پیشرانش فضایی چیست؟

گزارش‹«گسترش‹صنعت»‹از‹عملکرد‹شتاب‹دهند‹هها‹در‹فضا‹پیما

Sanat Newspaper - - صنعت زیرساخت -

امیر مهرزاد-صنعت زیرساخت: شتابدهندههای فضاپیما و ماهوارهها، دقیقترین مکانیزم و قطعاتی هس/تند که سرنوش/ت یک فضاپیما را تعیین میکنند. اگر ش/تاب به اندازه کافی ایجاد نش/ود، فضاپیما نمیتواند در مدار مشخصش/ده حرکت کند و اگر ش/تاب بیش از حد باش/د، ممکن است فضاپیما یا ماهواره از مدار خارج شود. بر این اساس سرنوشت پرندههای بدون سرنشین در فضا تا حد قابلتوجهی به شتاب دهندهها بستگی دارد. پیشرانش فضایی ب/ه مجموعه روشهایی گفته میش/ود که برای ش/تاب دادن فضاپیماه/ا و ماهوارهها تعریف شدهاند. برای این کار از روشهای مختلفی استفاده میشود که هرکدام مزایا و معایب خود را دارند و بهطور کلی پیشرانش فضایی حوزه بسیاری از تحقیقات کنونی در مراکز مهم فضایی دنیا بوده که نتیجه این تحقیقات بهبود روشهای موجود و توسعه روشهای جدید پیشرانش فضایی اس/ت. مبنای تولید تراست (نیروی پیش/ران) در بسیاری از این روشها شتاب دادن ذرات و اعمال عکسالعمل آن در جهت مخالف به خود وس/یله براس/اس قانون س/وم نیوتن است. با این حال در برخی روشهای در حال توسعه نیز از انرژیهای موجود در طبیعت مانند انرژی ذرات و فوتونهای بادهای خورشیدی یا انرژی مغناطیسی سیارات برای تولید تراست استفاده میشود که مزایای بسیار زیادی نسبت به روشهای معمول دارد.

«گسترش صنعت» برای بررسی بیشتر مکانیزم شتابدهندهها با زینبالسادات ابوالقاسمحسینی، کارش//ناس صنای//ع فضایی به گفتوگو نشس//ت. وی درب//اره تعری//ف ش//تابدهندهها گفت: تمام فضاپیماه//ا و ماهوارهه//ای کنون//ی از راکتهای شیمیایی س//وخت جامد و س//وخت مایع دوپایه )Bipropellant( و بهندرت سوخت مایع دوپایه )Monopropellant( ب//رای پرت//اب ب//ه مدار اس//تفاده میکنند. اگرچه برخی پرتابگرها مانند اسپیسش//یپ وان و راکت پگاسوس از موتورهای هواتنفس//ی در مرحله نخس//ت به//ره میگیرند. بیش//تر ماهوارهه//ا از رانشزاه//ای (تراس//تر) ش//یمیایی س//اده و قابل اطمینان یا رانشزاهای الکتریک//ی مانند جتهای مقاومت//ی برای حفظ مدار و کنترل وضعیت خود بهره میبرند و برخی نیز از چرخه//ای مومنتومی برای کنترل وضعیت استفاده میکنند.

ابوالقاسم حسینی با اشاره به اینکه فضاپیماهای بی//ن س//یارهای نی//ز از رانشزاهای ش//یمیایی و الکتریک//ی ب//رای انجام ماموریته//ای خود بهره میجویند، گفت: استفاده از رانشزاهای الکتریکی در ماهوارهها نخس//تین بار ازسوی شوروی سابق انجام ش//د. نخس//تین رانشزای مورد استفاده در یک ماموری//ت فضایی یک ران//شزای الکتریکی از ن//وع پالس پالس//مایی ی//ا PPT ب//ود که در س//ال ۴6۹۱میالدی روی ماه//واره ۲-Zond با ماموری//ت کنترل وضعیت س//ه مح//وره به پرواز درآمد. این نخس//تین اس//تفاده از یک رانشزا در فضا بود که زمینه گسترش انواع دیگر رانشزاهای الکتریکی را برای استفاده در ماموریتهای فضایی پس از آن فراهم کرد.

