آیا اسپیس ایكس و بلواوریجین می‌توانند فناوری به كار رفته در طراحی موتور موشك قدیمی روس‌ها را بهبود بخشند؟
مسابقه آمریكایی برای عبور از فناوری روس‌ه
یك ساعت پیش از غروب خورشید چهارم خرداد 1379 موشك خارق‌العاده‌ای از پایگاه پرتاب موشك «لانچ كامپلكس 36» در پایگاه نیروی هوایی كیپ كاناورال آمریكا از زمین برخاست. این موشك كه «اطلس 3» نام داشت طراحی‌اش را از اولین موشك بالستیك بین‌قاره‌ای آمریكا به ارث می‌برد كه به منظور تهدید شوروی سابق به نابودی هسته‌ای طراحی شده بود. با این تفاوت كه مرحله اول موشك اطلس 3 به میزان چشمگیری قدرتمندتر از اسلافش بود و نیروی خود را از موتور قدرتمندی به نام آر.دی180 می‌گرفت. موتوری متولد روسیه كه حالا در خاك آمریكا وظیفه پرتاب ماهواره‌ها را به‌عهده داشت. احتمالا آمریكایی‌ها از این‌كه كسی از آنها بپرسد چرا در پرتاب ماهواره‌هایشان از فناوری موتور موشك روسی استفاده می‌كنند خوشحال نخواهند شد. اما این پرسش مهمی است كه پاسخش را در ماجرای طراحی یكی از شاهكارهای فناوری هوافضای جهان باید جست‌وجو كرد.
موتور آر.دی180 (R.D180) را شركت ان.پی.او انرگوماش
(NPO Energomash) در كارخانه‌ای خارج از مسكو ساخته بود. در واقع موشك اطلس3 تلفیق غیرقابل تصوری از یك موتور روسی با یك موشك آمریكایی را به نمایش می‌گذاشت. در طول دو دهه بعد، 83 موشك مشابه دیگر در فلوریدا از زمین برخاستند. آر.دی180 كه در اطلس 3 و جانشینش به نام اطلس 5 به كار گرفته شد، 16 ماهواره جاسوسی آمریكا، 13 ماهواره ارتباطات نظامی، شش ماهواره جی‌پی‌اس، دو ماهواره نظامی هواشناسی و سه ماهواره هشدار موشكی را به مدار زمین برد. اطلس 3 همچنین در چهار ماموریت آمریكا به مقصد مریخ از زمین برخاست. پرتاب كاوشگر «نیوهورایزنز» (به معنی افق‌های نو) در سال 1385/ 2006 و فضاپیمای «جونو» در سال 1390/ 2011 نیز هردو با نیروی آر.دی 180 انجام شدند.
آر.دی180 از بسیاری جهات از هر موتور دیگری در زمان خودش بهتر بود. وقتی در بهمن 1397 ایلان ماسك رئیس شركت اسپیس ایكس آزمایش موفق موتور رپتور ساخت این شركت را كه برای موشك استارشیپ ساخته شده بود اعلام كرد، از فشار بسیار بالا در محفظه تراست این موتور خبر داد. او این فشار را 265 برابر فشار جو در سطح دریا عنوان كرد. ماسك در توییتر نوشت رپتور ساخته شده، ركوردی را كه چند دهه در اختیار موتور روسی آر.دی180 قرار داشت شكسته است. با این حال او پیشران موشكی آر.دی 180 را كه توسط كارخانه روسی انرگوماش ساخته شده و در شاتل اطلس5 استفاده می‌شود، از نظر طراحی و ساختار باشكوه خواند و در توییتر خود نوشت: «شرم‌آور است كه (شركت‌های) بوئینگ و لاكهید نیاز به استفاده از موتور روسی در اطلس دارند، اما طراحی موتور فوق العاده است.»
