«دوستی» در‌ آرزوی پرواز به فضا

در راستای تلاش‌های تحقیقاتی در راستای طراحی و ساخت فضاپیماهای سرنشین‌دار در کشور محققان دانشکده مهندسی هوافضای دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی موفق به ارائه الگوریتم طراحی سیستمی فضاپیمای سرنشین‌دار شده‌اند.

مهندس لیلا خلج‌زاده که با راهنمایی دکتر مهران میرشمس، موفق به اجرای این طرح شده در این گفت‌و‌گو از ویژگی‌های الگوریتم طراحی و فضاپیمای سرنشین‌دار طراحی شده می‌گوید.

شما چه جور فضاپیمایی طراحی کرده‌اید؟

ما با مطالعه مشخصات فضاپیمای سرنشین‌دار طراحی شده تا امروز که می‌توانند یک تا سه سرنشین‌ را برای چند روز به مدارهای کم‌ارتفاع زمین ببرند و با استفاده از الگوریتم طراحی از روی مدل‌آماری،‌ طرحی جدید ارائه کردیم. این نوع فضاپیماها از چند مدول (بخش) تشکیل شده‌اند. مدول به معنای یک بخش مستقل است که ممکن است تبادلاتی با دیگر بخش‌ها داشته باشد. به مدول‌های سرنشین‌دار در این فضاپیماها کپسول فضایی گفته می‌شود. در فضاپیماهای سرنشین‌دار مدولار، تنها یکی از مدول‌ها (کپسول بازگشتی) به زمین بازمی‌گردد. این دست از فضاپیماها از موفق‌ترین و مقرون به‌صرفه‌ترین فضاپیماهای سرنشین‌دار محسوب می‌شوند و ما هم «دوستی » را از روی آنها طراحی کرده‌ایم.

مگر غیر از این نوع فضاپیماها، فضاپیماهای سرنشین‌دار دیگری هم داریم؟

فضاپیماهای سرنشین‌دار به سه دسته کلی ایستگاه‌های فضایی، کپسول‌های فضایی و سیستم‌های حمل و نقل فضایی تقسیم می‌شوند. در کنار این سه دسته فضاپیماهای زیرمداری (هوافضاپیماها) هم وجود دارند که در زمینه طراحی آنها تجاربی کسب شده است. هر یک از انواع فضاپیماهای سرنشین‌دار، ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارد.

ایستگاه‌های فضایی، فضاپیماهای سرنشین‌داری هستند که سیستم پیشرانش و فرود ندارند.

منظور از سیستم‌های حمل و نقل فضایی چیست؟ آیا به شاتل‌های فضایی اشاره دارد؟

سیستم‌های حمل و نقل فضایی، فضاپیماهای سرنشین‌داری هستند که می‌توانند بارها پرواز کنند. این سیستم‌ها با بهره‌گیری از سیستم پیشرانش خود تا مدار زمین پیش می‌روند و بخش مدارگرد آنها در مدار قرار می‌گیرد. همین بخش که فضانوردان در آن مستقر هستند ماموریت را انجام می‌دهد و مرحله بازگشت به جو و فرود را به انجام می‌رساند. درصد زیادی از این فضاپیماها قابلیت استفاده مجدد دارند، به گونه‌ای که کل وسیله را می‌توان قابل استفاده مجدد دانست. شاتل فضایی و بوران در این دسته از فضاپیماهای سرنشین‌دار قرار می‌گیرند. بوران که پس از شاتل فضایی و با الگوبرداری از آن ساخته شده بود، به دلایلی هرگز وارد چرخه عملیاتی نشد.

گروه سوم فضاپیماهای سرنشین‌داری هستند که می‌توانند یک تا سه سرنشین‌ را برای چند ساعت تا چند روز به مدارهای پایینی زمین ببرند که در این طرح فضاپیمای سرنشین‌داری از این دست طراحی شده است.

منظور از الگوریتم طراحی فضاپیما چیست؟

در این الگوریتم، مراحل طراحی مفهومی فضاپیمایی با نام دوستی در قالب قدم‌هایی یک به یک طی می‌شود. مطابق با این روندنما، ابتدا ویژگی‌های فضاپیماهای گروه هدف و ماموریت آنها مرور می‌شود تا نیازمندی‌های سطح سیستم برای طراحی فضاپیمای سرنشین‌دار دوستی استخراج شود. در استخراج نیازمندی‌ها، همچنین، نیازهای داخلی در پروفایل ماموریت و در نهایت در نیازمندی‌های طراحی وارد می‌شود. سپس، ویژگی‌های سطح سیستم فضاپیما تعیین و بودجه‌های جرم و توان برقرار می‌شوند. طراحی زیرسیستم‌های اصلی فضاپیما با به‌کارگیری روش‌های طراحی مهندسی و مراجعه به ویژگی‌های فضاپیماهای گروه هدف در مرحله بعد انجام می‌گیرد.

این فضاپیماها چه ویژگی‌هایی از نظر وزن و ابعاد دارند؟

این دسته از فضاپیماها اغلب یک تا سه نفره هستند و از دو یا سه مدول (بخش مجزا) تشکیل شده‌اند.

وزن آنها بسته به تعداد مدول‌ها (سرنشین) از حدود پنج تن تا نزدیک هشت تن متغیر است.

ابعاد این فضاپیماها هم در قطر تقریبا یکسان و در طول بسته به دو مدوله یا سه مدوله بودن با رعایت نسبت متفاوت است.

