قلب تپنده‌ی راکت SLS؛ با موتورهای جدید ناسا برای تسخیر فضا آشنا شوید

پراید و BMW هر قدر هم با هم متفاوت باشند در یک جنبه مشابه‌اند؛ تولید نیروی محرکه از طریق تبدیل سوخت به انرژی. این موضوع محدود به ماشین‌ها نیست و درباره‌ی نصف بیشتر موتورهای دنیا صدق می‌کند. حتی موشک SLS ناسا هم به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین پروژه‌های فضایی از همین مفهوم پیروی می‌کند.

سامانه‌ی پرتاب فضایی یا SLS مهم‌ترین راکت‌ در دست توسعه ناسا است که در کنار فضاپیمای اوریون به مدرن‌ترین موتورها مجهز شده‌اند. این موشک و فضاپیما در قالب پروژه آرتمیس ناسا ابتدا فضانوردان را به کره ماه خواهد برند و پس از آن تسخیر مریخ و کاوش در اعماق فضا را ممکن خواهند کرد.

در نخستین مأموریت آرتمیس راکت SLS و فضاپیمای اوریون در مجموع از ۵۵ موتور و انجین برای پرتاب به سوی ماه، گردش در مدار آن و بازگشت به زمین بهره خواهند برد. اجازه دهید همین اول روی دو مفهوم به تفاهم برسیم. اینجا منظور از موتور یک سامانه مولد حرکت و منظور از انجین نوع خاصی از موتور است که بر قطعات متحرک مثل پمپ و سوپاپ متکی است.

این واژه‌ها در علم راکت برای ایجاد تمایز بین ۲ دسته از موتورها به کار می‌روند؛ دسته‌ی اول موتورهای با سوخت جامد بی‌نیاز از قطعات متحرک و دسته دوم انجین‌های با سوخت مایع مبتنی بر قطعات متحرک. البته حتی موشک‌های با سوخت جامد هم ممکن است برای هدایت نیروی رانش به برخی قطعات متحرک نیاز داشته باشند.

نسخه‌ی اولیه‌ی راکت SLS که بلوک ۱ نام دارد، در ۳ مأموریت اول آرتمیس شرکت خواهد داشت. این راکت ۹۸ متری ۲ هزار تن وزن دارد و در لحظه پرتاب با کمک ۴ انجین RS-25 و دو موتور سوخت جامد نیروی سرسام‌آور ۸٫۸ میلیون پوندی تولید می‌کند. برای مقایسه ۸ موتور ماهواره‌بر سیمرغ ایران (۴ موتور تیپ سفیر و ۴ موتور ورنیه‌ای با توربوپمپ مشترک) در لحظه پرتاب روی هم ۳۶۰ هزار پوند نیرو تولید می‌کنند که تقریبا معادل ۴ درصد نیروی SLS است.

نسخه‌های مختلف راکت SLS

حدود ۲ دقیقه پس از پرتاب، بوسترهای مرحله‌ی اول از راکت‌ها جدا شده و انجین‌های RS-25 در مرحله‌ی اصلی هدایت اوریون به سمت مدار را ادامه خواهند داد. در ادامه دماغه‌ی مخروطی رها شده و موتور پرتابی برای جداسازی سامانه لغو پرواز (LAS) روشن می‌شود.

سیستم لغو پرتاب از راهکارهای رایج برای فرود ایمن فضاپیمای سرنشین‌دار در مواقع بحرانی است. این سیستم در صورت لزوم کپسول فضانوردان را از راکت جدا کرده و به سوی زمین برمی‌گرداند. پس از حرکت اوریون به سمت مدار دیگر نیازی به این سیستم نیست و فضاپیمای اوریون می‌تواند با استفاده از انجین‌های نصب شده در ماژول سرویس که توسط آژانس فضایی اروپا توسعه یافته، این سامانه را جدا کند.

حدود ۸ دقیقه پس از پرتاب انجین‌های RS-25 خاموش شده و مرحله‌ی کانونی راکت SLS از فضاپیمای اوریون و بخش پیشران برودتی (ICPS) جدا می‌شود. هدایت ICPS بر عهده نمونه‌ی کوچک‌تری از انجین  RS-25 به نام RL10 قرار دارد. این انجین کمتر از یک دقیقه فعال است و اوریون را با جدا کردن از گرانش زمین، در مسیر حرکت به سوی ماه قرار می‌دهد.

در ادامه سفر بخش ICPS هم از اوریون جدا شده و ماژول سرویس برای هدایت فضاپیما در اطراف ماه و تا زمان بازگشت دوباره به جو زمین از ۳۳ انجین استفاده خواهد کرد. سیستم پیشران راکت به گونه‌ای طراحی شده که برای مانورهای خاص می‌تواند برای کمتر از یک ثانیه روشن شود و در شرایط بحرانی یا موقعیت‌های خاص هم می‌توان تا ۱۰ دقیقه آنرا فعال کرد.

