روش‌های نوین برای پرواز فضاپیماها بدون نیروی محرکه

ماهواره‌‌ها و فضاپیماها به‌زودی می‌‌توانند نیروی لازم برای تغییر مسیر را بدون هرگونه نیرو محرکه‌‌ای و تنها باکاربرد باله‌‌هایی از پنل‌‌ خورشیدی به‌‌دست آورند.

انجام عملیات مانور ماهواره‌ها در مدار، معمولا نیاز به اعمال نیروی محرکه دارد. این نیرو می‌‌تواند ازطریق یک موتور راکت با قابلیت اشتعال سوخت تأمین ‌شود؛ یااینکه از فشار گازهایی بهره گرفته شود که به‌‌صورت الکتریکی گرم شده‌‌‌اند. بااین‌‌حال، مشکل این دو روش آن است که هر دو متکی‌‌به مصرف سوخت هستند و وزن این سوخت موردنیاز باعث محدودیت در وزن بار قابل‌‌حمل توسط ماهواره خواهد شد. علاوه‌‌بر این، استفاده از چنین روش‌‌هایی مستلزم به‌‌کارگیری تجهیزاتی هستند که ممکن است در بلندمدت دچار فرسودگی و خرابی شوند و تازه اگر هم همه‌‌چیز خوب پیش برود، درنهایت روزی فرا خواهد رسید که سوخت مصرفی ماهواره به پایان می‌‌رسد. بدتر از همه اینکه ماهواره‌هایی که حامل سوخت‌‌های فعالی نظیری هیدرازین هستند، باید پیش از اخذ مجوز برای پرتاب، تست‌‌های ایمنی خاصی را پشت سر بگذارند. از این‌‌رو، تلاش بر آن است که روش‌های دیگری برای عملیات مانور فضاپیماها مورد بررسی و آزمایش قرار گیرند که در میان ‌‌آن‌‌ها دو روش وجود دارد که هم‌اکنون در مرحله‌ی توسعه قرار گرفته‌‌اند.

روش کشش تفاضلی

اولین روش استفاده‌‌ از مولکول‌های هوایی است که در فضایی خارج از اتمسفر زمین سرگردان‌‌اند. در مدارهای نزدیک به زمین، وفور این مولکول‌‌ها به‌‌حدی است که مقاومت ایجاد‌‌شده توسط آن‌‌ها عملا در سرعت حرکت ماهواره‌‌هایی با سطح تماس روبه‌‌جلوی بیشتر تأثیرگذار خواهد بود. برای اینکه بتوان از این اثر به‌‌نحو احسن بهره برد، مهندسان محاسبه کرده‌اند که یک ماهواره باید قادر به افزایش یا کاهش سطح تماس روبه‌‌جلوی خود با ضریب ۹ برابری باشد. اگر چنین امری امکان‌‌پذیر شود، روش «کشش تفاضلی» را می‌‌توان به‌‌منزله‌‌ی یک روش عملی برای مانور ماهواره‌‌ها قلمداد کرد. حال به‌‌نظر می‌‌رسد از اقبال مهندسان، رسیدن به این ضریب ۹‌‌ برابری به‌‌صورت معقولی امکان‌‌پذیر است.

satellite thruster

این خوش‌شانسی، ناشی از این واقعیت بوده که ماهواره‌‌ها برای تأمین انرژی ادوات الکترونیکی خود وابسته‌‌به سلول‌های خورشیدی هستند. این سلول‌ها معمولا به‌‌گونه‌‌ای در پنل‌‌ها جاسازی می‌‌شوند که پس از ورود ماهواره به مدار مانند باله‌‌هایی باز شده و نهایتا سلول‌های خورشیدی مساحتی بسیار بزرگ‌تر نسبت‌‌به بدنه‌‌ی اصلی ماهواره را پوشش می‌‌دهند. اگر ماهواره به‌‌گونه‌ای جهت‌‌دهی شود که پنل‌ها در جهت روبه جلو قرار گیرند، سرعت حرکت ماهواره در طول زمان، به‌طور آهسته‌ای کم خواهد شد. همچنین اگر پنل‌‌ها در جهت موازی با مسیر حرکت ماهواره قرار گیرند، کم‌‌ترین مقاومت دربرابر حرکت به‌وجود خواهد آمد. یک شرکت خدمات اپراتوری ماهواره‌ای در سانفرانسیسکو با نام Planet ادعا می‌‌کند که برای اولین‌‌بار در سال ۲۰۱۳ از این روش برای انجام مانور عملیاتی در فضا استفاده کرده است. این آزمایش آن‌‌چنان موفقیت‌آمیز بوده که این شرکت در حال حاضر، ۱۲۰ ماهواره‌‌ی تصویربرداری از زمین را تنها با نیروی کشش دیفرانسیلی به پرواز در آورده است. اکنون تنها حدود ۲۰ ماهواره از این شرکت هنوز از نیروی محرکه استفاده می‌کنند.

