جهشی نو در پیشرانش فضایی؛ ماهوارههای کوچک با سامانهای یکپارچه، چابکتر و کارآمدتر میشوند
جهشی نو در پیشرانش فضایی؛ ماهوارههای کوچک با سامانهای یکپارچه، چابکتر و کارآمدتر میشوند
در دهههای اخیر، ماهوارههای کوچک—بهویژه کیوبستها—چهرهی صنعت فضا را دگرگون کردهاند. آنها ارزانتر ساخته میشوند، سریعتر آمادهی پرتاب هستند و به دانشگاهها، استارتاپها و حتی کشورهای کوچک امکان میدهند وارد عرصهی فضایی شوند. اما در کنار همهی مزایا، یک محدودیت اساسی همواره گریبانگیر این ماهوارههای فشرده بوده است: کمبود فضا برای حمل سامانههای پیشرانش و ذخیرهی سوخت.
اکنون پژوهشگران مؤسسهی فناوری ماساچوست (MIT) با معرفی سامانهای نوین، گامی مهم برای رفع این محدودیت برداشتهاند. آنها سامانهای طراحی کردهاند که با استفاده از یک سوخت واحد، هم موتور شیمیایی و هم موتور الکتریکی را تغذیه میکند. این ایدهی ساده اما هوشمندانه میتواند معادلات طراحی ماهوارههای کوچک را تغییر دهد. ناسا نیز قصد دارد این فناوری را بهزودی در مدار زمین آزمایش کند تا عملکرد آن در شرایط واقعی فضا سنجیده شود.
چالش همیشگی: فضا و سوخت در ماهوارههای کوچک
ماهوارههای کوچک بهطور معمول در قالبهای استانداردی مانند 3U یا 6U ساخته میشوند؛ مکعبهایی با ابعاد محدود که هر سانتیمتر مکعب فضای داخلی آنها ارزشمند است. در چنین سازهای، باید رایانهی پروازی، سامانهی مخابراتی، باتریها، صفحات خورشیدی، حسگرها و تجهیزات علمی جای داده شود. افزودن سامانهی پیشرانش نیز به این مجموعه، کاری دشوار است.
مشکل زمانی پیچیدهتر میشود که بخواهیم هر دو نوع پیشرانش—شیمیایی و الکتریکی—را در یک ماهوارهی کوچک بگنجانیم. موتور شیمیایی برای مانورهای سریع و قدرتمند مناسب است، اما به مخزن سوخت اختصاصی نیاز دارد. موتور الکتریکی (مانند الکترواسپری) برای اصلاحات تدریجی و دقیق مداری کارآمد است، اما آن هم به نوعی پیشران خاص احتیاج دارد. حمل دو مخزن مجزا و دو سامانهی تأمین سوخت، برای یک ماهوارهی کوچک هم از نظر حجمی و هم از نظر جرم، چالشبرانگیز است.
راهحل MIT دقیقاً همینجا وارد میشود: استفاده از یک پیشران مشترک که بتواند هر دو سامانه را تغذیه کند.
ایدهی یکپارچهسازی؛ بهترینهای هر دو جهان
آملیا برونو، پژوهشگر سابق پسادکتری MIT و سرپرست این مطالعه، توضیح میدهد که اگر بتوان پیشرانش شیمیایی و الکتریکی را در قالب یک سامانهی کوچک و یکپارچه ترکیب کرد، مزایای هر دو فناوری در اختیار قرار میگیرد. موتور شیمیایی، رانش بالا و فوری فراهم میکند؛ موتور الکتریکی، مصرف بسیار کم و کنترل دقیق در بلندمدت ارائه میدهد. ترکیب این دو، انعطافپذیری عملیاتی چشمگیری ایجاد میکند.
در مدل جدید، یک مخزن سوخت مرکزی، پیشران را به هر دو نوع موتور منتقل میکند. این طراحی باعث کاهش جرم کلی، سادهتر شدن سامانهی لولهکشی و کاهش پیچیدگی مهندسی میشود. برای ماهوارهای که هر گرم آن اهمیت دارد، چنین صرفهجوییای بسیار ارزشمند است.
سوخت اسنت؛ جایگزینی کمخطر برای هیدرازین
کلید موفقیت این سامانه، سوختی به نام ASCENT است؛ مخفف عبارت Advanced Spacecraft Energetic Non-Toxic Propellant. این پیشران در اصل توسط آزمایشگاه پژوهشی نیروی هوایی ایالات متحده توسعه یافته و بهعنوان جایگزینی ایمنتر برای هیدرازین معرفی شده است.