ماژول سرویس در لحظه ورود به جو زمین از اوریون جدا خواهد شد. در این مرحله موقعیت یابی دقیق ماژول خدمه به شکلی که در مسیر صحیح فرود قرار گیرد و سپر حرارتی آن به سوی زمین باشد، اهمیت بسیاری دارد. ناسا بدین منظور از ۱۲ انجین به‌عنوان سیستم کنترل استفاده می‌کند که فرود پایدار و دقیق ماژول خدمه را تضمین می‌کنند.

آشنایی با موتورهای فضاپیما و راکت SLS

در ادامه اطلاعاتی درباره‌ی موتورها و انجین‌هایی که در مأموریت آرتمس نقش دارند ارائه کرده‌ایم اما پیش از آن باید اطلاعاتی را درباره‌ی نحوه‌ی تولید نیروی پیشران بدانیم.

تصور اکثر ما از احتراق در خودروها محدود به بنزین یا گاز است اما این سوخت‌ها تنها بخشی از معادله‌ی احتراق را شکل می‌دهند. احتراق زمانی رخ می‌دهد که سوخت با اکسیژن ترکیب شده و انرژی لازم برای حرکت را تولید می‌کند.

در خودروها از اکسیژن موجود در هوا بدین منظور استفاده می‌شود اما در راکت‌ها پیشرانه شامل سوخت و اکسید کننده شیمیایی است که اکسیژن را آزاد می‌کند. زمانی که سوخت و اکسیدکننده ترکیب می‌شوند، طی یک واکنش شیمیایی مشتعل شده و گازهای داغی که به‌سرعت منبسط می‌شوند، به دنبال راهی برای خروج هستند. در نتیجه‌ی خروج این گازها نیروی پیشران راکت به سمت مخالف تولید می‌شود.

موشک SLS – از پرتاب تا گردش به دور ماه

۲ بوستر سوخت جامد، تولید توسط نورثروپ گرومن (NOC)

مکان؛ در دو طرف مرحله‌ی کانونی راکت SLS

نوع سوخت؛ سوخت جامد اکریلونیتریل پلی بوتادین (PBAN)، عامل اکسید کننده آمونیوم پرکلرات

مدت احتراق؛ حدود ۲ دقیقه

کارکرد؛ این ۲ بوستر بیش ۷۵ درصد از کل نیروی رانش لازم برای پرتاب اولیه را فراهم می‌کنند. هر بوستر تا پیش از جدا شدن از مرحله‌ی کانونی موشک، در هر ثانیه حدود ۶ تن سوخت را می‌سوزاند تا ۳٫۶ میلیون پوند نیرو تولید کند.

اطلاعات جانبی؛ هر کدام از بوسترها حدود ۵۰ متر ارتفاع و ۷۲۵ تن وزن دارند. قوام سوخت جامد استفاده شده در ۵ بخش این بوسترها در حد پاک کن معمولی است.

۲ موتور احتراق بوستر، تولید توسط نورثروپ گرومن (NOC)

مکان؛ روی ۵ بخش‌ پیشران در بوسترها

نوع سوخت؛ سوخت جامد اکریلونیتریل پلی بوتادین (PBAN)، عامل اکسید کننده آمونیوم پرکلرات

مدت احتراق؛ کمتر از یک ثانیه

کارکرد؛ این موتورها حین پرتاب سوخت جامد را در بوسترها مشتعل می‌کنند.

۴ انجین RS-25 – تولید توسط اروجت راکت‌داین (Aerojet Rocketdyne)

انجین RS-25

مکان؛ زیر مرحله‌ی کانونی راکت SLS

نوع سوخت؛ هیدروژن مایع، عامل اکسید کننده اکسیژن مایع

مدت احتراق؛ حدود ۸ دقیقه

کارکرد؛ هر ۴ انجین روی هم رفته ۲ میلیون پوند نیروی پیشران برای غلبه بر گرانش تولید می‌کنند. انجین‌ها تا قبل از جداسازی مرحله‌ی کانونی از ICPS و اوریون در هر دقیقه بیش از ۹۰ هزار گالن هیدروژن و اکسیژن مایع می‌سوزانند.

اطلاعات جانبی؛ این ۴ انجین قبلا در پرتاب شاتل به کار رفته و ۲۱ پرواز موفق داشته‌اند. نسخه‌ی فعلی آن‌ها ارتقا پیدا کرده و قدرت بیشتری را برای SLS فراهم می‌کند.