بعد از آنكه در سال 1393/ 2014 ممنوعیت استفاده از موتور روسی آر.دی180 در موشك‌های آمریكایی بعد از سال 1401/ 2022 در كنگره آمریكا به تصویب رسید، نیروی هوایی این كشور مجبور به ساخت موشك جدیدی شد كه بتواند جانشین اطلس 5 با موتور آر.دی180 شود. البته مقامات آمریكایی یك سال بعد، این ممنوعیت را به دلیل عدم تولید این موتور در داخل آمریكا لغو كردند اما سوال اینجاست كه چگونه یك موتور روسی با ده‌ها سال عمر، به معیاری تبدیل می‌شود كه بهترین دانشمندان موشكی آمریكا خودشان را با ساخت چیزی شبیه به آن می‌سنجند؟
سازوكار كلی موتور موشك
دو برآورد عمده از عملكرد موشك وجود دارد: تراست یا نیروی پیشران كه عبارت است از میزان نیرویی كه یك موشك به‌كار می‌گیرد و تكانه ویژه كه مقیاسی برای سنجش سرعت خروجی از موتور است. موشكی كه نیروی پیشران بالایی دارد اما تكانه ویژه آن پایین است به مدار زمین نمی‌رسد زیرا این موشك باید سوخت زیادی با خودش حمل كند و افزایش وزن سوخت مورد نیاز، باعث می‌شود موشك به سوخت بیشتری برای حركت خود نیاز داشته باشد و این دور باطل ادامه پیدا می‌كند. برعكس، موشكی كه تكانه ویژه بالا و نیروی پیشران پایینی دارد هرگز از زمین بلند نخواهد شد. موتور یك موشك مثل موتور هواپیمای جت، سوخت را همراه با یك عامل اكسنده كه اغلب اكسیژن است می‌سوزاند تا گاز داغی تولید كند كه به سمت پایین و خارج از نازل موتور انبساط پیدا می‌كند و به موشك در جهت مخالف، شتاب می‌دهد. برخلاف موتور هواپیمای جت كه اكسیژن را از هوای اطراف خود می‌گیرد، موتور یك موشك باید اكسیژن (یا دیگر عوامل اكسنده) مورد نیازش را با خودش حمل كند زیرا در فضا اكسیژنی وجود ندارد. موشك‌ها، مثل هواپیماهای جت، نیاز به راهی دارند كه از طریق آن سوخت و اكسیژن را با فشار بالا وارد محفظه احتراق كنند. موتور هواپیمای جت و موتور موشك در سایر موارد با هم تفاوتی ندارند. فشار بالاتر به معنای عملكرد بهتر است. به این منظور موشك‌ها از پمپ‌های توربینی كه با سرعت صدها دور در ثانیه می‌چرخند استفاده می‌كنند. پمپ‌های توربینی را توربین‌هایی به كار می‌اندازند كه خودشان با پیشران هدایت می‌شوند و پیشران‌ها نیز به نوبه خود سوخت و اكسیژن مصرف می‌كنند.
تفاوت عمده میان موتورهای درون‌سوز مثل آر.دی180 و موتورهای مولد گاز مثل ساترن اف-وان در اتفاقی است كه برای گازهای حاصل از سوخت پیشران می‌افتد؛ درحالی كه موتورهای مولد گاز، این گازها را به بیرون تخلیه می‌كند، در موتورهای درون‌سوز این گازها دوباره وارد محفظه اصلی احتراق می‌شود. یكی از دلایل این كار این است كه این گازها شامل سوخت‌های غیرمعمول و اكسیژن است كه پیشران‌ها نمی‌توانند آنها را به‌طور كامل بسوزانند. از طرفی بیرون ریختن آنها باعث هدررفتن‌شان می‌شود و چنین چیزی برای یك موشك كه باید هر كیلوگرم سوخت و اكسیژن مورد نیاز خود را حمل كند، مهم است. وارد‌كردن دوباره این گازها به محفظه احتراق با ایجاد تعادل میان فشار و شدت جریان از انفجار موتور جلوگیری می‌كند. اما اجرای این روند نیازمند مجموعه كاملی از توربوپمپ‌هاست و برای درست عمل كردن آن، گروه‌هایی از كارشناسان معمولا باید یك دهه یا بیشتر به شبیه‌سازی و آزمایش بپردازند.
آر.دی170 و آر.دی180 یك مزیت دیگر هم دارند؛ این دو موتور، غنی از اكسیژن هستند، زیرا اكسیژن اضافی به سیستم تزریق می‌كنند. موتورهای غنی سوخت پاك‌تری دارند و احتراق آنها بسیار آسان‌تر است. این موتورها همچنین فشار بالاتری در محفظه احتراق ایجاد می‌كنند و در نتیجه عملكرد بهتری دارند؛ با این حال احتمال انفجارشان بیشتر است.
