سازوکار راکت‌های با قابلیت استفاده‌ی مجدد

ویدیویی که مشاهده می‌کنید، راکت ۴۰ متری، بوستر فالکون ۹ را نشان می‌دهد که با وزنی بیش از ۲۰ تن، در یک سکوی فرود به زمین می‌نشیند. احتمالا همه خوانندگان زومیت به‌خوبی با داستان موفقیت‌های ادامه‌دار اسپیس ایکس آشنایی داشته باشند: در این مأموریت‌های موفقیت‌آمیز، اسپیس ایکس به‌خوبی قادر به پرتاب و فرود موفقیت‌آمیز راکت‌هایش و همچنین استفاده‌ی مجدد از آن‌ها شده است.

چندین فناوری برای پرتاب و فرود درست و دقیق مرحله دوم راکت‌ مورد نیاز است. همان‌طور که می‌دانید، راکت‌های فضایی دارای دو یا سه بخش هستند که مرحله یا فاز نام دارند. هر مرحله دارای یک موتور و پیشرانه یا بوستر است. پس از اتمام سوخت مرحله‌ی اول، مرحله‌ی دوم راکت به کار می‌افتد. کمپانی اسپیس ایکس، اکنون با چندین آزمایش دریافته است که می‌تواند راکت‌های خود را با سرعت مافوق صوت به زمین بازگرداند و موتورهای اصلی راکت (مرحله‌ی دوم) را مجددا روشن کند و با سرعتی نزدیک به صفر روی پایه‌های خود فرود بیاورد. موردی که در چند مأموریت اخیر اسپیس ایکس به‌خوبی شاهد آن بوده‌ایم.

• سیستم احتراق قابل استارت مجدد برای تقویت مرحله اول راکت: استارت مجدد در سرعت مافوق صوت هنگام پرتاب به جو زمین و همچنین برای بازگشت و فرود نرم روی سکوی فرود الزامی است.
• فناوری کنترل برای بوستر راکت: این فناوری می‌تواند به پایین آوردن سرعت راکت در هنگام ورود به جو و همچنین کنترل آن در زمان نزدیک شدن به سکوی فرود کمک می‌کند.  
• شبکه باله‌های مافوق صوت: این باله‌ها امکان کنترل راکت را در هنگام فرود فراهم می‌کنند و فرود بسیار دقیق را امکان پذیر می‌سازند. اکنون اسپیس ایکس از باله‌های بزرگ‌ و مستحکم تیتانیومی بهره می‌برد که به‌خوبی مورد آزمایش قرار گرفته‌اند.
• موتور درون‌سوز یا احتراق داخلی: این نوع موتور برای کاهش نیروی تراست یا پیشرانه مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ چرا که اتکا به یک موتور در این مورد ریسک بالایی دارد.
• سیستم راهنمای قابلیت فرود: سیستم کنترل راکت و نرم افزار سیستم کنترل قادرند یک راکت را با توجه به نسبت وزن و نیروی پیشرانه‌اش به‌خوبی به زمین فرود بیاورند. در سیستم مجموعه سنسورهای هدایت‌شونده‌ای هم برای فرود دقیق راکت تعبیه شده‌اند.
• سکوی فرود: اسپیس ایکس توانسته است سکوهای فرود شناوری را در سواحل فلوریدا بسازد که چندین مأموریت موفقیت آمیز را پشت سر گذاشته‌اند. اسپیس ایکس اکنون از دو سکوی فرود شناور بهره می‌برد، سکوی فرود «Just Read the Instructions» و «Of Course I Still Love You».
• سیستم حفاظت حرارتی: در این مورد به یک سطح بزرگ برای جذب حرارت حاصل از فرود مرحله دوم راکت نیاز است.
• قطعات سبک و قابل حمل برای مرحله دوم یا بوستر راکت: اسپیس ایکس از چهار پایه از جنس فیبرهای کربنی و آلومینیومی بهره می‌برد که با وجود ۱۸ متر طول، تنها حدود ۱۰۰ کیلوگرم وزن دارند.  

