در حال حاضر موشکی وجود ندارد که در یک مرحله پرواز کرده، در مدار قرار بگیرد و سپس به زمین بازگردد. در واقع با توجه به فناوری که امروزه در دسترس ماست، ایده‌ی ساخت موشک تک مرحله‌ای (single stage) ایده‌ی خوبی به نظر نمی‌رسد. اما چه پیشرفت‌هایی در فناوری مورد نیاز است تا چنین ایده‌ای عملی شود؟ با مجله‌ی فناوری‌های توان افزا و پوشیدنی همراه باشید.

ممکن است شما با موشک‌های Atlase ،Falcon و Delta آشنا باشید. پرواز موشک‌ها از یک سکوی پرتاب آغاز می‌شود. زمانی که منبع سوخت یکی از بخش‌های موشک به طور کامل مصرف شود، آن بخش جدا شده و موشک با نیروی پرتاب بخش بعدی به حرکت ادامه می‌دهد. در تصویر زیر نمایی از موشک بسیار نیرومند Saturn V را می‌بینید.

تصور یک هنرمند از موشک Demonstrator 3 مجهز به موتور aerospike و موشک تک مرحله‌ای Haas 2CA

یک موشک تک مرحله ای چیزی شبیه سفینه‌ی Millennium Falcon در جنگ ستارگان است که سوخت مورد نیاز را با خود حمل کرده و از آن برای پرواز و قرار گرفتن در مدار و رفتن از دنیایی به دنیای دیگر استفاده می‌کند. زمانی که سوخت این سفینه تمام می‌شود، مخزن را دوباره پر کرده و به پرواز ادامه می‌دهد. این ایده در مورد موشک‌ها مشابه تجربه‌ی ما در به کار بردن همه‌ی وسایل نقلیه‌‌ی زمینی است. شما با خودروی خود رانندگی می‌کنید و زمانی که سوخت آن تمام شد، مجددا مخزنش را پر می‌کنید. اما پرواز به فضا نیازمند صرف انرژی است. یک موشک Falcon 9 می‌تواند با حمل در حدود ۲۲۸۰۰ کیلوگرم در مدار پایین زمین حرکت کند. این مقدار برابر با وزن یک کامیون با بار سیمان است.

SpaceX Falcon 9

یک موشک Falcon 9 بیش از ۵۴۰,۰۰۰ کیلوگرم وزن دارد که بیش از ۵۱۰,۰۰۰ کیلوگرم آن وزن سوخت است. مقدار باقی‌مانده مربوط به موتورها، مخزن‌های سوخت و سایر قطعات است. تصور کنید در خودرویی سوار شوید که ۹۵ درصد آن سوخت باشد. از آن‌جایی که مقدار سوخت لازم برای راه‌اندازی یک موشک بسیار زیاد است، در موشک‌های امروزی یک سامانه‌ی مرحله بندی به کار برده می‌شود. وقتی که سوخت یک بخش از موشک به طور کامل مصرف شود، آن بخش جدا شده و به زمین باز می‌گردد و بخش دوم می‌تواند به حرکت ادامه دهد بدون آن که نیازی به حمل بار اضافی مخزن خالی سوخت داشته باشد.

بعد از جدا شدن یک بخش FALCON 9 و انفجار موتور مرحله‌ی دوم و بازگشت موتور مرحله‌ی اول به زمین،شعله‌ها به سختی در اطراف نازل قابل دید هستند.

البته تعداد زیادی از موشک‌های امروزی می‌توانند با یک مرحله در مدار قرار بگیرند. اما مساله این است که این موشک‌ها توانایی حمل بار قابل توجهی را ندارند. در حال حاضر موشک‌های چند مرحله‌ای پربازده‌ترین و به صرفه‌ترین را برای حمل بار به فضا با کم‌ترین هزینه‌ی ممکن هستند.

آیا تا به حال تلاشی برای توسعه‌ی موشک‌های تک مرحله‌ای انجام گرفته است؟

پروژه‌‌ی X-33

یکی از پروژه‌هایی که به صورت گسترده به اطلاع عموم رسانده شد، برنامه‌ی X-33/VENTURESTAR ناسا بود که توسط LOCKHEED MARTIN در دهه‌ی ۱۹۹۰ توسعه داده شد. هدف پروژه‌ی X-33 آزمایش مجموعه‌ای از فناوری‌های جدید ناسا شامل مخزن‌های کامپوزیتی سوخت، پرواز خودکار و طراحی جدید بدنه بود. برای عملی کردن این پروژه آن‌ها نوعی موتور موشک با نام AEROSPIKE را توسعه دادند.

فضاپیمای X-33

آزمایش موتورهای خطی دوقلوی AEROSPIKE XRS-2200 که برای برنامه‌ی X-33 ساخته شده بود. این آزمایش در ۶ اوت سال ۲۰۱۱ در مرکز فضایی STERNIS در MISSISSIPPI انجام شد. بر اساس برنامه ریزی موتورها به مدت ۹۰ ثانیه روشن شدند و به توان ۸۵ درصد رسیدند.

برخلاف موتورهای موشک معمولی که یک مقدار ثابت نیروی پرتاب تولید می‌کنند، AEROSPIKE می‌تواند مانند یک موتور جت مقدار مصرف سوخت را کنترل کند به طوری که در ارتفاعات کم‌تر که جو ضخیم‌تر است، مصرف سوخت را کاهش دهد. پروژه‌ی X-33 در نهایت موفقیتی به دست نیاورد.

