آیا اسپیس ایکس و بلواوریجین می‌توانند فناوری به کار رفته در طراحی موتور موشک قدیمی روس‌ها را بهبود بخشند؟

مسابقه آمریکایی برای عبور از فناوری روس‌ها

یک ساعت پیش از غروب خورشید چهارم خرداد 1379 موشک خارق‌العاده‌ای از پایگاه پرتاب موشک «لانچ کامپلکس 36» در پایگاه نیروی هوایی کیپ کاناورال آمریکا از زمین برخاست. این موشک که «اطلس 3» نام داشت طراحی‌اش را از اولین موشک بالستیک بین‌قاره‌ای آمریکا به ارث می‌برد که به منظور تهدید شوروی سابق به نابودی هسته‌ای طراحی شده بود. با این تفاوت که مرحله اول موشک اطلس 3 به میزان چشمگیری قدرتمندتر از اسلافش بود و نیروی خود را از موتور قدرتمندی به نام آر.دی180 می‌گرفت. موتوری متولد روسیه که حالا در خاک آمریکا وظیفه پرتاب ماهواره‌ها را به‌عهده داشت. احتمالا آمریکایی‌ها از این‌که کسی از آنها بپرسد چرا در پرتاب ماهواره‌هایشان از فناوری موتور موشک روسی استفاده می‌کنند خوشحال نخواهند شد. اما این پرسش مهمی است که پاسخش را در ماجرای طراحی یکی از شاهکارهای فناوری هوافضای جهان باید جست‌وجو کرد.