4 مدعی جدی
پس از گذشت چند دهه، شركت‌های آمریكایی سرانجام روی موتورهایی كار می‌كنند كه شاید بهتر از آر.دی 180 باشند. هرچه باشد شركت‌های امروزی در مقایسه با گلاشكو به امكانات عیب‌یابی بهتر و ر‌وش‌های شبیه‌سازی پیچیده‌تری دسترسی دارند. چهار مدعی جدی برای ساختن این موشك جدید وجود دارد: اسپیس‌ایكس، بلو اوریجین، یو.ال.ای (شركت مشترك بوئینگ-لاكهید مارتین) و نورثروپ گرومن.
موتور بی.ای 4 (BE4) كه شركت خصوصی فضایی بلو اوریجین متعلق به جف بزوس آن را برای موشك «نیو گلن» در دست ساخت دارد و موتور «رپتور» ساخت شركت اسپیس ایكس هر دو به میزان بسیار زیادی از روی آر.دی180 الگوبرداری شده‌اند. موتور بی.ای-4 مثل آر.دی180 یك موتور احتراقی غنی از اكسیژن است. موتور رپتور همچنین از این نظر كه همه گازهای حاصل از سوخت پیشران را به محفظه احتراق وارد كرده و به این ترتیب استفاده از همه سوخت و عامل اكسنده ذخیره شده در مخزن موشك برای تولید نیروی پیشران را تضمین می‌كند شبیه آر.دی180 و آر.دی170 است. با این حال رپتور یك تفاوت جزئی با رویكرد گلاشكو دارد: جریان‌های غنی از اكسیژن و غنی از سوخت، نیروی توربوپمپ‌های آن را تامین و بالاترین كارایی را ایجاد می‌كنند. احتمالا بزرگ‌ترین مزیت فنی این موتورهای جدید نسبت به آر.دی180 این است كه در این موتورها به جای كروسین یا نفت سفید از متان به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود. نفت سفید بعد از چند بار استفاده، می‌تواند موتور را كثیف كند. متان دارای تكانه ویژه بالاتری است و پاك‌تر می‌سوزد. همچنین تولید متان در مریخ (كاری كه ایلان ماسك قصد انجام آن را دارد) بسیار ساده‌تر است.
هیچ‌كدام از موتورهای جدید هنوز به مدار زمین نرسیده‌اند. اسپیس‌ایكس درحال برنامه‌ریزی برای پرتاب موشك‌های «استارهوپر» خود است؛ موشك‌هایی كه در نهایت با نیروی سه موتور رپتور در تابستان سال جاری با پرتاب تا ارتفاع چند هزار پایی آزمایش می‌شوند. بلواوریجین نیز در تگزاس درحال آزمایش ای.بی-4 است. شركت بلو اوریجین، پایگاه «لانچ كامپلكس 36» یعنی جایی كه آر.دی180 نخستین بار از آنجا پرتاب شد را برای انجام آزمایشات خود اجاره كرده و قصد دارد موشك نیوگلن خود را در سال 1400/ 2021 پرتاب كند.
برگرفته از: technologyreview.com
(NPO Energomash) در كارخانه‌ای خارج از مسكو ساخته بود. در واقع موشك اطلس3 تلفیق غیرقابل تصوری از یك موتور روسی با یك موشك آمریكایی را به نمایش می‌گذاشت. در طول دو دهه بعد، 83 موشك مشابه دیگر در فلوریدا از زمین برخاستند. آر.دی180 كه در اطلس 3 و جانشینش به نام اطلس 5 به كار گرفته شد، 16 ماهواره جاسوسی آمریكا، 13 ماهواره ارتباطات نظامی، شش ماهواره جی‌پی‌اس، دو ماهواره نظامی هواشناسی و سه ماهواره هشدار موشكی را به مدار زمین برد. اطلس 3 همچنین در چهار ماموریت آمریكا به مقصد مریخ از زمین برخاست. پرتاب كاوشگر «نیوهورایزنز» (به معنی افق‌های نو) در سال 1385/ 2006 و فضاپیمای «جونو» در سال 1390/ 2011 نیز هردو با نیروی آر.دی 180 انجام شدند.
