هفت ماه تا مريخ: نگاهي دقيق به فرايند سفر كاوشگر HX-1 به سياره سرخ
تا به‌حال ناسا تنها سازمان فضايي بوده است كه توانسته سطح‌نشين‌ها و مريخ‌نوردهاي خود را به سياره‌ي سرخ رسانده و آن‌ها را مورد استفاده قرار دهد. در سال ۱۹۷۶، اين سازمان موفق شد دو سطح‌نشين وايكينگ ۱ و ۲ را با موفقيت روي سطح سياره‌ي سرخ فرود آورد. رقيب اصلي ايالات متحده در رقابت فضايي، اتحاد شوروي، صرفا توانست كاوشگر Mars 3 را به سطح مريخ برساند؛ اما اين كاوشگر تنها ۲۰ ثانيه پس از فرود از كار باز ايستاد.
اكنون سازمان فضايي چين در حال آماده شدن براي ارسال اولين كاوشگر خود به مريخ است. كاوشگري كه از مدارگرد، سطح‌نشين و مريخ‌نورد تشكيل شده است. هرچند چيني‌ها طبق معمول از بيان جزئيات خودداري مي‌كنند؛ اما براساس مصاحبه‌ها و سخنراني‌هاي مربوط به اين مأموريت كه اخيرا منتشر شده‌اند، مي‌توان به جمع‌بندي‌هايي راجع به چگونگي سفر و مكان فرود كاوشگر جديد دست پيدا كرد. در ادامه نگاهي داريم به فرايندهاي پرتاب و فرود و محل انتخابي براي فرود كاوشگر.
فرايند پرتاب
سفر XH-1 تا مريخ هفت ماه به‌طول مي‌انجامد
براساس اصول مكانيك سماوي، بهترين زمان براي ارسال مأموريت‌هاي مريخ، اواخر ماه ژوئيه سال جاري ميلادي است. اين محدوديت، به دليل نياز به استفاده از دوره‌ي زماني (پنجره‌ي پرتاب) انتقالي هوهمان است كه براساس آن، هر ۲۶ ماه يكبار مريخ و زمين در موقعيتي نسبت به يكديگر قرار مي‌گيرند كه مي‌توان با كمترين ميزان سوخت سفر به مريخ را به انجام رساند. به همين دليل، در كنار سازمان فضايي چين، كاوشگر Perseverance ناسا و مدارگرد امارات متحده‌ي عربي موسوم به «اميد» هم در همين بازه‌ي زماني راهي سياره‌ي سرخ خواهند شد.
سازمان فضايي چين، كاوشگر Houxing-1 (يا به اختصار HX-1) را به‌وسيله‌ي راكت لانگمارچ ۵ راهي سفري خواهد كرد كه حدودا هفت ماه به طول مي‌انجامد. پس از هفت ماه، در فوريه‌ي سال ۲۰۲۱ ميلادي، HX-1 با فعال كردن رانشگرهاي خود وارد مدار مريخ خواهد شد.
كاوشگر ۵ تني چيني‌ها از مدارگرد، سطح‌نشين و مريخ‌نورد تشكيل شده است. همان‌طور كه در تصاوير زير ديده مي‌شود، مريخ‌نورد در قلب سطح‌نشين يا همان ماژول فرود جاي دارد و اين دو درون كپسولي مخروطي شكل قرار مي‌گيرند. اين كپسول نيز به مدارگرد متصل است. پس از رسيدن به مدار مريخ، انتظار مي‌رود كه سطح‌نشين و مريخ‌نورد تا ماه آوريل به مدارگرد متصل بمانند. قبل از فرود مريخ‌نورد ۲۴۰ كيلوگرمي روي سطح سياره‌ي سرخ، دو دوربين نصب‌شده روي مدارگرد تصويربرداري از منطقه‌ي از پيش تعيين‌شده‌ي فرود را شروع خواهند كرد.
اجزاي تشكيل‌دهنده‌ي HX-1
فرايند فرود
فرود روي مريخ عملياتي چالش‌برانگيز است. اتمسفر رقيق مريخ هرچند كمك چنداني به كاهش سرعت فرود سطح‌نشين نمي‌كند؛ اما موجب افزايش شديد دما مي‌گردد. نبايد فراموش كرد كه ميدان گرانشي مريخ نيز متفاوت از زمين است و همين مسئله كار را سخت مي‌كند. با اين حال، برخي از تجربيات پيشين دانشمندان چيني، دراين‌زمينه به ياري آن‌ها مي‌آيد.