عدم وابستگی به سوخت و نبود استهلاک:  مهم‌ترین دلایل گرایش به روش‌های عاری از نیروی محرکه در صنعت فضایی

مهم‌‌ترین نیاز شرکت‌هایی مانند Planet در عملیات مانور ماهواره‌ها در وهله‌‌ی اول، انجام آن به ارزان‌ترین روش یعنی برای پرتاب گروهی آن‌‌ها با یک راکت منفرد است. این بدان معنی است که در این روش، ماهواره‌‌ها باید به‌‌صورت خوشه‌‌ای وارد مدار شوند. اما انجام وظایفی مانند عملیات نظارتی و تقویت ارتباطات از راه‌‌ دور، نیازمند آن است که این گروه‌‌ها برای بهره‌‌مندی از حداکثر پوشش‌‌دهی، در فضا پخش شوند. یک شرکت خدمات اپراتوری ماهواره‌‌ای دیگر با نام Spire می‌گوید که باکمک کشش دیفرانسیلی تنها چند هفته طول می‌کشد تا یک خوشه از ماهواره‌‌ها به‌‌اندازه‌‌ی کافی در فضا گسترش یابند؛ آن‌هم به‌‌گونه‌‌ای که ماهواره‌‌ها دیگر هیچ‌‌گونه هم‌‌پوشانی با یکدیگر نداشته باشند.۷۲ ماهواره‌‌ی شرکت Spire در حال حاضر به‌‌طور انحصاری از تکنیک کشش تفاضلی استفاده می‌کنند.

فرایند واقعی مانور شامل بازجهت‌‌گیری ماهواره‌‌ها می‌‌شود. انجام این مرحله به‌‌نوبه خود، نیازمند گشتاور است. ماهواره‌ها این گشتاور را با استفاده از یک چرخ واکنش و یک آهنربای الکتریکی تولید می‌کنند که با میدان مغناطیسی زمین تعامل دارد. به‌‌گفته‌‌ی پینی گورفیل از دانشگاه تکنیون در اسرائیل، این فناوری در حال حاضر از دقت کافی برای رساندن ماهواره‌‌ها به نقاط ازپیش‌‌تعیین‌‌شده برخوردار است. اشاره‌‌ی دکتر گورفیل به ماهواره‌‌های کوچک کیوب‌سَت (CubeSats) در پروژه‌‌ی آزمایشی QB50 است که توسط مؤسسه‌‌ی ون کارمن در بلژیک هدایت می‌‌شود.

البته کشش تفاضلی را نمی‌‌توان یک راه‌‌حل قطعی برای انجام تمامی مانورهای فضایی به‌‌حساب آورد. از ارتفاع حدود ۶۵۰ کیلومتری به بعد، غلظت مولکول‌های هوا به‌‌حدی پایین است که نمی‌‌توان از این تکنیک بهره برد. بنابراین تنها در پایین‌ترین مدارهای زمین، امکان به‌‌کارگیری آن وجود دارد. همچنین پیاده‌‌سازی این روش نیاز به زمان نسبتا زیادی خواهد داشت. بنابراین، برای مثال، چنانچه جنگی رخ دهد، ماهواره‌‌هایی که براساس تکنیک کشش دیفرانسیلی کار می‌‌کنند، نسبت به انواع مجهز به نیروی محرکه، اهداف آسان‌‌تری برای شلیک محسوب خواهند شد.

به‌‌علاوه تغییر سطح کشش تنها شدت کاهش سرعت و درنتیجه کاهش ارتفاع ماهواره را تعیین خواهد کرد. بنابراین نمی‌‌توان از این تکنیک برای تغییر ارتفاع سفینه‌‌های فضایی به مدارهای بالاتر استفاده کرد. اما یک تکنیک دیگر نیز در میان روش‌‌های بدون نیازبه نیروی محرکه به‌‌چشم می‌‌خورد که می‌تواند این نوع عملیات را باکمک آن به انجام رساند. این روش شامل استفاده از پنل‌های خورشیدی در قالب بادبان‌های نوری است.

satellite thruster

بادبان‌های نوری

نور می‌‌تواند نیرو وارد کند. این نیرو می‌تواند به روشی مشابه با کاربرد نیروی باد روی سطح زمین، برای حرکت و مانور تجهیزات فضایی به‌‌کار رود. در این روش در نقاطی از مدار که فضاپیما درحال دور شدن از خورشید است، پنل‌‌های خورشیدی در زاویه‌‌ای قرار می‌‌گیرند که بیشتری شدت تابش را دریافت کنند و در نقاطی که فضاپیما در حال نزدیک‌‌شدن به خورشید است، پنل‌‌ها در زاویه‌‌ای با حداقل دریافت تابش قرار خواهند گرفت. بدین‌‌ترتیب، فضاپیما سرعت خواهد گرفت و می‌‌تواند به ارتفاع‌‌های بالاتر دست یابد.

به‌‌گفته‌‌ی دکتر گوفیل، برای یک کیوب‌ست با ابعادی کوچکتر از یک جعبه کفش می‌توان تعدای از سلول‌های خورشیدی را با مساحتی معادل یک کاور صفحه‌‌ی گرامافون در نظر گرفت و بدین‌ترتیب می‌‌توان نیروی لازم را برای افزایش ارتفاع ماهواره به‌‌اندازه‌‌ی چند ۱۰ متر در هر روز فراهم کرد. این مقدار چندان زیاد نیست؛ اما چنین نیرویی برای جلوگیری از یک برخورد احتمالی ماهواره با زباله‌‌های فضایی سرگردان در مدار زمین، کافی به نظر می‌‌رسد.

قرار است دانشگاه تکیون به‌‌زودی این ایده را آزمایش کند. بنابر اظهارات دکتر گورفیل، این اولین‌بار خواهد بود که سه ماهواره‌‌ی آزمایشی با این تکنیک طی مدت ۶ ماه در مدار قرار خواهند گرفت. امید می‌‌رود که این مأموریت که با نام Samson شناخته می‌‌شود، بتواند ماهواره‌‌ها را بدون هیچ مشکلی در مدار قرار دهد.

منبع economist

از سراسر وب

  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده

بیشتر بخوانید