این کارشناس صنایع فضایی افزود: ماهوارههای غربی نیز پس از آن برای حفظ موقعیت ش//مال) جن//وب یا ‪south station‬ – ‪NSSK( north‬ keeping خود استفاده از رانشزاهای الکتریکی را آغ//از کردند. س//الها پ//س از آن اس//تفاده از رانشزاهای ش//یمیایی نیز در سیستم پیشرانش ماهوارهه//ا آغ//از ش//د. اس//تفاده از رانشزاهای الکتریکی و ش//یمیایی در فضاپیماها و ماهوارهها تا امروز ادامه دارد.

‹نیاز‹ماهواره‹به‹پیشرانش‹فضایی ‹

ابوالقاس//م حس//ینی گفت: یک ماه//واره پس از آنک//ه از زمی//ن به م//دار پرتاب ش//ود، باید در م//دار مش//خص و از قبل تعیین ش//ده خود قرار گیرد.

پس از قرارگیری در مدار خود احتیاج به کنترل وضعیت دارد تا بتواند در جهت مناس//ب نس//بت به زمین، خورش//ید و در صورت نیاز س//ایر اجرام س//ماوی قرار گی//رد. ماهوارهها تحت اثر پس//ای ناش//ی از الیه نازک اتمس//فر نیز ق//رار دارند، به همین دلیل ب//رای باقیماندن در م//دار در زمان طوالنی نیاز به یک سیس//تم پیشرانش که گاهی اصالح//ات کوچکمداری انجام دهد (حفظ مدار)

زینب السادات ابوالقاسم حسینی: بیشتر ماهوارهها از رانشزاهای (تراستر) شیمیایی ساده و قابل اطمینان یا رانشزاهای الکتریکی

مانند جتهای مقاومتی برای حفظ مدار و کنترل وضعیت خود بهره میبرند و برخی نیز از چرخهای مومنتومی برای کنترل وضعیت استفاده

میکنند

احس//اس میشود. بسیاری از ماهوارهها نیازمندند تا در زمانهایی مش//خص از مداری به مدار دیگر انتقال یابند که این امر به وس//یله یک سیس//تم پیشرانش انجام میشود. زمانی که ماهواره توانایی اصالح مدار خود را داشته باشد عمر کاری آن نیز افزایش مییابد. فضاپیماهایی که برای س//فرهای طوالنیت//ر س//اخته ش//دهاند (مانن//د س//فرهای بینسیارهای ،)Interplanetary( بین ستارهای )Interstellar( و اعماق فضا ‪)Deep Space(‬ نیاز به سیستم پیشرانش دارند.

آنها نی//ز مانند ماهوارهها به م//دار خارج از جو پرت//اب میش//وند ولی پس از آن خ//ود باید قادر باش//ند تا مدار را ترک کنند و به مسیر مورد نظر برون//د. البته به جز روشهای پیش//رانش فضایی معم//ول، روشهای جدید دیگری مثل اس//تفاده بادب//ان خورش//یدی ‪)Solar Sail(‬ نی//ز در حال بررس//یهای گسترده است که به علت محدودیت ذخیره س//وخت و زمان سفر، بسیار مناسب برای این دسته از ماموریتها هستند.

‹مانورمداری ‹

ابوالقاسم حسینی با بیان اینکه در زمینه حرکت در فض//ا، مانورمداری درواقع استفاده از سیستم پیشرانش برای تغییر مدار فضاپیماست، گفت: ان//واع متعددی از تغییر یا جابهجایی مدار وج//ود دارد که به برخی از آنها به طور مختصر اشاره خواهد شد:

جابهجای/ی م/داری هافم/ن ‪:)Hohmann transfer(‬ در این نوع از جابهجایی جرم مورد نظر بی//ن دو مدار کروی در یک صفحه و با ارتفاعات متفاوت جابهجا میشود.