یک انجین RL10 – تولید توسط اروجت راکت‌داین

مکان؛ زیر ICPS

نوع سوخت؛ هیدروژن مایع، عامل اکسید کننده اکسیژن مایع

مدت احتراق؛ بین ۱ تا ۲۰ دقیقه

کارکرد؛ انجین RL10 در مرحله‌ی پیشران برودتی یا همان ICPS دو بار روشن می‌شود. در احتراق اول فضاپیمای اوریون را بعد از جداسازی مرحله‌ی کانونی در مدار زمین قرار می‌دهد و در احتراق دوم برای خارج کردن فضاپیمای اوریون از مدار زمین و قرار دادن آن در مسیر کره ماه حدود ۲۵ هزار پوند نیرو تولید خواهد کرد.

اطلاعات جانبی؛ نسخه‌های بعدی SLS از ۴ انجین RL10 بهره خواهد برد تا امکان ارسال فضاپیمای اوریون، محموله‌ها، سخت‌افزارهای اضافی و تدارکات به فضا را فراهم کنند.

فضاپیمای اوریون؛ گردش در مدار ماه و بازگشت به خانه

موتور پرتابی سامانه لغو پرواز (LAS) – تولید توسط اروجت راکت‌داین

مکان؛ روی برجک سامانه LAS

نوع سوخت؛ سوخت جامد پلی بوتادین با گروه هیدروکسیل انتهایی (HTPB)، عامل اکسید کننده آمونیوم پرکلرات

مدت احتراق؛ حدود ۱٫۵ ثانیه

کارکرد؛ سامانه لغو پرواز برای زمانی طراحی شده که نیاز به لغو سفر و فرود ایمن فضانوردان با اوریون وجود دارد. پس از گذشت مدتی از پرتاب، نیازی به این سامانه نیست و باید آنرا جدا کرد. کارکرد موتور پرتابی هم این است که در شرایط بحرانی نیروی ۴۰ هزار پوندی را برای جداسازی LAS از ماژول خدمه فراهم ‌سازد.

اطلاعات جانبی؛ سامانه‌ی لغو پرواز موتور دارد اما تنها موتور پرتابی طی هر ماموریت روشن می‌شود. موتورهای لغو و کنترل این سامانه طی مأموریت آرتمیس ۱ روشن نخواهند شد.

انجین سامانه مانور مداری (OMS-E) – تولید توسط اروجت راکت‌داین

مکان؛ زیر ماژول سرویس

نوع سوخت؛ سوخت مایع مونومتیل هیدرازین (MMH)، عامل اکسید کننده اکسید نیتروژن (MON)

مدت احتراق؛ از کمتر از یک دقیقه تا بیش از ۱۶ دقیقه

کارکرد؛ OMS-E اصلی‌ترین موتور در ماژول سرویس اروپایی است که نیروی پیشران اولیه برای مانورهای فضایی اوریون در اطراف ماه را فراهم می‌کند. این موتور در کنار تولید نیروی ۵ هزار پوندی به تجهیزات لازم برای هدایت فضاپیما مجهز است و در شرایط بحرانی می‌توان برای بازگرداندن فضاپیما به زمین روی آن حساب کرد.

اطلاعات جانبی؛ انجین OMS-E نسخه‌ی باز طراحی شده از سیستم مانور مداری شاتل است که قبلا استفاده شده است. این انجین بین سال‌های ۱۹۸۸ (STS-41G) تا ۲۰۰۲ (STS-112) در ۱۹ پرتاب شاتل حضور داشته است.

۸ انجین کمکی R-4D-11 – تولید توسط اروجت راکت‌داین

مکان؛ زیر ماژول سرویس در ۴ مجموعه ۲ عددی

نوع سوخت؛ سوخت مایع مونومتیل هیدرازین (MMH)، عامل اکسید کننده اکسید نیتروژن (MON)

مدت احتراق؛ از کمتر از یک دقیقه تا ۴۵ دقیقه

کارکرد؛ این انجین‌ها برای فراهم کردن نیروی لازم جهت هدایت دقیق فضاپیما و همچنین به‌عنوان موتورهای پشتیبان، زیر ماژول سرویس فیکس شده‌اند. هر موتور ۱۰۰ پوند نیروی پیشران تولید می‌کند و با خاموش و روشن شدن به هدایت فضاپیما در جهت دلخواه کمک می‌کنند.

۲۴ انجین سیستم کنترل واکنش – تولید توسط آریان‌گروپ

مکان؛ اطراف ماژول سرویس در ۶ مجموعه ۴ عددی

نوع سوخت؛ سوخت مایع مونومتی ‌هیدرازین (MMH)، عامل اکسید کننده اکسید نیتروژن (MON)

مدت احتراق؛ از یک هزارم ثانیه تا یک ساعت

کارکرد؛ هر کدام از این انجین‌ها ۵۰ پوند نیرو تولید می‌کنند و برای هدایت فضاپیما در مسیری خاص یا چرخاندن آن در محور دلخواه می‌توان آن‌ها را به صورت جداگانه حتی برای یک هزار ثانیه فعال یا غیر فعال کرد.

