دستاورد جدید فضایی ایران؛ جهش بزرگ ماهواره‌ها و تغییر معادلات فضایی

اجتماعی به گزارش باور خبر به نقل از تسنیم، توسعه زیرساخت‌های فضایی در کشورهای پیشرفته همواره مسیری را از تثبیت فناوری‌های پایه پرتاب به سمت توسعه سامانه‌های پیچیده ناوبری و انتقال مداری طی می‌کند. در ادبیات مهندسی فضایی، دسترسی به مدارهای بالاتر از مدار پایین زمین (LEO) و همچنین استقرار شبکه‌های پیچیده ماهواره‌ای، نیازمند ابزارهایی است که فراتر از توانمندی‌های سنتی پرتابگرهای اولیه عمل کنند. اظهارات سرپرست پژوهشگاه فضایی ایران در روز گذشته مبنی بر بازتعریف دقیق طرح‌های فضایی و ورود به عرصه «سوخت مایع» در پروژه‌های سری بلوک انتقال مداری «سامان»، نشان‌دهنده یک نقطه عطف و تغییر اساسی در دکترین فضایی کشور است. این گذار فناوری، تنها یک ارتقاء مهندسی ساده نیست، بلکه کلیدواژه اصلی برای ورود به عصر منظومه‌سازی، اقتصاد فضا و دسترسی پایدار به مدارهای راهبردی نظیر مدار زمین‌آهنگ (GEO) محسوب می‌شود.

برای درک اهمیت اظهارات مطرح شده در خصوص ورود به سوخت مایع، ابتدا باید جایگاه بلوک انتقال مداری در معماری ماموریت‌های فضایی به دقت تبیین شود. در صنعت هوافضا، پرتابگرها (Launch Vehicles) وظیفه غلبه بر گرانش زمین و عبور از لایه‌های ضخیم اتمسفر را بر عهده دارند. پرتابگرهای سنگین و چندمرحله‌ای به گونه‌ای طراحی شده‌اند که با تولید نیروی رانش عظیم، محموله را به فضا برسانند. با این حال، به دلیل وزن بالای سازه و موتورهای غول‌پیکر این پرتابگرها، استفاده از آن‌ها برای انجام مانورهای ظریف در فضا یا انتقال محموله به مدارهای بسیار دور، از نظر راندمان جرمی به شدت غیرمنطقی و ناکارآمد است.

بلوک انتقال مداری (Orbital Transfer Block) که در ادبیات بین‌المللی با عناوینی نظیر یدک‌کش فضایی (Space Tug) یا مرحله شتاب‌دهنده (Kick Stage) شناخته می‌شود، یک فضاپیمای کاملاً مستقل است که پس از اتمام کار پرتابگر اصلی و رهاسازی در یک مدار اولیه (مدار پارکینگ)، وظیفه حمل ماهواره را به مدار نهایی و عملیاتی بر عهده می‌گیرد. این سامانه‌ها دارای ساختار بسیار سبک، سیستم ناوبری و کنترل وضعیت مستقل و موتورهای بهینه‌سازی شده برای عملکرد در شرایط خلأ مطلق هستند.

استفاده از این بلوک‌ها در معماری پرتاب، ضریب موفقیت را به شدت افزایش داده و دست طراحان ماموریت را برای ارسال محموله‌های سنگین‌تر باز می‌گذارد. به عنوان مثال، در صورت استفاده از بلوک انتقال مداری در مرحله آخر پرتابگرها، امکان انتقال محموله‌های بسیار سنگین‌تر به مدارهایی با شیب‌های متفاوت فراهم می‌شود که پیش از این برای پرتابگرهای سنتی غیرممکن بود. بلوک‌های انتقال مداری وظایفی نظیر اجرای مانور انتقال برای افزایش ارتفاع مداری، تغییر زاویه شیب مداری و همچنین مانورهای خروج از مدار برای جلوگیری از تولید زباله‌های فضایی را بر عهده دارند.