آر.دی180 از بسیاری جهات از هر موتور دیگری در زمان خودش بهتر بود. وقتی در بهمن 1397 ایلان ماسك رئیس شركت اسپیس ایكس آزمایش موفق موتور رپتور ساخت این شركت را كه برای موشك استارشیپ ساخته شده بود اعلام كرد، از فشار بسیار بالا در محفظه تراست این موتور خبر داد. او این فشار را 265 برابر فشار جو در سطح دریا عنوان كرد. ماسك در توییتر نوشت رپتور ساخته شده، ركوردی را كه چند دهه در اختیار موتور روسی آر.دی180 قرار داشت شكسته است. با این حال او پیشران موشكی آر.دی 180 را كه توسط كارخانه روسی انرگوماش ساخته شده و در شاتل اطلس5 استفاده می‌شود، از نظر طراحی و ساختار باشكوه خواند و در توییتر خود نوشت: «شرم‌آور است كه (شركت‌های) بوئینگ و لاكهید نیاز به استفاده از موتور روسی در اطلس دارند، اما طراحی موتور فوق العاده است.»
بعد از آنكه در سال 1393/ 2014 ممنوعیت استفاده از موتور روسی آر.دی180 در موشك‌های آمریكایی بعد از سال 1401/ 2022 در كنگره آمریكا به تصویب رسید، نیروی هوایی این كشور مجبور به ساخت موشك جدیدی شد كه بتواند جانشین اطلس 5 با موتور آر.دی180 شود. البته مقامات آمریكایی یك سال بعد، این ممنوعیت را به دلیل عدم تولید این موتور در داخل آمریكا لغو كردند اما سوال اینجاست كه چگونه یك موتور روسی با ده‌ها سال عمر، به معیاری تبدیل می‌شود كه بهترین دانشمندان موشكی آمریكا خودشان را با ساخت چیزی شبیه به آن می‌سنجند؟
سازوكار كلی موتور موشك
دو برآورد عمده از عملكرد موشك وجود دارد: تراست یا نیروی پیشران كه عبارت است از میزان نیرویی كه یك موشك به‌كار می‌گیرد و تكانه ویژه كه مقیاسی برای سنجش سرعت خروجی از موتور است. موشكی كه نیروی پیشران بالایی دارد اما تكانه ویژه آن پایین است به مدار زمین نمی‌رسد زیرا این موشك باید سوخت زیادی با خودش حمل كند و افزایش وزن سوخت مورد نیاز، باعث می‌شود موشك به سوخت بیشتری برای حركت خود نیاز داشته باشد و این دور باطل ادامه پیدا می‌كند. برعكس، موشكی كه تكانه ویژه بالا و نیروی پیشران پایینی دارد هرگز از زمین بلند نخواهد شد. موتور یك موشك مثل موتور هواپیمای جت، سوخت را همراه با یك عامل اكسنده كه اغلب اكسیژن است می‌سوزاند تا گاز داغی تولید كند كه به سمت پایین و خارج از نازل موتور انبساط پیدا می‌كند و به موشك در جهت مخالف، شتاب می‌دهد. برخلاف موتور هواپیمای جت كه اكسیژن را از هوای اطراف خود می‌گیرد، موتور یك موشك باید اكسیژن (یا دیگر عوامل اكسنده) مورد نیازش را با خودش حمل كند زیرا در فضا اكسیژنی وجود ندارد. موشك‌ها، مثل هواپیماهای جت، نیاز به راهی دارند كه از طریق آن سوخت و اكسیژن را با فشار بالا وارد محفظه احتراق كنند. موتور هواپیمای جت و موتور موشك در سایر موارد با هم تفاوتی ندارند. فشار بالاتر به معنای عملكرد بهتر است. به این منظور موشك‌ها از پمپ‌های توربینی كه با سرعت صدها دور در ثانیه می‌چرخند استفاده می‌كنند. پمپ‌های توربینی را توربین‌هایی به كار می‌اندازند كه خودشان با پیشران هدایت می‌شوند و پیشران‌ها نیز به نوبه خود سوخت و اكسیژن مصرف می‌كنند.