این فضاپیماها تا چه ارتفاعی بالا می‌روند؟

ارتفاع متوسط مدار ماموریتی فضاپیماها زیر 400 کیلومتر است و از میزان بیضی بودن مدار آنها در ماموریت‌های فضاپیماهای آغاز دوران فضا در فضاپیماهای اخیر کم شده، یعنی به دایره نزدیک شده است.

لطفا کمی هم درباره ساختار و زیرسیستم های این فضاپیماها توضیح دهید.

سازه، پیشرانش، کنترل حرارت، کنترل محیطی و پشتیبانی حیات، مخابرات، هدایت ناوبری و کنترل، توان و بازیابی و فرود زیرسیستم‌های اصلی این فضاپیماها را تشکیل می‌دهد.

سیستم الکتریکی آنها هم از باتری به آرایه‌های خورشیدی و توان متوسط از 0.2 کیلووات به نزدیک یک کیلووات تغییر کرده است.

مدول بازگشتی، به عنوان تنها بخشی از فضاپیما که به زمین بازمی‌گردد، در فضاپیماهای نخست فاقد سیستم کنترل وضعیت بوده، کپسول بازگشت بالستیک انجام می‌داده است، در حالی که در انواع اخیر با تراسترهای سیستم کنترل عکس‌العملی مدول کنترل می‌شود.

جلوبرندگی موتور اصلی در فضاپیماهای اولیه بالا و در انواع اخیر با توجه به نیاز واقعی فضاپیما تعدیل شده است. این موضوع شاید به پیشرفت فناوری در توسعه موتور فضاپیماها با دامنه تراست گسترده‌تر (از بسیار پایین تا بسیار بالا) بازگردد.

پروفایل ماموریت فضاپیماها (بجز انجام ماموریت ویژه) از الگوی نسبتا ثابتی پیروی می‌کند که مبنای استخراج پروفایل ماموریت فضاپیمای در دست طراحی (دوستی) شده که ساختار کلی آن از دو مدول سرنشین‌دار و خدمات تشکیل شده است.

در مدول خدمه یا بازگشتی، زیرسیستم کنترل وضعیت برای کنترل وضعیت مدول در هنگام بازگشت به جو به کار گرفته می‌شود. تمام کنترل‌ها و نمایشگرها، کامپیوتر دیجیتال فضاپیما، همچنین تجهیزات پشتیبانی حیات و فرود در این مدول جای می‌گیرند. با زیرسیستم‌های کنترل حرارت و حفاظت تابش، کابین خدمه در برابر محیط فضا ایزوله می‌شود. توان مدول در هنگام بازگشت به جو با بهره‌گیری از باتری‌های تعبیه شده در مدول تامین می‌شود. ارتباط با مرکز کنترل زمینی با بهره‌گیری از تجهیزات قرار گرفته در داخل مدول امکان‌پذیر است. در مدول خدمات یا تجهیزات، موتور اصلی و در واقع بخش عمده زیرسیستم پیشرانش، بعلاوه موتورهای سیستم کنترل عکس‌العملی، به همراه مخازن سوخت قرار گرفته‌ است. تجهیزات رادیویی، تلمتری، سیستم هدایت و ناوبری، سیستم کامپیوتر، تجهیزات الکترونیکی و مخابراتی، باتری‌های ذخیره در مدار، مبدل‌های حرارتی و سیستم اصلی کنترل حرارت در این مدول جای داده می‌شوند. بیرون آن نیز آنتن‌های مخابراتی، آرایه‌های خورشیدی و رادیاتورها نصب می‌شوند. جانمایی دقیق‌تر تجهیزات در بخش‌های بعدی گزارش آمده است.

فضاپیمای دوستی چند نفره است و طول ماموریت آن چند روز است؟

عمر طراحی فضاپیمای دوستی، 14 روز و طول ماموریت آن تا سه روز است و قادر است یک یا دو نفر فضانورد را به فضا ببرد. ارتفاع تزریق فضاپیما 250×200 کیلومتر، ارتفاع عملیاتی آن 5±330 کیلومتر و ارتفاع بازگشت به جو آن 120 کیلومتر است.

وزن و ابعاد فضاپیما چقدر است؟

طول بدنه فضاپیما، پنج متر و قطر آن 2.5 متر است که حدود چهار مترمکعب فضا را برای سرنشینان فراهم می‌کند.

وزن کل فضاپیما هم پنج تن است که 2.5 تن مربوط به مدول پیشرانش و 2.5 تن مربوط به مدول بازگشتی است.

این فضاپیما چگونه به مدار منتقل می‌شود؟

فضاپیمای دوستی مانند هر فضاپیمای دیگری یا مثلا مثل ماهواره امید و نوید با پرتابگر در مدار عملیاتی خود قرار می‌گیرد. پرتابگری که بتواند این فضاپیمای پنج تنی را در مدارهای پایینی زمین، بین 300 تا 350 کیلومتری قرار دهد.

چنین فضاپیمایی در مدت چند سال قابل ساخت است؟

ساخت و توسعه چنین فضاپیمایی نیازمند پیشرفت فناوری یا دستیابی به فناوری پیشرفته در بسیاری از زمینه‌هاست. همچنین برای ارسال این فضاپیما به فضا، پرتابگر آن نیز باید ساخته شود. با توجه به محدودیت‌های موجود نمی‌‌توان زمان دقیقی برای آن تعیین کرد که به این موضوع اولویت‌های کشور را نیز باید افزود، اما در کل، شاید بتوان حداقل بازه زمانی پنج تا 10 سال را برای آن در نظر گرفت.

علی شمس - جام جم