هسته مرکزی صحبت‌های سرپرست پژوهشگاه فضایی ایران، پاسخ به این نیاز راهبردی است که سامانه‌های پیشین انتقال مداری دیگر پاسخگوی ماموریت‌های نوین نیستند. بیان این جمله که «علاوه بر سوخت جامد، در پروژه‌های ماهواره‌های سامان، فعالیت در حوزه سوخت مایع نیز آغاز شده است»، نیازمند موشکافی دقیق تفاوت‌های فیزیکی و عملیاتی این دو نوع پیشرانش است.

موتورهای راکتی براساس خروج گازهای داغ حاصل از احتراق با سرعت بالا کار می‌کنند اما نحوه ذخیره‌سازی، ترکیب و مدیریت این پیشرانه‌ها، مرز میان یک «شتاب‌دهنده ساده» و یک «یدک‌کش فضایی هوشمند» را تعیین می‌کند.

در فناوری سوخت جامد، ماده سوختی و اکسیدکننده به صورت یک ترکیب شیمیایی یکپارچه (پلیمری یا الاستومری) درآمده و درون یک محفظه فلزی یا کامپوزیتی قالب‌گیری می‌شوند. از مزایای غیرقابل انکار این موتورها می‌توان به سادگی ساختار، قابلیت نگهداری طولانی‌مدت و تولید نیروی رانش عظیم نسبت به وزن و ابعاد اشاره کرد. موتور سوخت جامد فاقد هرگونه پمپ، توربین یا شبکه لوله‌کشی پیچیده است.

با این وجود، استفاده از سوخت جامد در بلوک‌های انتقال مداری با محدودیت‌های مهندسی بسیار جدی روبرو است. بزرگترین و بحرانی‌ترین نقطه ضعف این موتورها در ماموریت‌های فضایی، عدم کنترل‌پذیری آن‌هاست. به محض ارسال فرمان اشتعال، موتور سوخت جامد روشن شده و تا پایان یافتن آخرین ذره از سوخت به سوختن ادامه می‌دهد. در این سیستم‌ها، امکان «خاموش کردن موتور» (Shutdown)، «روشن کردن مجدد» (Restartability) و یا «کنترل و تنظیم میزان نیروی رانش» (Throttling) وجود ندارد.

علاوه بر این، تکانه ویژه که شاخصی برای اندازه‌گیری راندمان مصرف سوخت است، در موتورهای جامد به طور کلی پایین‌تر از سیستم‌های مایع است. در ماموریت‌های فضایی که هر گرم وزن از اهمیت استراتژیک برخوردار است، پایین بودن راندمان به معنای کاهش وزن محموله مفید خواهد بود.

در پیشرانش سوخت مایع، ماده سوختی و اکسیدکننده در مخازن مجزا و تحت شرایط کنترل‌شده نگهداری می‌شوند. این سیالات معمولاً توسط گازهای تحت فشار (مانند هلیوم) یا سیستم‌های پیچیده توربوپمپ به درون محفظه احتراق تزریق می‌شوند. ورود پروژه «سامان» به حوزه سوخت مایع، قابلیت‌های عملیاتی شگرفی را برای این سامانه به ارمغان می‌آورد که در معماری سوخت جامد اساساً غیرممکن بود.

مهم‌ترین دستاورد ورود به سوخت مایع، قابلیت احتراق مجدد (Restartability) است. موتورهای مایع به دلیل بهره‌گیری از شیرآلات کنترلی دقیق، می‌توانند در محیط خلأ بارها روشن و خاموش شوند. این ویژگی به بلوک انتقال مداری اجازه می‌دهد تا در یک نقطه از مدار موتور خود را برای چند ثانیه روشن کند تا وارد یک مدار انتقال بیضوی شود، سپس موتور را خاموش کرده و در فاز پرواز آزاد (Coasting) تا رسیدن به نقطه اوج مداری حرکت کند. با رسیدن به نقطه هدف، موتور مجدداً روشن می‌شود تا مدار را دایره‌ای کرده و ماهواره را در موقعیت دقیق مستقر سازد.

