استارشیپ ؛ راهی برای رسیدن به مریخ و فراتر از آن - وبمستر وبلاگ

خبرنگاران - امیرحسین اسماعیل بیگی: سال هاست که انسان به دنبال کشف بیشتر فضا است.

یکی از رویاهای مهم بشر در دهه های گذشته دسترسی و قدم گذاشتن روی مریخ بوده است.

حتی هالیوود فیلم های بسکمک در این زمینه ساخته است تا بتواند درحد همان دنیای تصویر به این رویا واقعیت ببخشد.

اما محدودیت های بسیار بشر تا به حال اجازه رسیدن به این آرزو را نداده است.

تقریبا چندسالی می گردد که شرکت اسپیس ایکس و ایلان ماسک به شدت برای واقعیت بخشیدن به این رویا تلاش می کنند.

اسپیس ایکس در یک سال گذشته بسیار به انجام آن نزدیک شده است که بتواند انسان را تا مریخ ببرد و برگرداند.

گذری بر شرکت فضایی اسپیس ایکس

اسپیس ایکس در سال 2002 برای ایجاد انقلابی در دسترسی به فضا و فعال کردن جامعه چند سیاره ای تاسیس شد.

در حال حاضر اسپیس ایکس ماموریت های معمول خود را از طریق موشک های Falcon 9 و Falcon Heavy انجام می دهد.

ماموریت هایی که شامل انتقال انواع ماهواره ها به مدار و درچند وقت اخیر انتقال فضانوردان به ایستگاه بین المللی برای مشتریان متنوعی از جمله سازمان ملی هوانوردی و فضایی (ناسا)، وزارت دفاع، دولت های بین المللی و شرکت های تجاری به فضا می شوند.

کاهش هزینه سفرهای فضایی توسط اسپیس ایکس

اسپیس ایکس برای کاهش هزینه های پروژه های فضایی ایده استفاده مجدد از موشک ها را کاملا عملی کرد.

از طریق سیستم رقابتی، SpaceX قابلیت استفاده مجدد را در سیستم های Falcon و Dragon وارد کرده است، که ضمن کاهش هزینه، قابلیت اطمینان موشک را بهبود می بخشد.

برنامه استارشیب (Starship) یکی از برنامه های بعدی اسپیس ایکس است.

برنامه ای برای راه اندازی سیستم حمل و نقل فضایی فوق العاده سنگین که قابلیت استفاده مجدد، سریع و مطمئن داشته باشد.

استارشیپ اکنون از تجربه اسپیس ایکس استفاده می کند تا به رویای دیرینه بشر که زندگی در مریخ است، جامعه عمل بپوشاند.

استارشیپ راهی برای رسیدن به مریخ

انسان با تلاش های بسیار در این سال ها توانسته است از کره زمین خارج گردد.

و حتی خود را تا ماه رسانده اما هنوز پایش به سیارات دیگر نرسیده است.

چندین سال با صرف هزینه و تلاش بسیار ناسا پیروز شده است که اطلاعاتی از سیاره مریخ جمع آوری کند.

با توجه به این داده ها تا الان تقریبا مریخ تنها جایی است که با اغماض بسیار، انسان می تواند برود و یا سکونت کند.

ایلان ماسک شرکت اسپیس ایکس را برای تحقق این خواسته که انسان را به مریخ برساند و یک تمدن جدید در آن جا تشکیل دهد بنا نهاد.

اسپیس ایکس پیروز شد موشک هایی با قابلیت استفاده مجدد توسعه داده و هزینه های سفرهای فضایی را بسیار کاهش دهد.

این دستاورد بسیار به برنامه سفر به مریخ کمک می کند.

از سال 2012 اسپیس ایکس توسعه موشک های جدید خود را آغاز کرد.

استارشیپ قوی ترین فضاپیمای ساخته شده تا به حال است

این موشک ها با هدف حمل بارهای بسیار سنگین (100 تن) برای مسافت های طولانی طراحی و ساخته می شد.

با عملی شدن این پروژه، استارشیپ قوی ترین فضاپیمای تاریخ بشر تا به امروز خوهد بود.

نام این پروژه در ابتدا حمل و نقل استعماری مریخ (Mars Colonial Transporter) بود.

