار زمین قرار گرفت. برای ماهواره های سنگین از موشک های 3 مرحله ای استفاده می شود.
موشک ها با مراحل بیشتر امکان دسترسی به سرعت های بالاتر را برای سفر به ماه یا کرات دیگر منظومه شمسی فراهم می کنند.
در این حالت ممکن است حتی موشک 3 مرحله ای نیز کافی نباشد. در چنین وضعی سرعت مشخصه لازم افزایش قابل ملاحضه ای می یابد و برای به دست آوردن مدار فضایی مورد نیاز احتیاج به روشن و خاموش کردن مکرر موتورها و کم یا زیاد کردن سرعت بسته به قرار گرفتن سفیه در میدان جاذبه یکی از اجرام فضایی (خورشید و ماه و ...) است که همین امر مسئله را پیچیده تر می کند.
در مرحله اول موشک چند مرحله ای، نسبت نیروی رانش اولیه به وزن اولیه باید بیشتر از یک باشد که معمولاً این نسبت بین 1.25 تا 2 تغییر می کند. برای مراحل دوم و سوم این نسبت می تواند کمتر از یک باشد زیرا با تغییر زاویه محور موشک نسبت به افق، تنها مؤلفه ای از نیروی وزن در امتداد بردار رانش موشک قرار می گیرد که به مراتب کمتر از وزن کل موشک است.
در عوض در این فاز از پرواز در صورتی که موشک هنوز در جو غلیظ باشد بدنه موشک نیز می تواند مقداری نیروی بالابرنده را برای غلبه بر وزن تأمین نماید. جدایش مرحله اول در شرایطی اتفاق می افتد که نیروهای آیرودینامیکی کاهش یافته باشند و مقادیر کمی را به خود اختصاص دهند.
جدایش مرحله اول موشک غول پیکر 3 مرحله ای و 110 متری ساترن-5 این نیروها در ارتفاع 8 تا 15 کیلومتری به بیشتری مقدار خود می رسند و پس از آن به سرعت کاهش می یابند که ناشی از کاهش قابل توجه چگالی هوا است. برای اجرای هر چه بهتر فرایند جدایش از موتورهای سوخت جامد کوچکی به نام موتورهای ترمزی استفاده می شود که با نصب روی مرحله جدا شونده، پس از جدایش از موشک، نیرویی در خلاف جهت حرکت به بخش جدا شده وارد کرده و عملاً مانند ترمز برای آن مرحله موشک عمل می نمایند تا فاصله آن از بقیه موشک که باید به مسیر ادامه دهد سریعاً زیاد شود.
به این ترتیب امکان روشن شدن موتور مرحله بعدی نیز به طور ایمن مقدور می گردد و از بروز احتمال برخورد مرحله جدا شده با موشک کاملاً جلوگیری می شود.
شبیه سازی عملکرد موتورهای ترمزی نصب شده روی مرحله اول یک موشک فضائی ساختار موشک های چند مرحله ای
برای موشک های چند مرحله ای ساختارهای متنوعی مشاهده شده است که 2 ساختار مشهورتر شامل قرارگیری تمام مراحل به صورت پشت سر هم مانند موشک آریان-1 و قرارگیری مرحله اول یا موتورهای کمکی اولیه به طور موازی با سایر مراحل است.
در حالت اول، برای هر مرحله از موشک، جمع وزن محموله نهایی و وزن مراحل بعدی به عنوان بار مفید در نظر گرفته می شود. هر چند از نظر وزنی این دو ساختار معمولاً هم ارز هستند اما در نهایت طرح بهینه بر اساس ابعاد، وزن بار مفید، ترکیب سوخت، میزان پیشران ویژه مورد نیاز هر مرحله و فناوری های در دسترس تعیین می شود.