دومین برتری، امکان کنترل پیوسته رانش (Throttling) است. با تغییر دبی ورودی سوخت و اکسیدکننده از طریق شیرآلات تناسبی، می‌توان شدت نیروی رانش را کم یا زیاد کرد. این قابلیت برای استقرار نرم و ایمن ماهواره‌های حساس، بدون وارد کردن شوک‌های گرانشی شدید (G-force) به محموله، بسیار حیاتی است. این دقت و انعطاف‌پذیری، پیش‌نیاز اصلی برای ماموریت‌های پیچیده از جمله ملاقات مداری (Rendezvous) و استقرار منظومه‌ها است.

برای درک ارزش کار پژوهشگاه فضایی، باید به پیچیدگی‌های فناوری سوخت مایع در محیط فضا نیز اشاره کرد. یکی از بزرگترین چالش‌ها، مدیریت پیشرانه در شرایط بی‌وزنی (Zero-G Propellant Management) است. در غیاب جاذبه، سوخت مایع در مخزن به صورت حباب‌های معلق درآمده و به دیواره‌ها می‌چسبد (پدیده Sloshing). در چنین شرایطی، اگر شیرهای خروجی باز شوند، احتمال مکش گاز به جای مایع به درون موتور وجود دارد که به خاموشی یا انفجار موتور منجر می‌شود. توسعه دستگاه‌های مدیریت پیشرانه (PMD) با استفاده از ساختارهای مویینگی و اسفنج‌های فلزی، از دستاوردهای پنهان و بسیار پیچیده در توسعه بلوک‌های سوخت مایع است.

همچنین، استفاده از پیشرانه‌های مایع در فضا معمولاً نیازمند سوخت‌های «هایپرگولیک» (Hypergolic) نظیر هیدرازین، UDMH یا MMH به همراه تتراکسید نیتروژن (NTO) است. این سوخت‌ها به شدت سمی و خورنده هستند، اما مزیت اصلی آن‌ها این است که به محض تماس با یکدیگر به صورت خودبه‌خودی مشتعل می‌شوند و نیازی به سیستم جرقه‌زن (Igniter) ندارند. این امر قابلیت اطمینان احتراق مکرر را در خلأ مطلق تضمین می‌کند. پژوهشگاه فضایی پیش از این در زمینه تراسترهای تک‌پیشرانه برای کنترل وضعیت به بلوغ رسیده بود، اما ورود به موتورهای اصلی بلوک مداری نشان از تسلط بر چرخه کامل موتورهای دومؤلفه‌ای (Bipropellant) با رانش بالا دارد.

پروژه سری سامان به عنوان یکی از زیرساخت‌های کلیدی سازمان فضایی ایران، وظیفه پر کردن شکاف بین توانمندی پرتابگرهای فعلی لایه LEO و نیاز مبرم کشور به استقرار ماهواره‌ها در مدارهای میانی و بلند را بر عهده دارد.

توسعه سامان-۱ از حوالی سال ۱۳۹۴ آغاز شد و نخستین نمونه پروتوتایپ آن در سال ۱۳۹۵ (فوریه ۲۰۱۷) همزمان با روز ملی فناوری فضایی رونمایی شد. این سامانه در پیکربندی اولیه خود، بلوکی با وزن کلی حدود ۲۴۰ کیلوگرم بود که از یک موتور سوخت جامد به نام «آرش» (نسخه‌های آرش-۲۰ و آرش-۲۴) به عنوان پیشران اصلی استفاده می‌کرد. موتور آرش با تولید حدود ۱۳ کیلونیوتن نیروی رانش، می‌توانست تکانه‌ای قدرتمند برای تغییر مدار ایجاد کند. سامان-۱ همچنین برای کنترل وضعیت خود در فضا مجهز به کامپیوتر پرواز مستقل و تراسترهای گاز سرد (Cold gas thrusters) بود تا اغتشاشات پس از جدایش را خنثی کند.