اما چندی بعد ایلان ماسک گفت این وسیله می تواند تا ورای مریخ نیز پرواز کند.

بنابراین نام آن را به BFR به معنی راکت فالکون بزرگ (Big Falcon Rocket) تغییر داد.

در نهایت در سال 2019 قسمت فضاپیما را استارشیپ (Starship) و بوستر مرحله اول را سوپر هِوی (Super Heavy) نامید.

ولی به اختصار به کل مجموعه و پروژه استارشیپ گفته می گردد.

همانند نام این پروژه، طراحی موشک بارها و بارها تغییر کرده است و با هر آزمایش جدید ممکن است قسمت دیگری تغییر کند.

جنس بدنه، موتورها، سپرهای حرارتی، حتی ابعاد و بسکمک قسمت های مهم دیگر از جمله این تغییرات اند.

این موشک باید در نهایت بتواند ماموریت خود را به بهترین شکل انجام دهد.

استارشیپ پر از شگفتی، جزئیات فنی و نهایت مهندسی است.

در ادامه چند قسمت از مهم ترین بخش های فنی استارشیپ را بررسی می کنیم تا بهتر بدانید چرا این موشک بسیار خاص است.

زمانبندی سفر به مریخ با پروژه استارشیپ

تا اینجا با استارشیپ آشنا شدیم؛ اسپیس ایکس برای رسیدن به مریخ براساس زمان بندی بسیار دقیقی پروژه را جلو می برد.

از سال 2019 که ساخت این موشک برای رفتن به مریخ با نام استارشیپ آغاز شد، تست های زیادی روی تمامی قسمت های این موشک اجرا شده است، یا در برنامه وجود دارد که انجام گردد.

یکی از کارهایی که اسپیس ایکس در راستای برنامه استارشیب انجام داد، ساخت سایت اختصاصی برای انجام آزمایشات استارشیپ بود.

سایت اختصاصی پرتاب استارشیپ

این سایت پرتاب که به نام بوکاچیکا (Boca Chica) شناخته می گردد، در جنوب ایالت تگزاس و دهکده بوکاچیکا ساخته شده است.

ساخت این پایگاه از سال 2014 آغاز شد و تا 2018 طول کشید.

در ابتدا قرار بود این سایت برای پشتیبانی موشک های فالکون استفاده گردد، اما در نهایت ایلان ماسک این سایت را به صورت اختصاصی برای پروژه استارشیپ در نظر گرفت.

تمامی آزمایش ها و ساخت نمونه های مورد نظر برای موشک استارشیپ در این منطقه انجام می گردد.

استار هوپر

قدم بعدی اسپیس ایکس برای تکمیل دانش خود و انجام تست های متنوع روی هر قسمت از این موشک، تصمیم به ساخت یک نمونه اولیه به نام استار هوپر بود.

در سال 2018 ابتدا پایه ها ساخته و تست شدند، بعد از آن سازه استار هوپر تکمیل شد و یک موتور رپتور SN2 روی آن نصب شد.

این استارهوپر با موتور رپتور اولیه به ارتفاع یک متر پرواز پیروزیت آمیز انجام داد.

سپس موتور رپتور SN6 همراه با تجهیزات بیشتری روی آن نصب شد تا تست کامل تری گرفته گردد و در نهایت تا 20 متر پرواز را با پیروزیت انجام داد.

بعد از آن مخازن سوخت و باقی موارد مورد احتیاج روی استارهوپر قرار گرفت و با همان موتور رپتور SN6 تا ارتفاع 150 متر پرواز کرد.

تمامی این آزمایشات در سال 2019 و به صورت پیروزیت آمیز انجام شدند تا گام به گام اسپیس ایکس را به استارشیپ نزدیک تر کنند.

اما آخرین تست پیروزیت آمیز اسپیس ایکس در 4 آگست 2020 انجام شد که نمونه بسیار کامل تری از استارهوپر با شکلی نزدیک تر به استارشیپ بود.

این نمونه با نام SN5 و با استفاده از یک موتور رپتور توانست به ارتفاع 150 متری برسد و سپس با پیروزیت فرود آید.

