آيا هواپيماي فضايي چند بار مصرف دوباره رونق ميگيرد؟
رؤياي پرواز فضايي وقتي آغاز شد كه اولين هواگرد در سال ۱۹۰۳ در كيتي هاك كاروليناي شمالي به پرواز درآمد و پس از گذشت ۷۰ سال به چيزي مانند هواپيماهاي امروزي رسيديم. اما با وجود برنامهها، نمونهها و پروازهاي اوليهي بسيار از آن زمان، فقط دو هواپيماي فضايي تاكنون به بهرهبرداري رسيدهاند: شاتل فضايي و بوئينگ X-37B. از اين دو، تنها بوئينگ كوچك بدون سرنشين همچنان در حال فعاليت است.
رؤياي هواپيماي فضايي همچنان زنده است؛ حتي اگر جاهطلبي در مورد نقش واقعي آن كمرنگ شده باشد. به گزارش بيبيسي، ظاهرا در سپتامبر ۲۰۲۰، چين هواپيماي فضايي بوئينگمانند داراي قابليت استفاده مجدد را پرتاب كرد و ممكن است تا هفت پروژهي هواپيماي فضايي بدون خدمه و با خدمه در دست توسعه داشته باشد. آزمايشگاه خودگردان پروازگر اسپيس رايدر (Space Rider) آژانس فضايي اروپا نيز منتظر است كه در سال ۲۰۲۳ به فضا پرتاب شود و ميني هواپيماي فضايي هند اواخر اين دهه به بهرهبرداري خواهد رسيد.
اما هنوز براي فرستادن فضانوردان به فضا به راكتا متكي هستيم و آنها را در كپسولهاي معلق بهوسيلهي چتر نجات به زمين برميگردانيم؛ بنابراين، چرا هواپيماي فضايي (به جز شاتل فضايي بازنشسته ناسا) هنوز به پرواز درنيامده است؟
يك پاسخ به سؤال فوق را ميتوان در محل آزمايشها رياكشن انجينز (Reaction Engines) در ۲۹۰۰ كيلومتري كيتي هاك در دامنهي كوههاي راكي در كلرادو پيدا كرد. امكانات موجود در فرودگاه فرانت رينج كلرادو (فرودگاه هوا و فضاي كلرادو) براي آزمايش فناوري كه موتور راكت جديد انقلابي رياكشن انجينز به آن وابسته است، تنظيم شد. اين آزمايشها از حمايت دارپا (آژانس پروژههاي پژوهشي پيشرفتهي دفاعي آمريكا) برخوردار بود.
رياكشن انجينز شركت هوافضاي بريتانيايي است كه توسط مهندساني به نامهاي آلن باند، ريچارد وارويل و جان اسكات در سال ۱۹۸۹ پس از لغو پروژه هواپيماي فضايي بريتانيايي هوتول تأسيس شد. هدف اين شركت ايجاد جانشين هوتول و موتور آن بود. هواپيماي فضايي جديد اسكايلون نام دارد و طي يك مرحله در مدار قرار ميگيرد.
SABRE، موتور موشك هيدروژني است كه ميتواند هواپيماي فضايي مانند اسكايلون را با استفاده از اكسيژن اتمسفر زمين از سرعت صفر به سرعت مافوق صوت برساند و سپس هنگام حركت با سرعت كافي، وسيلهي نقليه را در فضا با استفاده از ذخيرهي اكسيژن دروني مانند يك راكت معمولي وارد مدار كند. آنها امروزه با نامهاي بزرگ صنعت از جمله بوئينگ، بريتيش ايروسپيس و رولز-رويس و نيز آژانسهاي فضايي بريتانيا و اروپا همراهي ميشوند.
آن سوي حصار امنيتي، از موتور اصلاحشدهي يك هواپيماي جنگنده دوران جنگ سرد براي بازسازي جريان هواي بسيار گرم حاصل از سرعت مافوق صوت استفاده ميشود. هواي بسيار گرم از دستگاه سبك و حلقهمانند تشكيلشده از هزاران لولهي داراي ديوارهي نازك كه حاوي سردكننده است، عبور ميكند. هدف از اين پيشخنككننده، حذف سريع گرما است. انتظار ميرود استفاده از اين سيستم در موتور SABRE از ذوب شدن اجزاي داخلي در دماي بالا ممانعت و عملكرد كارآمد موتور را تضمين كند.