موشک تیتان-34D با ساختار موازی نکته منفی ساختار موازی را می توان در اعمال نیروهای بزرگی در نقاطی از سازه دانست که بر هم زننده توزیع یکنواخت نیروهای ایجاد شونده در پرواز در سازه و سطح بدنه است. همچنین در گونه هایی از موشک های با ساختار موازی که مراحل کناری از سوخت مراحل میانی استفاده می کنند مسائل آب بندی اتصالات و لوله های انتقال سوخت نیز وجود دارد که چندان هم ساده نیست.
یک نحوه اتصال مراحل در موشک 3 مرحله ای سوخت جامد از سوی دیگر در ساختار پشت سر هم نیز بارگذاری هر مرحله از مراحل بعد از خود بیشتر است چون باید تمام وزن مراحل بعدی را تحمل نماید از این رو است که نمی توان بدون اجرای محاسبات دقیق طراحی ارجحیت این دو طرح را نسبت به یکدیگر برای یک تعریف مأموریت مشخص سنجید.
یک نکته مثبت در ساختار پشت سر هم، امکان حمل و نقل راحت تر موشک پیش از پرتاب است زیرا این نوع موشک را می توان توسط خودروهای بزرگ و در انواع فضایی توسط راه آهن منتقل کرد.
از این بابت محدودیت بسیار کمتری برای کنار هم بودن تأسیسات ساخت و مونتاژ موشک و تأسیسات ایستگاه پرتاب وجود دارد. این در حالی است که موشک های دارای ساختار موازی مانند شاتل های فضائی آمریکا معمولاً نیازمند یک خودروی غول پیکر برای حمل موشک مونتاژ شده به سکوی پرتاب هستند.
نبرد پارامترها
همانطور که ذکر شد هدف از افزایش تعداد مراحل یک موشک فضایی رسیدن به سرعت بیشتر است اما باید دانست که عوامل مختلفی سبب اتلاف سرعت در موشک می شوند. اثر جاذبه زمین و اثر نیروهای آیرودینامیکی از مهمترین عوامل هستند.
حرکت در میدان جاذبه زمین علاوه بر کاهش سرعت متناسب با شتاب جاذبه در ارتفاع لحظه ای موشک، سبب وارد شدن پارامتری تحت عنوان سرعت مصرف سوخت در فرمول ها خواهد شد. در واقع هر چه سوخت با سرعت بیشتری مصرف شود از مدت زمانی که موشک در میدان جاذبه باقی می ماند کاسته شده و در نتیجه اتلاف ناشی از شتاب جاذبه زمین کمتر می شود.
به علاوه در حرکت در میدان جاذبه، مدت زمان بین جدا شدن یک مرحله تا روشن شدن موتور مرحله بعدی نیز باعث اتلاف سرعت دیگری می شود. از این مورد نیز می شود نتیجه گیری کرد که برای کاهش اتلاف سرعت ناشی از جاذبه زمین باید زمان کارکرد موتور را کوتاه تر کرد به این معنی که میزان بیشتری از انرژی را در مدت کمتری به موشک وارد کرد. برای این منظور باید نسبت پیشران اولیه موشک به جرم اولیه آن را افزایش داد.
اما جالب اینجاست که سرعت گرفتن موشک های فضایی در اینجا به مشکلات دیگری بر می خورد زیرا افزایش نسبت فوق سبب بیشتر شدن اتلاف های دیگری می شود. در واقع بیشتر کردن پیشران اولیه موشک باعث افزایش اندازه ها و وزن موتور موشک می شود.
در اثر این افزایش در حالی که وزن بار مفید یکسان باشد نسبت وزن نهایی به وزن کل افزایش می یابد که خود باعث کاهش سرعت قابل دستیابی می گردد. اما این هم هنوز همه ماجرا نیست. نیروی پیشران بالاتر سبب افزایش شتاب و در نهایت بیشتر شدن نیروهای اینرسی می شود. این مورد نیز به نوبه خود تقویت بیشتر بدنه را به دنبال می آورد و همین امر باعث سنگین تر شدن سازه می شود.