انتقال بین 2 مدار بیضوی Bi-( ‪:)elliptic transfer‬ در ای//ن نوع انتقال نی//ز ماهواره از ی//ک مدار به مدار دیگر منتقل میشود با این تفاوت که میزان ش//تاب مورد نیاز آن کمت//ر از جابهجایی مداری هافمن است.

‹پیاد ‹هسازی‹سیستم‹پیشرانش‹فضایی ‹

ابوالقاسم حسینی در ادامه به بررسی پیادهسازی سیستم پیش//رانش فضایی پرداخت و انواع آن را این گونه توضیح داد:

۱موتور واکنش/ی ‪:)reaction engine(‬ این ن//وع موتور نیروی پیش//ران (تراس//ت) را بر اس//اس قانون س//وم نیوتن با اس//تفاده از واکنش جرم خروجی تامین میکند. بر این اس//اس بر هر نیروی عاملی، عکسالعمل//ی از محل اعمال نیرو وجود دارد.

با خ//روج مواد حاصل از احت//راق درون موتور، تغییر جرمی در فضاپیما ایجاد میش//ود که منجر به تغییر س//رعت فضاپیما در خالف جهت خروج جریان جرمی میش//ود، به ای//ن ترتیب فضاپیما میتواند با اس//تفاده از این سیس//تم سرعت خود را در لحظ//ات مختل//ف تغیی//ر داده و ماموریت مشخصی را انجام دهد.

ازجمل//ه موتورهای واکنش میت//وان به موتور موش//ک، موتوره//ای هواتنفس//ی و پیش//رانش الکترومغناطیس//ی اش//اره کرد. گفتنی اس//ت که موتوره//ای هواتنفس//ی در ماموریتهای فضایی کاربرد ندارند بلکه در بخش فرود به زمین پس از بازگشت به جو استفاده میشوند.

۱-۱موتور موش/ک ‪:)rocket engine(‬ بس//یاری از موتورهای موشک از دسته موتورهای احتراق داخلی هستند. این موتورها جرم خروجی به ش//کل گاز داغ را با دمایی بس//یار ب//اال تولید میکنند که این فرآیند از ترکیب س//وخت مایع، جامد ی//ا حتی گاز ب//ا مادهای اکس//یدکننده در محفظه احتراق انجام میشود. سپس این گاز داغ از دهانه خروجی )nozzle( زنگولهمانندی خارج میش//ود که این نازل بیش//تر انرژی گرمایی این گاز را به انرژی جنبش//ی موشک تبدیل میکند. در برخ//ی مواق//ع س//رعت گازه//ای خروجی ب//ه ۰۱ برابر س//رعت صوت در سطح دریا نیز رسیده است. اکنون بس//یاری از این رانشزاها از سوخت و اکس//یدکننده مایع استفاده میکنند و پیشرانه (س//وخت و اکسید کننده) پس از افزایش فشار به وسیله پمپها یا فشار گاز در مخازن به صورت مایع وارد محفظه احتراق میش//ود و پس از فروپاشی، اختالط فاز مایع، تبخیر، اختالط ف//از گاز و احتراق، گاز داغی تولید میش//ود که با حرکت در طول ن//ازل، ان//رژی گرمایی آن ب//ه انرژی جنبش//ی تبدیل میشود و تکانه جت خروجی، فضاپیما یا ماهواره را حرکت داده و پیش میراند. بهجرات میتوان گفت موتورهای موش//کی بیش//ترین نیروی پیشران را در فضاپیماها ایجاد میکنند.

-۱-2 پیش/رانش الکترومغناطیس/ی ‪:)electromagnetic propulsion(‬ به جز تولید گازهای خروجی داغ و روشهای دینامیک سیاالت راههای دیگری نیز برای شتاب بخشیدن ب//ه فضاپیما از طریق خروج ج//رم وجود دارد که از طری//ق نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیس//ی تامی//ن میش//ود. در این روش میت//وان اتمهای گازهای خروجی را با یک موتور الکتریکی س//اده یونیزه کرده و سپس با ایجاد اختالف ولتاژ در این یونها، آنها را با شتاب باالیی به حرکت درآورد و فضاپیما نیز تحت تاثیر این گازهای یونیزه شتاب میگیرد. البته ایده پیش//رانش الکتریکی به سال 6۰۹۱می//الدی بازمیگ//ردد که از س//وی رابرت گودارد مطرح شد.