۱۲ انجین سیستم کنترل واکنش MR-104G – تولید توسط اروجت راکت‌داین

مکان؛ پنل پشتی فضاپیمای اوریون در ۶ مجموعه ۲ عددی

نوع سوخت؛ سوخت مایع هیدرازین

مدت احتراق؛ بین یک تا ۵۰ ثانیه

کارکرد؛ این سیستم هدایت ماژول خدمه را پس از جدا شدن از ماژول سرویس، حین ورود به جو زمین و فرود در اقیانوس بر عهده دارد. هر کدام از انجین‌ها ۱۶۰ پوند نیرو تولید می‌کنند و با کمک آن‌ها می‌توان هنگام فرود سپر حرارتی را در جهت صحیح قرار داده و فرود ایمن را تضمین کرد.

اطلاعات جانبی؛ این انجین‌ها پیشرانه‌های تک پروانه‌ای هستند که بدون نیاز به اکسیدایزر و با عبور سوخت مایع هیدرازین از مواد کاتالیست آنرا منبسط کرده و گازهای داغ لازم برای تولید نیروی پیشران را خارج می‌کنند.

دیگر موتورهای فضاپیمای اوریون

همان‌طور که گفتیم سامانه لغو پرواز شامل ۲ موتور اضافی است که در اولین مأموریت بدون سرنشین SLS و اوریون فعال نمی‌شوند. در ادامه به توضیح مشخصات این موتور خواهیم پرداخت.

موتور لغو پرتاب سامانه LAS – تولید توسط نورثروپ گرومن

مکان؛ روی برجک سامانه لغو پرواز بین ماژول خدمه و موتور پرتابی

نوع سوخت؛ سوخت جامد پلی بوتادین با گروه هیدروکسیل انتهایی (HTPB)، عامل اکسید کننده آمونیوم پرکلرات

مدت احتراق؛ حدود ۳ ثانیه

کارکرد؛ در صورت وقوع شرایط اضطراری در سکوی پرتاب یا حین پرواز این موتور فعال شده و با تولید نیروی ۴۰۰ هزار پوندی کپسول خدمه را از راکت دور می‌کند.

موتور کنترل ارتفاع سامانه لغو پرتاب – تولید توسط نورثروپ گرومن

مکان؛ روی برجک سامانه لغو پرواز

نوع سوخت؛ سوخت جامد پلی بوتادین با گروه کربوکسیل انتهایی (HTPB)، عامل اکسید کننده آمونیوم پرکلرات

مدت احتراق؛ حدود ۳۰ ثانیه

کارکرد؛ هم‌زمان که موتور لغو در شرایط اضطراری فضاپیما را از راکت دور می‌کند، موتور کنترل ارتفاع روشن شده و اوریون را تا قبل از فعال شدن چتر نجات، در ارتفاع و جهت مناسب قرار می‌دهد. این موتور برای هدایت فضاپیما ۷ هزار پوند نیرو تولید می‌کند.

اطلاعات جانبی: این موتور شامل ۸ ژنراتور گازی سوخت جامد است و در اطراف دهانه یک متری آن ۸ سوپاپ با فاصله‌های یکسان نصب شده‌اند.

موتورهای دیگر

علاوه بر نمونه‌هایی که تاکنون گفته شد موتورهای دیگری هم در مأموریت آرتمیس نقش دارند. هرچند این موتورها، رانشگرها و اتصالات جزء پیشرانه اصلی فضاپیمای SLS محسوب نمی‌شوند اما در فازهای متفاوت پروژه آرتمیس در جداسازی سخت‌افزارهایی مثل مرحله‌ی کانونی، بوسترها، دماغه، ماژول سرویس و پوشش چتر نجات نقش دارند. تمام این عناصر طی یک زمانبندی دقیق و حساب شده که گاهی به هزارم ثانیه می‌رسد، وارد عمل شده و پس از ایفای نقش کنار می روند تا در نهایت پروژه آرتمیس عملی شود.

ناسا در این پروژه نخستین زن و نخستین فضانورد رنگین پوست را روانه کره ماه خواهد کرد. هدف این آژانس فضایی از تحقیقات بلند مدت روی کره ماه پژوهش گسترده درباره‌ی قمر زمین و آماده‌سازی مقدمات سفر به مریخ است. فضاپیمای اوریون و راکت SLS در کنار سیستم فرود فضانوردان و سامانه موسوم به دروازه کره ماه، اساس کاوش در اعماق فضا خواهند بود.