پس از انجام تست‌های زیرمداری موفق در سال‌های ۱۴۰۰ و ۱۴۰۱، سرانجام در تاریخ ۱۶ آذر ۱۴۰۳ (۶ دسامبر ۲۰۲۴)، ماهواره‌بر «سیمرغ» در یک پرتاب تاریخی و موفقیت‌آمیز، بلوک انتقال مداری سامان-۱ را به همراه ماهواره «فخر-۱» و یک محموله دیگر به فضا ارسال کرد. در این پرتاب که رکورد تزریق سنگین‌ترین محموله فضایی (مجموعاً ۳۰۰ کیلوگرم) را برای ایران شکست، سامان-۱ به ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری منتقل شد و عملکرد زیرسیستم‌های آن در مدار با موفقیت مورد آزمایش قرار گرفت.

با وجود اثبات فناوری و موفقیت سامان-۱ در استفاده از سوخت جامد، نیازهای نقشه راه فضایی کشور دستخوش تغییرات اساسی شده است. پرتابگرهای فعلی مانند قاصد، سفیر، قائم-۱۰۰ و سیمرغ، در کنار نسل آینده پرتابگرهای سنگین نظیر «سریر» و «سروش»، به بستری برای انتقال محموله به مدارهای پیچیده‌تر تبدیل خواهند شد.

سخنان مکاری مبنی بر کلید زدن توسعه سامانه‌های با «سوخت مایع» در پروژه‌های سری سامان، بازتابی از همین تغییر دکترین است. بلوک سامان با پیشرانش مایع، دیگر تنها یک موتور شتاب‌دهنده برای شوت کردن ماهواره نخواهد بود؛ بلکه به عنوان یک پلتفرم متحرک عمل می‌کند که ماهواره را در آغوش گرفته، ساعت‌ها در فضا پرواز می‌کند، با احتراق‌های دقیق و چندثانیه‌ای مسیر را اصلاح می‌کند و در نهایت با دقتی در حد کسری از درجه، ماهواره را در نقطه مطلوب رها می‌سازد. توسعه بلوک انتقال مداری ۲ برای دستیابی به مدارهای بالاتر نظیر مدار ۱۰ هزار کیلومتری و مدار ژئو نیز در همین چارچوب تعریف می‌شود.

پیوند دادن توسعه سوخت مایع در بلوک سامان با «پیاده‌سازی فناوری‌های پیشرفته منظومه‌ساز در پروژه‌های سری ناهید» یکی از مسائل مهم است. در واقع، بدون دسترسی به بلوک‌های انتقال مداری سوخت مایع، ایجاد منظومه‌های ماهواره‌ای عملاً از نظر فنی و اقتصادی غیرممکن است.

فناوری تزریق چندگانه (Multiple Injection) و استقرار شبکه‌ای برنامه راهبردی سازمان فضایی ایران، ایجاد منظومه‌های ماهواره‌ای نظیر «منظومه شهید سلیمانی» است. فاز نخست این منظومه شامل ۲۴ ماهواره باریک‌باند (۱۸ ماهواره اصلی و ۶ ماهواره رزرو) است که وظیفه تامین ارتباطات اینترنت اشیاء (IoT)، مدیریت بحران، پایش آتش‌سوزی جنگل‌ها و انتقال داده در مناطق فاقد زیرساخت زمینی را بر عهده دارند.

پرتاب تک‌به‌تک ۲۴ ماهواره با ۲۴ موشک مختلف، فاقد توجیه اقتصادی و زمانی است. راهکار منطقی، استفاده از پرتابگرهای قدرتمند برای ارسال همزمان چندین ماهواره است (تزریق چندگانه). اما چالش اصلی اینجاست که ماهواره‌های یک منظومه نباید در یک نقطه از فضا رها شوند؛ بلکه باید در فواصل مشخص زاویه‌ای (Phasing) قرار گیرند.