برای برخی ماموریتها بهویژه نزیک خورش//ید، از انرژی خورش//یدی و در ماموریتهای دورتر از انرژی هس//تهای بهرهبرداری میشود. به هر حال در پیش//رانش الکتریکی با هر منبعی (شیمیایی، خورشیدی یا هستهای) بیشترین توان قابل تولید به میزان نیروی پیشران قابل تولید محدود است.

تراس//ترهای الکتریکی اغلب نیروی پیشرانشی کمتر از یک نیوتن تولید میکند.

ای//ن نی//رو روی زمین به ط//ور تقریبی معادل وزن برداشتن یک خودکار است اما همین نیروی ک//م برای افزای//ش عمر مداری ماهوارهها بس//یار حائز اهمیت اس//ت. این اهمیت س//بب ش//ده تا ناسا و شرکتهای بزرگ روزبهروز درحال ارتقای تراسترهای الکتریکی خود باشند.

تراستر NEXT یک موتور الکتریکی با سوخت زنون اس//ت که هماکنون در آزمایشگاه پیشرانش الکتریکی مرکز تحقیق//ات گلن در حال آزمایش اس//ت. از این تراستر قرار اس//ت در ماموریتهای آینده ناسا در فضا که امکان استفاده از تراسترهای شیمیایی وجود ندارد، استفاده شود.

اس//تفاده از تراس//ترهای الکتریک//ی از س//ال ۰6۹۱می//الدی آغاز ش//د. ای//ن تراس//ترها توان الکتریکی خود را از پنلهای خورش//یدی یا منابع سوخت هستهای تامین میکنند. سپس این توان الکتریکی برای یونیزه ک//ردن مولکولهای درون محفظه تراس//تر (که برای تراس//تر NEXT این مولکول از نوع زنون اس//ت) اس//تفاده میش//وند. مولکولهای یونیزه شده با حرکت به سوی قطب منفی تراس//تر ش//تاب گرفت//ه و وارد یک صفحه مشبک هدایتکننده شده و سپس از انتهای نازل خارج میش//وند، بهاین ترتیب نیروی پیش//رانش تولی//د میکنند. این تراس//ترها اغلب ش//امل 5 بخ//ش اصلی منبع ت//وان، واحد پ//ردازش توان، سامانه مدیریت س//وخت، رایانه کنترل و محفظه اصلی تراستر هستند.

تراس//ترهای الکتریکی نیروی پیش//رانش کمی را تولی//د میکنند اما همین نی//روی کم با توجه به وجود ش//رایط خأل در فضا ب//رای ماهوارهها و فضاپیماه//ا بس//یار مفی//د خواهد ب//ود. اغلب از تراسترهای الکتریکی برای حفظ موقعیت مداری اس//تفاده میش//ود. البته گاهی از آنها برای انجام مانورهای مداری در بازهه//ای زمانی طوالنی نیز استفاده میشود.

-2 پیشرانش بدون استفاده از عکسالعمل جرم خروجی: طبق قان//ون بقای اندازه حرکت، اگر جرمی از جس//م خارج نش//ود ی//ا نیرویی به آن وارد نش//ود پس نمیتوان//د مرکز جرم خود را جابهجا کرده وشتاب بگیرد.

ح//ال آنک//ه الزم اس//ت بدانی//م فضا ب//ه ویژه منظوم//ه شمس//ی بهطور کام//ل خال//ی از نیرو نیس//ت بلکه نیروی گرانش//ی بین اجرام و نیروی الکترومغناطیس//ی اهمی//ت وی//ژهای دارن//د که میتوانن//د باعث ایج//اد تغییر در ان//دازه حرکت فضاپیما ش//وند اما چون بهرهگیری از این نیروها نیاز به ابزار دقیق و پیچیدهای دارد هنوز در حال بررسی است.

Newspapers in Persian

Newspapers from Iran

© PressReader. All rights reserved.