به گزارش مشرق، سرعت بالایی که موشک به دست می آورد باعث افزایش مقاومت آیرودینامیکی (نیروی وارده از هوا به جسم) در لایه های غلیظ می شود زیرا این نیرو با توان دوم سرعت رابطه دارد. بنا بر این پرواز با سرعت های بالاتر به معنی اتلاف سرعت ناشی از نیروی مقاوم هوا خواهد بود.
این نیروی مقاوم در جو غلیظ سبب افزایش بارهای حرارتی اضافی بر بدنه و سازه نیز می شود که برای مقابله با آنها ناچار به استفاده از عایق های حرارتی وجود دارد که خود به معنی افزایش وزن اضافی سازه است. با توجه به ارتباط نیروهای آیرودینامیکی به سرعت، خود به خود این نیرو به تمام پارامترهای مؤثر بر سرعت نیز وابسته خواهد شد.
مطالب فوق تنها بخش های اصلی از وابستگی پیچیده بین پارامترهای مختلف حاضر در پرواز یک موشک فضایی است که کاهش یکی باعث افزایش دیگری می شود و به عکس. همین وابستگی پارامترها به هم، طراحان را به طرف اجرای محاسبات سنگینی برای رسیدن به حالت بهینه بین پارامترهای مختلف سوق می دهد.
بنا بر این طراحی موشک های فضایی یک فرایند طولانی و پیچیده و نیازمند تکرار حلقه های طراحی است. در واقع طراحی یک موشک فضایی، حل یک مسئله با مجهول های بسیار است.
تجهیزات زمینی، شیوه حمل و پرتاب
به طور معمول با پرتاب یک موشک توجه همه به پرواز آن جلب می شود. اما روی زمین و پیش و پس از پرتاب تجهیزات مختلفی برای اجرای موفق یک مأموریت فضائی به موشک خدمات ارائه می نمایند. مجموعه تجهیزات زمینی کار خود را قبل از پرتاب شروع کرده، در طی پرواز هم ادامه داده و حتی پس از مأموریت نیز تا مدتی در حال تحلیل نتایج حاصل و رفع عیوب و آسیب های ناشی از اثرات پرتاب در تجهیزات زمینی هستند.
به عقیده کارشناسان پرواز یک موشک بدون در اختیار داشتن تجهیزات زمینی متناسب همانقدر ناممکن است که بدون موتور و سامانه هدایت و کنترل. در واقع تجهیزات زمینی منعکس کننده ارتباط دست آوردهای فضائی با سطح فناوری های جدید، صنایع سنگین، حمل و نقل، صنایع مخابرات و الکترونیک و به طور خلاصه شاخه های متعدد صنایع هر کشور هستند.
به طور کلی تجهیزات زمینی که به منظور پرتاب موشک های فضائی در نظر گرفته می شوند به 2 گروه بخش فنی و بخش پرتاب تقسیم می شوند که هم از نظر ساختار سازمانی و هم از لحاظ تجهیزات و مأموریت کاری متفاوت هستند.
با افزودن مجموعه فرماندهی و کنترل که مجموعه مستقل و سازماندهی شده سطح بالا از تجهیزات ارتباط رادیویی، اندازه گیری، پردازش داده ها، نمایش اطلاعات برای کاربران برای تصمیم گیری و اجرای آن پیرامون مأموریت فضائی قبل از پرتاب، حین پرواز و شکل دادن به مسیر و رسیدن به مدار مد نظر و طی مدت پرواز است به بخش فنی و بخش پرتاب، یک پایگاه فضائی شکل می گیرد.
پایگاه پرتاب واندنبرگ و فضاپیمای شاتل حمل اجزاء و مراحل مختلف موشک به محل مونتاژ، اجرای فرایند مونتاژ، سوخت گیری مراحل توسط سوخترسان های مخصوص، چک های مربوط به صحت زیرسامانه های پیشران، راه اندازی سامانه هدایت و کنترل با استفاده از تجهیزات دقیق مرجع، انتقال به موشک به سکوی پرتاب و ایجاد حالت عمودی و تراز کردن دقیق موشک در حالت عمودی برخی از اقدامات پیش از پرتاب هستند که توسط تجهیزات زمینی به انجام می رسد.