هیدرازین سالها سوخت استاندارد بسیاری از مأموریتهای فضایی بوده است. این ماده عملکرد بالایی دارد، اما بهشدت سمی است و کار با آن نیازمند تجهیزات ایمنی گسترده و پروتکلهای سختگیرانه است. اسنت با حفظ کارایی مناسب، خطرات کمتری برای کارکنان و محیطزیست دارد و هزینههای عملیاتی را نیز کاهش میدهد.
نکتهی مهم آن است که اسنت پیشتر در فضا آزمایش شده است. ناسا در مأموریت «تزریق پیشران سبز» (GPIM) در سالهای ۲۰۱۹ و ۲۰۲۰ از این سوخت—با نام اولیهی AF-M315E—استفاده کرد. نتایج آن مأموریت نشان داد که اسنت میتواند جایگزین قابلاعتمادی برای سوختهای سنتی باشد.
پیشرانش شیمیایی در برابر الکتریکی؛ تفاوتها و مکملها
برای درک بهتر اهمیت سامانهی جدید، باید تفاوت این دو نوع پیشرانش را بررسی کنیم.
۱. پیشرانش شیمیایی
در این سامانه، سوخت و اکسیدکننده در یک واکنش شیمیایی پرانرژی شرکت میکنند و گازهای داغ با سرعت بالا از نازل خارج میشوند. نتیجه، رانشی قوی و آنی است. این نوع موتور برای تغییرات بزرگ مداری، ورود به مدار جدید یا اصلاحات سریع مسیر بسیار مناسب است. اما مصرف سوخت در آن نسبتاً زیاد است.
۲. پیشرانش الکتریکی (الکترواسپری)
در موتورهای الکترواسپری، مایع پیشران تحت تأثیر میدان الکتریکی شدید به ذرات باردار بسیار ریز تبدیل میشود و با سرعت زیاد به بیرون پرتاب میگردد. رانش تولیدشده کم است، اما مصرف سوخت بسیار پایین و بازده ویژه بالا است. این موتورها برای اصلاحات تدریجی و طولانیمدت مدار عالی هستند.
ترکیب این دو، به معنای در اختیار داشتن «شتاب ناگهانی» و «کنترل دقیق بلندمدت» در یک بستهی کوچک است.
آزمایش در زمین؛ شبیهسازی شرایط مداری
پژوهشگران MIT برای آزمودن عملکرد اسنت در موتورهای الکترواسپری، یک کیوبست نمونه را روی سکویی آزمایشی قرار دادند که درون محفظهی خلأ نگه داشته میشد. این سکو بهصورت مغناطیسی معلق بود تا شرایط شناوری آزاد در فضا شبیهسازی شود.
با اعمال ولتاژهای مختلف، آنها توانایی سامانه را در ایجاد چرخش و تغییر جهت ارزیابی کردند. نتایج نشان داد که اسنت از نظر میزان رانش، عملکردی مشابه پیشرانهای رایج الکترواسپری ارائه میدهد. این یعنی سوختی که برای موتور شیمیایی طراحی شده، میتواند در موتور الکتریکی نیز بهخوبی کار کند.
برونو میگوید اکنون که سازگاری سوخت با هر دو سامانه تأیید شده، میتوان به بهینهسازی بیشتر عملکرد فکر کرد؛ از جمله بهبود طراحی نازلها یا افزایش کارایی میدانهای الکتریکی.
گام بعدی؛ آزمایش در مدار با مأموریت «پیشران سبز دوحالته»
ناسا قصد دارد این فناوری را در مأموریتی با عنوان Green Propulsion Dual Mode آزمایش کند. این مأموریت با استفاده از یک کیوبست انجام خواهد شد و هدف آن ارزیابی عملکرد سامانه در شرایط واقعی مدار پایین زمین است.
بر اساس برنامهریزیهای اعلامشده، پرتاب این ماهواره پیش از نوامبر سال جاری انجام نخواهد شد. در این مأموریت، مهندسان رفتار سوخت، پاسخ موتورهای شیمیایی و الکتریکی، میزان رانش و مصرف انرژی را بررسی خواهند کرد.
اگر نتایج مداری با آزمایشهای آزمایشگاهی همخوانی داشته باشد، این فناوری میتواند بهسرعت در نسل جدید ماهوارههای کوچک به کار گرفته شود.
کاربردها در مدار زمین؛ از پایش طوفان تا مدیریت منظومههای ماهوارهای
هرچند توسعهی این سامانه با نگاه به مأموریتهای دوردست انجام شده است، اما کاربردهای آن در مدار زمین نیز گسترده است.