کد خبر: ۱۲۲۱۶۴۹

موتور آر.دی180 (R.D180) را شرکت ان.پی.او انرگوماش (NPO Energomash) در کارخانه‌ای خارج از مسکو ساخته بود. در واقع موشک اطلس3 تلفیق غیرقابل تصوری از یک موتور روسی با یک موشک آمریکایی را به نمایش می‌گذاشت. در طول دو دهه بعد، 83 موشک مشابه دیگر در فلوریدا از زمین برخاستند. آر.دی180 که در اطلس 3 و جانشینش به نام اطلس 5 به کار گرفته شد، 16 ماهواره جاسوسی آمریکا، 13 ماهواره ارتباطات نظامی، شش ماهواره جی‌پی‌اس، دو ماهواره نظامی هواشناسی و سه ماهواره هشدار موشکی را به مدار زمین برد. اطلس 3 همچنین در چهار ماموریت آمریکا به مقصد مریخ از زمین برخاست. پرتاب کاوشگر «نیوهورایزنز» (به معنی افق‌های نو) در سال 1385/ 2006 و فضاپیمای «جونو» در سال 1390/ 2011 نیز هردو با نیروی آر.دی 180 انجام شدند.
آر.دی180 از بسیاری جهات از هر موتور دیگری در زمان خودش بهتر بود. وقتی در بهمن 1397 ایلان ماسک رئیس شرکت اسپیس ایکس آزمایش موفق موتور رپتور ساخت این شرکت را که برای موشک استارشیپ ساخته شده بود اعلام کرد، از فشار بسیار بالا در محفظه تراست این موتور خبر داد. او این فشار را 265 برابر فشار جو در سطح دریا عنوان کرد. ماسک در توییتر نوشت رپتور ساخته شده، رکوردی را که چند دهه در اختیار موتور روسی آر.دی180 قرار داشت شکسته است. با این حال او پیشران موشکی آر.دی 180 را که توسط کارخانه روسی انرگوماش ساخته شده و در شاتل اطلس5 استفاده می‌شود، از نظر طراحی و ساختار باشکوه خواند و در توییتر خود نوشت: «شرم‌آور است که (شرکت‌های) بوئینگ و لاکهید نیاز به استفاده از موتور روسی در اطلس دارند، اما طراحی موتور فوق العاده است.»
بعد از آنکه در سال 1393/ 2014 ممنوعیت استفاده از موتور روسی آر.دی180 در موشک‌های آمریکایی بعد از سال 1401/ 2022 در کنگره آمریکا به تصویب رسید، نیروی هوایی این کشور مجبور به ساخت موشک جدیدی شد که بتواند جانشین اطلس 5 با موتور آر.دی180 شود. البته مقامات آمریکایی یک سال بعد، این ممنوعیت را به دلیل عدم تولید این موتور در داخل آمریکا لغو کردند اما سوال اینجاست که چگونه یک موتور روسی با ده‌ها سال عمر، به معیاری تبدیل می‌شود که بهترین دانشمندان موشکی آمریکا خودشان را با ساخت چیزی شبیه به آن می‌سنجند؟
سازوکار کلی موتور موشک
دو برآورد عمده از عملکرد موشک وجود دارد: تراست یا نیروی پیشران که عبارت است از میزان نیرویی که یک موشک به‌کار می‌گیرد و تکانه ویژه که مقیاسی برای سنجش سرعت خروجی از موتور است. موشکی که نیروی پیشران بالایی دارد اما تکانه ویژه آن پایین است به مدار زمین نمی‌رسد زیرا این موشک باید سوخت زیادی با خودش حمل کند و افزایش وزن سوخت مورد نیاز، باعث می‌شود موشک به سوخت بیشتری برای حرکت خود نیاز داشته باشد و این دور باطل ادامه پیدا می‌کند. برعکس، موشکی که تکانه ویژه بالا و نیروی پیشران پایینی دارد هرگز از زمین بلند نخواهد شد. موتور یک موشک مثل موتور هواپیمای جت، سوخت را همراه با یک عامل اکسنده که اغلب اکسیژن است می‌سوزاند تا گاز داغی تولید کند که به سمت پایین و خارج از نازل موتور انبساط پیدا می‌کند و به موشک در جهت مخالف، شتاب می‌دهد. برخلاف موتور هواپیمای جت که اکسیژن را از هوای اطراف خود می‌گیرد، موتور یک موشک باید اکسیژن (یا دیگر عوامل اکسنده) مورد نیازش را با خودش حمل کند زیرا در فضا اکسیژنی وجود ندارد. موشک‌ها، مثل هواپیماهای جت، نیاز به راهی دارند که از طریق آن سوخت و اکسیژن را با فشار بالا وارد محفظه احتراق کنند. موتور هواپیمای جت و موتور موشک در سایر موارد با هم تفاوتی ندارند. فشار بالاتر به معنای عملکرد بهتر است. به این منظور موشک‌ها از پمپ‌های توربینی که با سرعت صدها دور در ثانیه می‌چرخند استفاده می‌کنند. پمپ‌های توربینی را توربین‌هایی به کار می‌اندازند که خودشان با پیشران هدایت می‌شوند و پیشران‌ها نیز به نوبه خود سوخت و اکسیژن مصرف می‌کنند.
تفاوت عمده میان موتورهای درون‌سوز مثل آر.دی180 و موتورهای مولد گاز مثل ساترن اف-وان در اتفاقی است که برای گازهای حاصل از سوخت پیشران می‌افتد؛ درحالی که موتورهای مولد گاز، این گازها را به بیرون تخلیه می‌کند، در موتورهای درون‌سوز این گازها دوباره وارد محفظه اصلی احتراق می‌شود. یکی از دلایل این کار این است که این گازها شامل سوخت‌های غیرمعمول و اکسیژن است که پیشران‌ها نمی‌توانند آنها را به‌طور کامل بسوزانند. از طرفی بیرون ریختن آنها باعث هدررفتن‌شان می‌شود و چنین چیزی برای یک موشک که باید هر کیلوگرم سوخت و اکسیژن مورد نیاز خود را حمل کند، مهم است. وارد‌کردن دوباره این گازها به محفظه احتراق با ایجاد تعادل میان فشار و شدت جریان از انفجار موتور جلوگیری می‌کند. اما اجرای این روند نیازمند مجموعه کاملی از توربوپمپ‌هاست و برای درست عمل کردن آن، گروه‌هایی از کارشناسان معمولا باید یک دهه یا بیشتر به شبیه‌سازی و آزمایش بپردازند.
آر.دی170 و آر.دی180 یک مزیت دیگر هم دارند؛ این دو موتور، غنی از اکسیژن هستند، زیرا اکسیژن اضافی به سیستم تزریق می‌کنند. موتورهای غنی سوخت پاک‌تری دارند و احتراق آنها بسیار آسان‌تر است. این موتورها همچنین فشار بالاتری در محفظه احتراق ایجاد می‌کنند و در نتیجه عملکرد بهتری دارند؛ با این حال احتمال انفجارشان بیشتر است.
4 مدعی جدی
پس از گذشت چند دهه، شرکت‌های آمریکایی سرانجام روی موتورهایی کار می‌کنند که شاید بهتر از آر.دی 180 باشند. هرچه باشد شرکت‌های امروزی در مقایسه با گلاشکو به امکانات عیب‌یابی بهتر و ر‌وش‌های شبیه‌سازی پیچیده‌تری دسترسی دارند. چهار مدعی جدی برای ساختن این موشک جدید وجود دارد: اسپیس‌ایکس، بلو اوریجین، یو.ال.ای (شرکت مشترک بوئینگ-لاکهید مارتین) و نورثروپ گرومن.
موتور بی.ای 4 (BE4) که شرکت خصوصی فضایی بلو اوریجین متعلق به جف بزوس آن را برای موشک «نیو گلن» در دست ساخت دارد و موتور «رپتور» ساخت شرکت اسپیس ایکس هر دو به میزان بسیار زیادی از روی آر.دی180 الگوبرداری شده‌اند. موتور بی.ای-4 مثل آر.دی180 یک موتور احتراقی غنی از اکسیژن است. موتور رپتور همچنین از این نظر که همه گازهای حاصل از سوخت پیشران را به محفظه احتراق وارد کرده و به این ترتیب استفاده از همه سوخت و عامل اکسنده ذخیره شده در مخزن موشک برای تولید نیروی پیشران را تضمین می‌کند شبیه آر.دی180 و آر.دی170 است. با این حال رپتور یک تفاوت جزئی با رویکرد گلاشکو دارد: جریان‌های غنی از اکسیژن و غنی از سوخت، نیروی توربوپمپ‌های آن را تامین و بالاترین کارایی را ایجاد می‌کنند. احتمالا بزرگ‌ترین مزیت فنی این موتورهای جدید نسبت به آر.دی180 این است که در این موتورها به جای کروسین یا نفت سفید از متان به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود. نفت سفید بعد از چند بار استفاده، می‌تواند موتور را کثیف کند. متان دارای تکانه ویژه بالاتری است و پاک‌تر می‌سوزد. همچنین تولید متان در مریخ (کاری که ایلان ماسک قصد انجام آن را دارد) بسیار ساده‌تر است.
هیچ‌کدام از موتورهای جدید هنوز به مدار زمین نرسیده‌اند. اسپیس‌ایکس درحال برنامه‌ریزی برای پرتاب موشک‌های «استارهوپر» خود است؛ موشک‌هایی که در نهایت با نیروی سه موتور رپتور در تابستان سال جاری با پرتاب تا ارتفاع چند هزار پایی آزمایش می‌شوند. بلواوریجین نیز در تگزاس درحال آزمایش ای.بی-4 است. شرکت بلو اوریجین، پایگاه «لانچ کامپلکس 36» یعنی جایی که آر.دی180 نخستین بار از آنجا پرتاب شد را برای انجام آزمایشات خود اجاره کرده و قصد دارد موشک نیوگلن خود را در سال 1400/ 2021 پرتاب کند.