پروژه‌ی ساخت موشک SKYLON

می‌دانیم که بازدهی عملکرد جت‌ها بسیار بیشتر از موشک‌ها است زیرا جت‌ها تنها باید سوخت خود را حمل کنند. این وسایل با استفاده از اکسیژن موجود در اتمسفر سوخت‌شان را مصرف می‌کنند. بر این اساس ایده‌ی جالبی که به ذهن می‌آید ساختن موشکی است که در اتمسفر عملکردی مشابه موتور جت داشته باشد و زمانی که در فضا قرار گرفت، همانند موشک به پرواز ادامه دهد. این ایده مبنای ساخت موشکی با نام SKYLON توسط بریتانیا است. بر اساس برنامه‌ی این پروژه موشک SKYLON از یک باند معمولی پرواز کرده و شتاب می‌گیرد تا با سرعت ۶۶۰۰ کیلومتر بر ساعت به ارتفاع ۲۶ کیلومتری برسد. در تمام این مدت موتور این موشک از اکسیژن موجود در اتمسفر استفاده می‌کند.

تصویر سفینه‌ی فضایی SKYLON که از برداشت یک هنرمند حاصل شده است.

پس از رسیدن به این مرحله، این موشک از یک مخزن اکسیژن مایع داخلی برای فراهم آوردن اکسید کننده استفاده کرده و پرواز خود را تا قرار گرفتن در مدار به انجام می‌رساند. تمامی این مراحل به وسیله‌ی یک موتور SABRE اجرا می‌شود. این موشک توانایی حمل ۱۵ تن بار را دارد. متاسفانه به دلیل کمبود بودجه فرآیند توسعه‌ی موشک SKYLON پیشرفت کندی داشته است.

موشک‌های هسته‌ای

ایده‌ی دیگر برای آزمایش امکان‌پذیر بودن دستیابی به موشک‌های تک مرحله‌ای استفاده از موشک‌های هسته‌ای است. برخلاف یک راکت شیمیایی که برای حرکت سوخت مصرف می‌کند، یک موشک هسته‌ای مجهز به یک راکتور است.

اجزای اصلی یک موتور هسته‌ای -حرارتی NERVA

ناسا در چد دهه‌ی گذشته یک موشک گرمایی هسته‌ای با نام NERVA را آزمایش کرد و به این نتیجه رسید که می‌تواند برای دوره‌های زمانی طولانی به سطح بالایی از نیروی پرتاب دست یابد. نمونه‌ی اولیه‌ی این آزمایش نیروی مداومی به مدت بیش از دو ساعت فراهم آورد. محاسبات ناسا نشان داد که بازدهی یک موشک با سوخت هسته‌ای دو برابر یک موشک شیمیایی است. اما پرواز این موشک‌ها مشکلاتی را ایجاد خواهد کرد. اگر یک راکتور هسته‌ای در حالی که در اتمسفر در حال حرکت است منفجر شود، ممکن است بارانی از باقی‌مانده‌های رادیواکتیو بر زمین ببارد. در حال حاضر این پروژه شامل خطرات زیادی است اما ماموریت‌های آینده ممکن است استفاده از موشک‌های هسته‌ای را به صورت مناسبی امکان‌پذیر نماید.

استفاده از هیدروژن فلزی

هیدروژن فلزی سامانه‌ی سوخت عجیب دیگری است که بسیار هیجان‌انگیز به نظر می‌رسد. این شکل جامد هیدروژن به صورت طبیعی در سیاره‌ی مشتری و تحت فشار بسیار زیاد نیروی گرانش این سیاره یافت می‌شود. اما در سال جاری پژوهشگران دانشگاه هاروارد توانسته‌اند مقداری از آن را در آزمایشگاه تولید کنند. آن‌ها به کمک یک پرس بسیار کوچک اتم‌های هیدروژن را با نیرویی بیش از نیروی حاصل از فشار مرکز زمین، فشرده کردند.

تصاویر میکروسکپی از مراحل تولید هیدروژن اتمی مولکولی: سمت چپ: هیدروژن شفاف مولکولی در فشار ۲۰۰ گیگا پاسکال که به هیدروژن سیاه مولکولی تبدیل می‌شود و در نهایت هیدروژن فلزی اتمی در فشار ۴۹۵ گیگاپاسکال

برای فشردن هیدروژن تا این حد صرف انرژی زیادی لازم است و مزیت به دست آوردن هیدروژن جامد این است که با انفجار آن می‌توانید تمای انرژی صرف شده را مجددا دریافت نمایید. با استفاده از هیدروژن فلزی می‌توان یک موشک را به راحتی و طی یک مرحله در مدار قرار داد و به صورت بهینه‌ای به سایر سیارات سفر کرد.

دست‌یابی به موشک‌های تک مرحله‌ای مزیت‌های بسیاری خواهد داشت. اما در حال حاضر مساله‌ی مهم‌تر قابلیت اطمینان و استفاده‌ی مجدد این موشک‌هاست. در حال حاضر موشک‌های چند مرحله‌ای مانند SPACEX که قابلیت استفاده‌ی مجدد هم دارند، در این عرصه پیشرو هستند اما اگر SKYLON به پرواز درآیند، شاهد رقابت قابل توجهی خواهیم بود. البته با دست‌یابی به هیدروژن فلزی و استفاده از آن پرواز به فضا بسیار متفاوت خواهد شد.

بیشتر بخوانید:

>>تماشا کنید: تازه ترین پیشرفت ها و فناوری ها در زمینه حمل و نقل

>>ایده ی استفاده از موتورهای AEROSPIKE در موشکها دوباره جان گرفت!

منبع: UNIVERSETODAY

استفاده و بازنشر این نوشتار تنها با ذکر لینک منبع و نام «مجله‌ی فناوری‌های توان افزا و پوشیدنی» مجاز است.