در اوايل سال ۲۰۱۹، اين پيش خنككننده در دماي ۴۲۰ درجه سانتيگراد در شرايطي كار كرد كه سرعت پرواز ۳٫۳ ماخ (بيش از سه برابر سرعت صوت) را شبيهسازي ميكرد. اما مهندسان ميخواستند به عدد جادويي ۵ ماخ برسند كه بيش از ۶۲۰۰ كيلومتر بر ساعت است. اين سرعت بيش از دو برابر سريعتر از سرعت پيمايش كنكورد و بيش از ۵۰ درصد سريعتر از اسآر-۷۱ بلكبرد يعني سريعترين هواپيماي مجهز به موتور جت در جهان است. اتفاقا ۵ ماخ محدودهي قابل تحمل موادي است كه امروزه در ساخت وسايل نقليه هوايي استفاده ميشود.
مكان آزمايشهاي شركت رياكشن انجينز در كلرادو؛ موتور يك هواپيماي جنگنده به اجراي آزمايشها كمك ميكند
در سرعت ۵ ماخ و ارتفاع ۲۰ كيلومتر، SABRE ديگر تنفس نميكند؛ دريچههاي خود را ميبندد و شروع به سوزاندن اكسيژن مايع مخلوط با سوخت هيدروژن ميكند تا به سرعت ۲۵ ماخ برسد كه به آن اجازه ميدهد در مدار زمين قرار بگيرد. در اكتبر سال ۲۰۱۹، ركورد شكسته شد و سرعت ۵ ماخ به دست آمد. پيشخنككننده در كمتر از يكبيستم ثانيه، جريان هوا با دماي بيش از هزار درجه سانتيگراد در دستگاه را با موفقيت سرد كرد. موفقيت در اين آزمون موجب شد گروه پژوهشي جوايز متعددي دريافت كنند. هلن وبر، سرپرست گروه ميگويد: «ما به چيزي دست پيدا كرديم كه قبلا هرگز انجام نشده بود. اين لحظهي مهمي در پيشرفت يك فناوري مهم هوافضا بود. اين دستاورد ما را قدمي به تحقق SABRE نزديكتر ميكند و راه را براي پرواز مافوق صوت هموار ميسازد.»
اكنون وبر روي هستهي موتور SABRE كار ميكند. ممكن است مجبور باشيم ۱۰ سال منتظر بمانيم تا آزمايشهاي پرواز موتور آغاز شود اما فناوري نوآورانه مديريت گرماي آنها در حوزههاي ديگر به كار خواهد رفت. براي مثال، در خودروهاي برقي، مبدلهاي حرارتي كم وزن و كارآمد جديد موجب ميشود باتريهاي ليتيومي سريعتر شارژ شده و دوام بيشتري داشته باشند. كريستوفر كومبس از دانشگاه تگزاس ميگويد:
رياكشن انجينز كار خوبي ميكند كه ميگويد ما اول اين فناوري را توسعه ميدهيم و سپس سراغ ديگري ميرويم. آسانتر است كه مبدلهاي حرارتي را براي سرمايهگذاران تبليغ كنيم كه بتواند طي پنج سال آينده در هواپيماهاي جنگنده استفاده شود تا اينكه اسكايلون را تبليغ كنيم و بگوييم كه ساخت آن ۳۰ سال طول ميكشد.
اسكايلون مفهوم اواسط دههي ۹۰ از يك هواپيماي فضايي چند ماخ بود
شايد عجيب باشد كه يافتن نامي از اسكايلون در وبسايت رياكشن انجينز دشوار است. اليور نيلارد، مدير توسعه كسبوكار اين شركت، ميگويد:
اسكايلون وسيلهي نقليهي مفهومي براي نشان دادن نحوهي استفاده از موتور SABRE بود. ما درحال ساخت وسيلهي نقليه نيستيم. در كوتاهمدت ما روي موتور متمركز هستيم؛ اما در همين زمان، بايد اطمينان حاصل كنيم كه فناوريهاي وسيلهي نقليه فضايي در كنار آن توسعه مييابد.