اگر مشکل خاصی برای پروژه پیش نیاید طبق برنامه زمان بندی تا انتهای سال 2020 نمونه کامل استارشیپ به مدار 100 کیلومتری پرتاب می گردد.

پیشرانه های استارشیپ

یکی دیگر از شگفتی های استارشیپ پیشرانه های آن است.

این فضاپیما مجموعا از 37 پیشرانه استفاده می کند که متشکل از دو نوع است.

31 عدد پیشران از نوع رپتور توسعه یافته برای سطح دریا که روی بوستر سوپر هوی نصب شده است تا استارشیپ را به مدار زمین برساند.

شش عدد پیشرانه از نوع رپتور نیز روی خود استارشیپ نصب شده است؛ که سه عدد از نوع توسعه یافته برای سطح دریا و سه عدد دیگر نیز توسعه داده شده برای خلا هستند.

پیشرانه رپتور یکی از شاهکارهای مهندسی است

بیایید نگاهی به جزئیات این موتور بیندازیم تا بهتر بدانید چرا این موتور یک شاهکار است.

پیشرانه رپتور از طراحی ویژه ای استفاده می کند که Full-flow staged-combustion نام دارد.

این طرح برای اولین بار توسط مهندسان روسی در دهه 60 میلادی انجام شد، اما هیچ وقت آن موتور به پرواز در نیامد.

در نهایت در سال 2011 شرکت اسپیس ایکس آغاز به طراحی موتور رپتور کرد و از این طرح در آن بهره برد.

اگر بخواهیم خیلی ساده این طرح را توضیح دهیم، باید بگوییم که پیشرانه های دیگر در محفظه احتراق و قسمت نازل دما بسیار افزایش پیدا می کند.

برای اینکه آسیبی به این قسمت ها وارد نگردد، سوخت بیشتری به محفظه احتراق تزریق می گردد تا دما کاهش پیدا کند و این باعث افزایش مصرف سوخت و وزن فضاپیما می گردد.

اما در رپتور، سوخت در اطراف نازل موشک می چرخد تا دمای نازل کاهش یابد و دمای سوخت برای پیش سوزی آماده گردد.

درباره این موتور و ساختار آن بحث های بسیار پیچیده تری وجود دارد که در این مقاله نمی گنجد.

رپتور اولین موتور فضاپیما متالوکسی دنیا است

این موتور از سوخت متان مایع و از اکسیدکننده اکسیژن مایع بهره می برد.

تا امروز هیچ موتوری با متان یا متالوکسی به مدار زمین نرفته است و این اولین بار است که موتوری با این سوخت به مدار زمین و خارج از آن فرستاده می گردد.

اغلب پیشرانه هایی که تا امروز استفاده شده اند از سوخت RP-1 استفاده می کردند.

این سوخت نوع مخصوص و کاملا تصفیه شده ای از نفت سفید است که به سوخت موشک مشهور است.

اما چرا اسپیس ایکس با وجود سوخت RP-1 و هیدروژن می خواهد یک موتور با سوخت متان را توسعه دهد؟

ابتدا یک نگاهی به خصوصیات متان می اندازیم:

شاید بزرگترین عامل استفاده از متان به عنوان سوخت، چگالی آن است، داشتن سوخت متراکم تر به معنای مخازن کوچکتر و سبک تر برای حجم معینی از سوخت است.

پس؛ مخزن کوچکتر = موشک سبک تر.

بیایید کمی این قضیه را بررسی کنیم تا هضم آن راحت تر گردد.

چگالی اکسیژن مایع 1141 گرم در لیتر و کمی متراکم تر از RP-1 است.

برای سوزاندن LOX و RP-1 با نسبت 2.7 به 1، برای هر لیتر LOX به کمی بیش از نیم لیتر RP-1 احتیاج دارید.

اکنون با توجه به اینکه هیدروژن 11 برابر کمتر از RP-1 متراکم تر است و برای سوختن LOX و هیدروژن با نسبت 6 به 1 به این معنی است که برای هر لیتر LOX ، به 2.7 لیتر هیدروژن احتیاج دارید!

بنابراین در صورت استفاده از هیدروژن، مخزن سوخت شما باید تقریباً 5 برابر بزرگتر از RP-1 باشد.