ماجرای تولد آر.دی180
ساخت موتوری مانند آر.دی180 به استعداد ویژه‌ای در طراحی نیاز داشت. این استعداد ویژه را یک محقق روسی به نام «والنتین گلاشکو» در ساخت این موتور به کار برد. بعد از این‌که اتحاد جماهیر شوروی سابق در مسابقه با آمریکا برای سفر به ماه شکست خورد، طراحی بهترین موتور موشک ممکن به یک اولویت ملی برای این کشور تبدیل شد. رهبران روسیه به دنبال ساخت قدرتمندترین موشک به نام انرگیا (Energia) بودند تا به وسیله آن ایستگاه فضایی‌شان را در مدار زمین حفظ کنند. بهترین منابع در اختیار گلاشکو قرار گرفت تا او بهترین موتوری را که می‌تواند بسازد. حاصل تلاش گلاشکو موتور موشک آر.دی170، برادر بزرگ‌تر آر.دی 180 بود. اما موتور آر.دی170 قدرت بسیار بالایی داشت. موشک‌های اطلس ساخت شرکت آمریکایی لاکهید مارتین که قرار بود این موتور در آنها مورد استفاده قرار بگیرد بسیار کوچک‌تر از موشک انرگیا بودند که آر.دی170 برای آن طراحی شده بود. به همین دلیل شرکت انرگوماش با شکافتن دو محفظه از چهار محفظه آر.دی170 درواقع این موتور را به دو نیم کرد و به این ترتیب آر.دی180 متولد شد.
آر.دی170 جزو اولین موتورهای موشکی بود که در آن از تکنیکی به نام احتراق درونی استفاده شد. موتور اصلی شاتل فضایی آمریکا که آن هم در دهه 1350/ 1970 ساخته شد نمونه دیگری از این موتورها بود. درمقابل، موتور اف - وان (F-1)‌ به کار رفته در مرحله اول موشک ساترن 5، که در پرتاب فضاپیمای آپولو به ماه مورد استفاده قرار گرفت، دارای طرح قدیمی‌تر و ساده‌تری به نام موتور مولد گاز بود. تفاوت عمده این دو نوع موتور این است که موتورهای درون‌سوز یا احتراق درونی کارایی بیشتری دارند اما خطر انفجار در آنها بالاست. برای درک این‌که چرا موتور ساخت گلاشکو، یک دستاورد مهندسی بزرگ به شمار می‌آید باید کمی وارد جزئیات فنی شویم.