در راستاي اين هدف، رياكشن انجينز با شركاي علاقهمند متفاوتي كه ممكن است هواپيماي فضايي بسازند، همكاري ميكند. در سال ۲۰۲۰، شركت با ESA (آژانس فضايي اروپا) روي ايدهي محافظهكارانهتر وسيلهي نقليهي دو مرحلهاي كار كرد كه قرار است در دههي آينده از گويان فرانسه به فضا پرتاب شود.
مفهوم هواپيماي فضايي ساده است؛ اما شامل مجموعهي گيجكنندهاي از وسايل نقليه ميشود. يك تعريف بسيار غير دقيق ميتواند به اين معنا باشد كه بوئينگ 747 كه لانچر وان ويرجين اوربيت را به فضا پرتاب كرد، بهعنوان هواپيماي فضايي طبقهبندي ميشود؛ زيرا معادل مرحلهي اول يك فضاپيما است. ژان دويل، نويسندهي The China Aerospace Blog، ميگويد:
دو نوع هواپيماي فضايي واقعي وجود دارد. سادهترين نسخه زماني است كه هواپيماي فضايي پشت راكت معمولي و به روش بلند شدن عمودي مانند شاتل فضايي به فضا پرتاب ميشود. دشوارترين نسخه زماني است كه وسيلهي نقليه بهطور افقي از زمين بلند ميشود و طي مسير تدريجي به فضا ميرسد يا وقتي هر دو مرحله هواپيماي فضايي هستند مانند مفهوم Tengyun چين.
ذكر مزيتهاي هواپيماهاي فضايي آسان است. اين، ايده جذاب پرواز كردن به ايستگاه فضايي و برگشت از آن است؛ درست مانند اينكه با هواپيما از نيويورك به سانفرانسيسكو سفر كنيم.
هواپيماي فضايي اين توانايي را دارد كه به جاي سكوي پرتاب گرانارزش از باند فرودگاه استفاده كند كه همچنين به اين معنا است كه ميتوان آن را به دفعات بيشتر پرتاب كرد و فرود آورد. اگر بخواهيد ماهوارهاي را به زمين بازگردانيد، تنها راه حل هواپيماي فضايي است. از هواپيماهاي فضايي ميتوان براي آزمايش تجهيزات نظامي و حتي رهگيري ماهوارههاي دشمن استفاده كرد.
فناوري هواپيماي فضايي با فناوري سلاحها و هواپيماهاي مافوق صوت همپوشاني دارد. به همين دليل است كه رياكشن انجينز عضوي از برنامهي پژوهشي است كه وزارت دفاع بريتانيا براي توسعهي سيستمهاي پيشرانش مافوق صوت براي هواگردها از آن حمايت ميكند.
بوران شوروي يكي ديگر از طرحهاي اميدواركننده هواپيماي فضايي بود؛ اما هرگز قبل از سقوط شوروي مأموريت سرنشيندار انجام نداد
برخي از تحليلگران معتقدند كه در حال حاضر تقاضاي كمي براي بازگردان ماهواره به زمين وجود دارد؛ زيرا ساخت آنها ارزانتر شده است و دوام بيشتري پيدا كردهاند. منظومهي ماهوارهاي اِستارلينك اسپيس ايكس، از هزاران ماهوارهي كوچك تشكيل شده است و براي گسترش دسترسي به اينترنت استفاده ميشود.
علاوهبراين، هواپيماهاي فضايي با چالشهاي متخصص گراني روبهرو هستند. لازم است كه مواد به اندازهي كافي سخت و سبك باشد تا بتواند سفرهاي مكرر به فضا را تحمل كند و اشكال ادغام دو يا سه نوع متفاوت از سيستمهاي پيشرانش كه براي مراحل مختلف پرواز نياز است، وجود دارد. دويل ميگويد:
بهعقيدهي من، اين يكي از اشكالات اصلي است. د رنهايت، مانع اصلي پروژههاي هواپيماي فضايي آن است كه به سرمايهگذاري بسيار زيادي نياز دارد. به همين علت است كه اروپا، شوروي و روسيه از اين مفهوم فاصله گرفتند.