فرض کنید مجموعهای از ماهوارههای کوچک وظیفهی پایش یک طوفان بزرگ را دارند. اگر نیاز باشد این منظومه بهسرعت به منطقهای خاص منتقل شود، موتور شیمیایی میتواند تغییر موقعیت سریع را فراهم کند. سپس موتور الکتریکی با مصرف کم انرژی، تنظیمهای دقیق را انجام دهد تا آرایش مداری بهینه شود.
پائولو لوزانو، مدیر آزمایشگاه پیشرانش فضایی MIT، تأکید میکند که چنین انعطافی برای اپراتورهای منظومههای ماهوارهای بسیار ارزشمند است. امکان انتخاب میان مانور سریع یا آهسته، به نوع مأموریت بستگی دارد و سامانهی دوحالته این انتخاب را فراهم میکند.
نگاه به آینده؛ مأموریتهای اعماق فضا
ناسا این فناوری را تنها برای کاربردهای نزدیک به زمین توسعه نمیدهد. در برنامههای بلندمدت، مأموریتهایی به ماه، مریخ و حتی سیارکها در نظر گرفته شده است. در چنین مأموریتهایی، داشتن سامانهای سبک، کممصرف و چندمنظوره اهمیت حیاتی دارد.
در سفرهای طولانی، ممکن است فضاپیما نیاز داشته باشد ابتدا با رانش بالا از مدار زمین خارج شود و سپس با اصلاحات دقیق و کممصرف مسیر خود را در طول ماهها یا سالها تنظیم کند. سامانهی دوحالته میتواند چنین نیازهایی را با حداقل پیچیدگی برآورده سازد.
مزایای مهندسی و اقتصادی
یکپارچهسازی سوخت و سامانهی پیشرانش مزایای اقتصادی نیز دارد. کاهش تعداد مخازن، لولهها و شیرهای کنترلی، احتمال خرابی را پایین میآورد و هزینهی ساخت و نگهداری را کم میکند. همچنین، کاهش جرم کلی میتواند هزینهی پرتاب را نیز کاهش دهد؛ زیرا در صنعت فضا، هر کیلوگرم جرم اضافی به معنای افزایش هزینهی قابلتوجه است.
علاوه بر این، استفاده از سوختی کمخطرتر مانند اسنت، فرآیندهای آمادهسازی پیش از پرتاب را سادهتر میکند و نیاز به تجهیزات ایمنی گسترده را کاهش میدهد.
گامی به سوی نسل بعدی کیوبستها
اگر آزمایش مداری موفقیتآمیز باشد، نسل آیندهی کیوبستها میتوانند با قابلیتهایی فراتر از تصور کنونی طراحی شوند. این ماهوارهها نهتنها قادر خواهند بود در مدار خود پایدار بمانند، بلکه میتوانند مانورهای پیچیده انجام دهند، آرایشهای مداری پویا تشکیل دهند و حتی مأموریتهای بینسیارهای کوچک را اجرا کنند.
دانشگاهها و شرکتهای نوپا نیز از این فناوری سود خواهند برد. زیرا با کاهش هزینه و پیچیدگی سامانهی پیشرانش، طراحی مأموریتهای علمی پیشرفته برای گروههای کوچکتر امکانپذیر میشود.
جمعبندی
فناوری جدید MIT نشان میدهد که پیشرفت در فضا همیشه به معنای ساخت موتورهای بزرگتر یا پرقدرتتر نیست. گاهی یک ایدهی ساده—مانند استفاده از یک سوخت برای دو سامانهی متفاوت—میتواند تحولی اساسی ایجاد کند.
سامانهی پیشرانش دوحالته با سوخت اسنت، ترکیبی از قدرت آنی و دقت بلندمدت را در یک بستهی کوچک ارائه میدهد. اگر آزمایشهای ناسا در مدار موفق باشند، این فناوری میتواند به استانداردی تازه در طراحی ماهوارههای کوچک تبدیل شود و راه را برای مأموریتهای جسورانهتر در مدار زمین و فراتر از آن هموار سازد.
در جهانی که فضا بهسرعت در حال تجاریشدن و گسترش است، هر نوآوری که کارایی را افزایش دهد و هزینهها را کاهش دهد، نقشی کلیدی در شکلدهی آیندهی اکتشافات فضایی خواهد داشت. سامانهی جدید MIT دقیقاً در همین مسیر گام برمیدارد: کوچکتر، سبکتر، ایمنتر و هوشمندانهتر.
https://farcoland.com/kYKPJE
کپی آدرس