استخراج سوخت متان برای استارشیپ از جو مریخ

متان از نظر وزن و اندازه مخازن سوخت بسیار بهتر است.

اما یک دلیل مهم دیگر برای استفاده از این سوخت، جو موجود در مریخ است.

هدف نهایی اسپیس ایکس ایجاد کلونی و سکونت انسان در مریخ است.

جو مریخ غنی از CO2 است، ترکیب آن با آب استخراج شده از سطح زمین و آب های زیرسطحی موجود در مریخ از طریق الکترولیز و فرایند سابتییر، می تواند جو مریخ را به سوخت متان تبدیل کند!

بنابراین لازم نیست از کره زمین سوخت متان مورد احتیاج برای برگشت فضاپیما را با خود برد.

و می توان با استفاده از منابع مریخ در آنجا متان درست کرد.

در ادامه موتور رپتور را با برخی از بهترین مورتورهای فضاپیما که تا به حال استفاده شده اند مقایسه می کنیم.

همان طور که در تصاویر مشاهده می کنید موتور رپتور بیشترین فشار محفظه احتراق را در بین تمامی موتورها دارد.

که به لطف طراحی خاص آن می تواند نسبت تراست به وزن بالایی را ایجاد کند.

همچنین این موتور قیمت بسیار پایینی دارد.

هزینه استفاده از رپتور نیز پایین و برای ایجاد هر هزار نیوتن نیرو فقط 20 دلار است.

این مبلغ شگفت انگیز است که باعث می گردد هزینه سفرهای فضایی بسیار کاهش پیدا کند.

سپر حرارتی

هنگامی که یک فضاپیما از زمین خارج می گردد، مجبور است با فشار شدید هوا مقابله کند، زیرا لایه ای به نام اتمسفر ما را احاطه کرده است.

با این حال، وقتی یک فضاپیما از فضا برمی گردد، باید با یک نیروی طبیعی شدیدتر مقابله کند؛ اصطکاک.

زمانی که فضاپیما با سرعت بسیار بالا می خواهد از خلا وارد جو یک سیاره گردد، یا به سمت زمین برگردد، با اصطکاک شدید روبرو می گردد.

یعنی مولکول های هوا با سرعت بسیار زیاد مدام به فضاپیما برخورد می کنند.

این اصطکاک گرمای بسیار زیادی ایجاد می کند و اگر یک فضاپیما مجهز به سپر حرارتی نباشد، ذوب می گردد و از بین می رود.

فضاپیمای استارشیپ نیز از این قائده مستثنی نیست و بخاطر طراحی برای سفر به ماه یا مریخ، باید دارای سپر حرارتی باشد.

استارشیپ برای رفتن به مریخ و بازگشت به زمین طراحی شده است.

پس احتیاج است بتواند یکبار وارد جو مریخ و یکبار دیگر در برگشت وارد جو زمین گردد، بدون آن که آسیبی ببیند.

جو سیاره مریخ نسبت به سیاره زمین رقیق تر است و این فضاپیما باید بتواند وارد هر دو جو گردد.

یکی دیگر از تفاوت های استارشیپ با فضاپیماهای قبلی، اندازه و وزن زیاد آن است که شرایط را برای ورود به یک جو بسیار سخت می کند.

علیرغم اینکه قرار است در آینده تعداد زیادی انسان و بار را حمل کند، باید بتواند به سلامت فرود بیاید و آسیبی به سرنشینان آن وارد نگردد.

این فضاپیما به شیوه ای طراحی شده است که بدون تعمیرات و یا با حداقل تعمیرات دوباره قابل استفاده باشد.

تغییر سپر حرارتی استارشیپ از روش تعرق به کاشی های سرامیکی

خصوصیاتی که در بالا گفته شد، باعث می گردد که استارشیب احتیاج به یک سپر حرارتی خاص داشته باشد.

طبق شبیه سازی های اجرا شده در زمان ورود به جو با سرعت 30 هزار و 400 کیلومتر برساعت دمای برخی قسمت های استارشیپ به حدود 1500 درجه سانتی گراد برسد.

در این سال ها روش های بسکمک برای دفع حرارت در زمان ورود به جو بررسی و ایجاد شده است.

اما یکی از مرسوم ترین ها که ناسا و روس ها از آن استفاده کرده اند، نصب کاشی های سرامیکی روی بدنه فضاپیما است.