اولین چیزی که باید بدانید این است که بوستر راکت، در واقع یک ربات بزرگ است که به‌صورت مستقل به زمین بازمی‌گردد. شرکت اسپیس ایکس به رهبری کارآفرین و فناور معروف ایلان ماسک، طی چند سال اخیر با کمک برخی از بهترین مهندسان هوا فضای دنیا، از جمله لارس بلکمور، در حال توسعه و طراحی سیستم‌های پیشرفته قابل استفاده مجدد (RLV) است.

در سال ۲۰۰۹، او و همکارانش متوجه ناتوانی از فرود دقیق در مریخ شدند. این ناتوانی به این معنا است که اکتشافات علمی در مریخ نمی‌تواند در محل مورد نظر انجام گیرد. مهندسان در زمان برنامه‌ریزی این سفرهای فضایی، دقت فرود را به‌ شکل یک محدوده‌ی بیضوی (مجازی) روی سطح سیاره مشخص می‌کنند؛ جایی که فضاپیما به احتمال ۹۹ درصد می‌تواند فرود بیاید.

در سال ۱۹۹۷، زمانی که ناسا فضاپیمای رباتیک مارس پتفایندر را به این سیاره فرستاد، انتظار می‌رفت در محدوده‌ای ۱۵۰ کیلومتری قرار بگیرد که واضح است این نوع فرود نمی‌تواند دقتی که از یک مأموریت فضایی انتظار می‌رود برآورده کند. مهندسان آزمایشگاه پیشرانه‌ی جت ناسا در سال ۲۰۱۲ توانستند محدوده‌ی فرود مریخ‌نورد کریاسیتی را به ۲۰ کیلومتر کاهش دهند. اما این میزان هنوز هم قابل اعتنا نیست. تصور کنید، در یک سفر هوایی هستید و به شما گفته شود هواپیما در فاصله‌ی ۲۰ کیلومتری مقصد فرود می‌آید! احتمالا این دلخواه هیچ کس، خصوصا دانشمندان و اخترشناسان نیست که می‌خواهند با دقتی بالا برخی از نواحی مورد نظر خود در مریخ را کاوش کنند. اما اسپیس ایکس توانسته است راکت‌های خود را در محدوده‌ای بین ۶۰ تا ۲۰ متر فرود بیاورد که پیشرفت چشم‌گیری به‌حساب می‌آید.  

یک دلیل عمده برای نامشخص بودن محل دقیق فرود کاوشگرهای مریخ، استفاده از چتر نجات است. مهندسان هنوز هم مشکلات فنی زیادی برای کاهش سرعت فرود فضاپیما در سطح سیاره دارند. موردی که اگر به یاد داشته باشید (البته با چاشنی نقص فنی سنسورها) منجر به منفجر شدن کاوشگر شیاپارلی آژانس فضایی اروپا در سال گذشته شد. اسپیس ایکس به‌عنوان شرکتی که قادر به فرود راکت‌های قابل استفاده‌ی مجدد است، اکنون پیشرفت‌های پیشگامانه خود در زمینه‌ی این مسئله آیرودینامیک را با ناسا در میان گذاشته است.

اسپیس ایکس با استفاده از بوسترهای قوی که قادر به کنترل فرود هستند، توانسته است به‌خوبی راکت‌های زیر مداری خود را فرود آورد و دوباره از آن‌ها استفاده کند. هدف این کمپانی، حذف کامل چتر نجات در فرود فضاپیماها است که به‌خوبی در آن موفق بوده است. شاید در آینده‌ای نزدیک و مشخصا در مأموریت مریخ‌نورد ۲۰۲۰، شاهد استفاده از این سیستم‌های فرود بسیار دقیق روی سطح سیاره‌‌ی سرخ باشیم.