مسئلهي ديگر، رقابت است. كومبس ميگويد: «اسپيس ايكس از انديشه متخصصين نوآوري شهرت زيادي دارد؛ اما هواپيماي فضايي را نابود ميكند. آنها دارند دسترسي به فضا را ارزانتر ميكنند و انگيزهي سرمايهگذاري روي پژوهشهاي پرهزينه هواپيماي فضايي را از بين ميبرند.» ممكن است فقط يك ميلياردر بتواند هزينه شكست همراهبا ساخت هواپيماي فضايي را تحمل كند.
فردريش زاندر، پيشگام پرواز فضايي شوروي و روسيه، در سال ۱۹۱۱ هواپيماي فضايي بينسيارهاي را طراحي كرد با بالهايي كه حين صعود ميسوختند و از آن جدا مي شدند. در دههي ۱۹۳۰، مهندسي اتريشي به نام يوگن سنگر ايدهي بمبافكن مجهز به موتور موشك با پرواز زير مداري را براي بمباران نيويورك مطرح كرد كه خوشبختانه نازيها هرگز آن را نساختند. در دههي ۱۹۵۰، ورنر فون براون، طراح موشك، ايدهي موشك داراي بال را در مجلهي كوليرز مطرح كرد. نيروي هوايي آمريكا ايدهي سنگر را دنبال كرد؛ اما برنامهي ساخت بوئينگ X-20 Dyna-Soar به نفع برنامهي جميني لغو شد. قرار بود فضاپيماي اصلي جميني روي راكت به فضا برود و مانند پاراگلايدر در باند فرودگاه فرود آيد تا اينكه اين برنامه لغو شد. پروژههاي شوروي نيز با شكست روبهرو شد. براي مثال، MiG-105 وسيلهي نقليه خدمهدار آزمايشي شوروي براي ساخت هواپيماي فضايي بود. اين هواپيما اولين بار در سال ۱۹۷۶ پرواز كرد؛ اما اين پروژه كه EPOS نام داشت، دو سال بعد لغو شد.
دوران هواپيماهاي فضايي ناسا فعلا با بازنشستگي ناوگان شاتل فضايي در سال ۲۰۱۱ پايان يافته است
سپس هر كشوري هواپيماي فضايي خود را ميخواست. بوران شوروي با الهام از شاتل فضايي ناسا در سال ۱۹۸۸ قبل از لغو برنامه، يك پرواز فضايي بدون سرنشين انجام داد. برنامههاي هواپيماهاي فضايي اروپا و ژاپن نيز تا همين حد بود. قصد چين براي ساخت هواپيماي فضايي به آينده موكول شد؛ زيرا موشكها راه سريعتري براي رقابت فضايي بودند. دويل ميگويد: «پيشبيني ميشد كه چين اولين فضانوردان خود را در سال ۲۰۲۰ به فضا بفرستد؛ اما اين اتفاق در سال ۲۰۰۳ افتاد.»
با وجود عملكرد ضعيف شاتل، آمريكا آرزوي هواپيماي فضايي چند بار مصرف را كنار نگذاشت. پروژهي ساخت لاكهيد مارتين ايكس-۳ يا استار ونچر، در مراحل پيشرفته به دليل اشكالات متخصص لغو شد. شايعهي وجود برنامههاي فوق سري ديگري نيز وجود داشت. از ميان اين پروژهها، بوئينگ X37-B بدون سرنشين متولد شد. پيشنهاد بوئينگ براي نسخهي بزرگتر داراي سرنشين پذيرفته نشد.
اما رقابت براي ساخت هواگردها و سلاحهاي مافوق صوت ممكن است به حل اشكالات تكنولوژيكي پروژههاي هواپيماي فضايي كمك كند. موضوع مشخص آن است كه آيندهي هواپيماي فضايي هرچه باشد، چين در آن نقش خواهد داشت. دويل ميگويد: «ما در مورد پرتاب هواپيماي فضايي آزمايشي چين اطلاعات بسيار كمي داريم؛ اما اين نشان ميدهد كه چين در توسعهي مفاهيم هواپيماي فضايي جدي است.»
هم انديشي ها