در حالت اصولی این کارها در پایگاه فضائی انجام می شود که باید علاوه بر سوله مونتاژ و آزمایش، آزمایشگاه های تخصصی بخش های مختلف، کارگاه های تعمیراتی و پشتیبانی فنی، تجهیزات تولید و انتقال برق اضطراری یا حتی عادی، سکوی پرتاب و بخش های وابسته به آن شامل کانال های هدایت و پخش گازهای خروجی موشک، آب پاش های خنثی کننده از اثرات موج صوتی پیشران موشک دارای امکانات کامل یک شهرک مسکونی برای افراد درگیر مأموریت فضائی و خدمه زمینی و راه های ارتباطی مناسب نیز باشد.
سکوی پرتاب سایوز برخی پایگاه های فضائی علاوه بر اتصال به خط راه آهن از یک فرودگاه نیز برای حمل محموله و یا فعالیت های فوری مورد نیاز مأموریت فضائی نیز برخوردار هستند یا در کنار دریا ساخته می شوند تا ضمن ایمنی بیشتر برای جدایش مراحل موشک از کشتی ها نیز برای حمل بارهایی استفاده کنند که برای راه آهن و هواپیما غیراستاندارد محسوب می شوند.
به طور معمول سه روش برای مونتاژ اجزاء یک موشک چند مرحله ای وجود دارد: مونتاژ افقی و انتقال به سکوی پرتاب و سپس عمود کردن موشک، مونتاژ عمودی در فضای روباز در سکوی پرتاب و مونتاژ به صورت عمودی در سوله تخصصی و سپس انتقال عمودی موشک به سکوی پرتاب.
ساده ترین و اقتصادی ترین روش در بین راه حل های فوق روش اول است که برای بسیاری از موشک های فضائی مورد استفاده قرار می گیرد. البته استفاده از این روش برای موشک های چند مرحله ای با ساختار موازی با دشواری هایی رو به رو است.
مونتاژ موشک ماهواره بر 2 مرحله ای سفیر-1 به صورت افقی صورت می گیرد با هر یک از سه روش فوق فرایند انتقال بخش ها یا کل موشک گامی بسیار حساس در یک مأموریت فضائی است زیرا مشکلات کوچکی ممکن است به از دست رفتن کل پروژه منجر شود. مثلاً در صورت حمل نامناسب و ایجاد ارتعاش در بدنه موشک احتمال خراب شدن اتصالات آب بندی ها لوله ها، قطع شدن ارتباط های الکتریکی در برخی بخش ها و یا حتی ایجاد ترک در بعضی قسمت ها وجود دارد که در طی پرواز به ایجاد سانحه و شکست مأموریت منجر می شود.
حمل موشک حامل فضاپیمای سایوز با استفاده از راه آهن موشک های بالستیک سنگین و موشک های فضایی به صورت عمودی پرتاب می شوند. تغییر وضعیت موشک از حالت افقی به عمودی توسط جرثقیل های مخصوص یا جک های هیدرولیکی قوی انجام شده و سپس موشک در حالت عمودی تثیت و تراز می شود.
شیوه پرتاب عمودی نه تنها نسبت به حالت پرتاب شیب دار ارجحیت دارد بلکه می توان گفت تنها حالت ممکن انجام مأموریت این رده از موشک ها نیز هست زیرا سازه موشک های فوق به عنوان احجام جدار نازک به حساب می آیند که تحمل نیروهای جانبی وارد شده از طرف تجهیزات پرتاب در حالت شیبدار را نخواهند داشت. در صورت تقویت سازه موشک به منظور تحمل چنین نیروهایی وزن موشک ها به مقدار قابل توجهی افزایش خواهد یافت.
بعد از پرتاب موشک به مدت 5 تا 15 ثانیه به پرواز عمودی خود ادامه داده و پس از آن شروع به تغییر مسیر می نماید.