یکی دیگر از روش ها که استارشیب نیز با این روش قرار بود محافظت گردد سیستم تعرق است.

این سیستم دقیقا همانند بدن انسان عمل می کند.

زمانی که دمای بدن از مقدار مشخصی بیشتر می گردد، برای خنک نگه داشتن خود آغاز به عرق کردن می کند.

در ادامه این مکانیسم، از روزنه های ریز سطح بدن مقداری آب به سطح بدن می آید تا با تبخیر شدن دمای بدن را کاهش دهد.

ایلان ماسک رئیس شرکت اسپیس ایکس درباره این سیستم می گویید:

این سیستم شامل پوستی از جنس فولاد ضد زنگ بود که روی یک پوسته دیگر قرار می گیرد.

تعرق، روشی بسیار سنگین و پیچیده برای دفع حرارت

مایع خنک کننده در بین دو لایه است و در سطح فضاپیما مناطقی وجود دارد که تعداد زیادی روزنه میکرومتری در آن درنظر گرفته شده است و امکان تعرق و خنک کردن را فراهم می کند.

با استفاده از این سیستم دیگر احتیاجی به بازسازی در بین پرتاب ها نیست.

به این معنی که سپر حرارتی با تحمل فشارهای متعدد، بدون هیچگونه خرابی می تواند پروازهای متعددی را انجام دهد.

نوع مایع خنک کننده ابتدا آب و سپس متان پیشنهاد شد، اما هر دو مسائلی داشتند.

این طرح با توجه به تمام مزایایی که دارد، بسیار پیچیده، سنگین و دارای معایبی است.

با توجه به محاسبات اجرا شده در هرثانیه حدود 50 کیلوگرم مایع خنک کننده احتیاج بود تا بتواند دمای سطح را کاهش دهد.

و این مقدار باید برای مدت حدود 600 ثانیه تامین گردد (300 ثانیه برای ورود به مریخ و 300 ثانیه برای ورود به زمین) که وزن مایع خنک کننده مورد احتیاج در حدود 30 تن می گردد.

این وزن برای فضاپیمایی که باید با وزنی بیش از صد تن فرود آید بسیار زیاد است.

این سنگینی موجب می گردد که استارشیپ توانایی حمل بار کمتری داشته باشد.

علاوه بر وزن، امکان مسدود شدن روزنه های روی سطح بسیار زیاد است.

در صورت مسدود شدن هر قسمت، آن ناحیه ذوب می گردد.

با وجود مسائل و اینکه هنوز طرح به بلوغ نرسیده است، در نهایت اسپیس ایکس تصمیم به تغییر این طرح گرفت.

در نتیجه از همان طرح کاشی های سرامیکی استفاده می گردد.

ترکیب روش کاشی های سرامیکی با روش تعرق در آینده

مسئولان پروژه اسپیس ایکس گفته اند که کاشی های قابل استفاده مجدد با هزینه پایین ساخته ایم که بسیار سبک تر از خنک کننده تعرقی است و کاملاً مستحکم هستند.

این سپر سرامیکی در دمای تا 1650 کلوین یا 1380 درجه سانتیگراد آزمایش شده است.

ایلان ماسک در مورد اینکه چرا قطعات این سپر حرارتی شش ضلعی هستند اینگونه می گوید:

در میان شکاف های این قطعات هیچ جهت مستقیمی برای شتاب دریافت گازهای داغ وجود ندارد.

هرچند او گفته است که اگر در هر قسمت از کاشی های سرامیکی شاهد فرسایش باشیم، در آن قسمت از طرح تعرق نیز استفاده می کنیم.

تمامی این سپرهای حرارتی روی فضاپیما استارشیپ نصب می شوند و قسمت پایینی یا همان بوستر Super Heavy احتیاج به سپر ندارد.

بوستر Super Heavy از جنس فولاد ضد زنگ است و از آنجا که سرعت آن فقط به حدود 8 یا 9 ماخ می رسد، علاوه بر این در ارتفاع زیاد، دیگر احتیاجی به سپر حرارتی، حتی رنگ آمیزی نیست.

موشک ماهواره بر ایران و ارزیابی های فنی