تفاوت عمده میان موتورهای درون‌سوز مثل آر.دی180 و موتورهای مولد گاز مثل ساترن اف-وان در اتفاقی است كه برای گازهای حاصل از سوخت پیشران می‌افتد؛ درحالی كه موتورهای مولد گاز، این گازها را به بیرون تخلیه می‌كند، در موتورهای درون‌سوز این گازها دوباره وارد محفظه اصلی احتراق می‌شود. یكی از دلایل این كار این است كه این گازها شامل سوخت‌های غیرمعمول و اكسیژن است كه پیشران‌ها نمی‌توانند آنها را به‌طور كامل بسوزانند. از طرفی بیرون ریختن آنها باعث هدررفتن‌شان می‌شود و چنین چیزی برای یك موشك كه باید هر كیلوگرم سوخت و اكسیژن مورد نیاز خود را حمل كند، مهم است. وارد‌كردن دوباره این گازها به محفظه احتراق با ایجاد تعادل میان فشار و شدت جریان از انفجار موتور جلوگیری می‌كند. اما اجرای این روند نیازمند مجموعه كاملی از توربوپمپ‌هاست و برای درست عمل كردن آن، گروه‌هایی از كارشناسان معمولا باید یك دهه یا بیشتر به شبیه‌سازی و آزمایش بپردازند.
آر.دی170 و آر.دی180 یك مزیت دیگر هم دارند؛ این دو موتور، غنی از اكسیژن هستند، زیرا اكسیژن اضافی به سیستم تزریق می‌كنند. موتورهای غنی سوخت پاك‌تری دارند و احتراق آنها بسیار آسان‌تر است. این موتورها همچنین فشار بالاتری در محفظه احتراق ایجاد می‌كنند و در نتیجه عملكرد بهتری دارند؛ با این حال احتمال انفجارشان بیشتر است.
4 مدعی جدی
پس از گذشت چند دهه، شركت‌های آمریكایی سرانجام روی موتورهایی كار می‌كنند كه شاید بهتر از آر.دی 180 باشند. هرچه باشد شركت‌های امروزی در مقایسه با گلاشكو به امكانات عیب‌یابی بهتر و ر‌وش‌های شبیه‌سازی پیچیده‌تری دسترسی دارند. چهار مدعی جدی برای ساختن این موشك جدید وجود دارد: اسپیس‌ایكس، بلو اوریجین، یو.ال.ای (شركت مشترك بوئینگ-لاكهید مارتین) و نورثروپ گرومن.
موتور بی.ای 4 (BE4) كه شركت خصوصی فضایی بلو اوریجین متعلق به جف بزوس آن را برای موشك «نیو گلن» در دست ساخت دارد و موتور «رپتور» ساخت شركت اسپیس ایكس هر دو به میزان بسیار زیادی از روی آر.دی180 الگوبرداری شده‌اند. موتور بی.ای-4 مثل آر.دی180 یك موتور احتراقی غنی از اكسیژن است. موتور رپتور همچنین از این نظر كه همه گازهای حاصل از سوخت پیشران را به محفظه احتراق وارد كرده و به این ترتیب استفاده از همه سوخت و عامل اكسنده ذخیره شده در مخزن موشك برای تولید نیروی پیشران را تضمین می‌كند شبیه آر.دی180 و آر.دی170 است. با این حال رپتور یك تفاوت جزئی با رویكرد گلاشكو دارد: جریان‌های غنی از اكسیژن و غنی از سوخت، نیروی توربوپمپ‌های آن را تامین و بالاترین كارایی را ایجاد می‌كنند. احتمالا بزرگ‌ترین مزیت فنی این موتورهای جدید نسبت به آر.دی180 این است كه در این موتورها به جای كروسین یا نفت سفید از متان به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود. نفت سفید بعد از چند بار استفاده، می‌تواند موتور را كثیف كند. متان دارای تكانه ویژه بالاتری است و پاك‌تر می‌سوزد. همچنین تولید متان در مریخ (كاری كه ایلان ماسك قصد انجام آن را دارد) بسیار ساده‌تر است.
هیچ‌كدام از موتورهای جدید هنوز به مدار زمین نرسیده‌اند. اسپیس‌ایكس درحال برنامه‌ریزی برای پرتاب موشك‌های «استارهوپر» خود است؛ موشك‌هایی كه در نهایت با نیروی سه موتور رپتور در تابستان سال جاری با پرتاب تا ارتفاع چند هزار پایی آزمایش می‌شوند. بلواوریجین نیز در تگزاس درحال آزمایش ای.بی-4 است. شركت بلو اوریجین، پایگاه «لانچ كامپلكس 36» یعنی جایی كه آر.دی180 نخستین بار از آنجا پرتاب شد را برای انجام آزمایشات خود اجاره كرده و قصد دارد موشك نیوگلن خود را در سال 1400/ 2021 پرتاب كند.
برگرفته از: technologyreview.com
ضمیمه نوجوانه
تیتر خبرها