زماني‌كه مدارگرد به مريخ مي‌رسد، زمين و مريخ در فاصله‌ي ۱۵۰ ميليون كيلومتري قرار دارند، پس ارسال هر سيگنال از سياره‌ي آبي به سرخ ۸ دقيقه به‌طول مي‌انجامد. اين بدين معني است كه مسئوليت فرود بعهده‌ي سيستم هدايت، ناوبري و كنترل (Guidance Navigation and Control System) سطح‌نشين است كه به‌اختصار GNC ناميده مي‌شود. اين سيستم براساس سيستم هدايت، ناوبري و كنترل كاوشگر Chang'e-4 طراحي‌شده كه در سال ۲۰۱۹ توانست به‌صورت خودكار در نيمه‌ي پنهان ماه فرود آيد.
چالش بعدي، كاهش سرعت سطح‌نشين در زمان فرود است. سپر حرارتي منحني‌شكل، با زاويه‌ي ۷۰ درجه در دو سو، اولين وسيله براي كاهش سرعت است. در اين مرحله، سرعت فرود كيلومترها بر ثانيه است. پس از آن، درحالي‌كه مدارگرد با سرعت مافوق‌صوت در حال حركت است، چتر سرعت‌گيري با ساختار ديسك-فاصله-نوار (Disk-Gap-Band) فعال مي‌شود تا موجب كاهش سرعت فرود شود. اين نوع از چتر سرعت‌گير، به‌واسطه‌ي توانايي مناسب در ايجاد تعادل و كاهش سرعت، به‌طور معمول در چنين مأموريت‌هايي استفاده مي‌شوند.
پس از كاهش سرعت، اين چتر نيز از سطح‌نشين جدا مي‌شود. چيني‌ها براي طراحي اين چتر از تجربه‌ي استفاده از چترهاي مشابهي براي فرود فضاپيماي سرنشين‌دار شنژو استفاده كرده‌اند. شنژو از چتر ديسك-فاصله-نوار براي رسيدن به سرعت امن جهت فرود فضانوردان روي زمين استفاده مي‌كند.
نمونه‌اي از چتر با ساختار ديسك-فاصله-نوار
فرايند فرود خودكار خواهد بود
در لحظات نهايي فرود، از رانش معكوس براي كاهش سرعت فرود استفاده مي‌شود. وظيفه‌ي ايجاد رانش معكوس برعهده‌ي موتوري با ويژگي رانش متغير و حداكثر نيروي ۷۵۰۰ نيوتن است كه پيش از اين به‌عنوان موتور اصلي در مأموريت‌هاي Chang'e-3 و Chang'e-4 هم براي فرود روي ماه به‌كار رفته است. به‌منظور جمع‌آوري داده‌هاي ناوبري در زمان فرود، از تركيب مسافت‌ياب ليزري و سرعت‌سنج مسافتي مايكروويو استفاده مي‌شود. فناوري‌هاي مربوط به اين ابزارها نيز پيش‌تر براي مأموريت‌هاي فضايي چين به ماه توسعه يافته‌اند.
در زمان فرود روي مريخ، سطح‌نشين درون يك كپسول قرار دارد. به‌گفته‌ي ژنگ رونگ‌كيائو، طراح ارشد مأموريت HX-1، اين محموله در فاصله‌ي ۷۰ متري از سطح سياره‌ي سرخ از كپسول جدا مي‌شود. پس از جدا شدن، سطح‌نشين در حالت شناور قرار گرفته و به جستجوي محلي امن براي فرود مي‌پردازد. براي تشخيص عوارض زمين، از اسكن ليزري سه‌بعدي جهت تعيين ارتفاع سطوح مختلف استفاده مي‌شود. پس از كاهش ارتفاع تا ۲۰ متر، دوربين‌هاي بصري نيز وارد عمل مي‌شوند و سطح‌نشين وارد وضعيت احتراز از عوارض سطحي مي‌شود. در اين ويدئو از لحظه‌ي فرود Chang'e-4 روي سطح ماه، استفاده از ويژگي احتراز از عوارض سطحي به‌خوبي مشهود است.
فرود كاوشگر Chang'e-4 بر نيمه‌ي پنهان ماه
منطقه‌ي فرود
چيني‌ها در ابتدا دو ناحيه‌ي بزرگ را براي انتخاب منطقه‌ي فرود در انديشه متخصصين گرفته‌بودند. اكنون اين انتخاب‌ها به دو منطقه‌ي اصلي محدود شده است. براساس توضيحات ارائه‌شده در كنفرانس علوم سياره‌اي اروپا در سپتامبر سال گذشته در شهر ژنو، يكي از اين منطقه‌ها در ناحيه‌اي از ماه به‌نام Utopia Planitia است. پروفسور آلفرد مك‌اون، مدير آزمايشگاه پژوهش‌هاي تصويربرداري سياره‌اي در دانشگاه آريزونا، تصويري از اين منطقه را تهيه كرده كه مشاهده مي‌كنيد.
تصوير Utopia Planitia
پروفسور مك‌اون در رابطه با اين منطقه مي‌گويد:
براساس تصاوير تهيه‌شده توسط دوربين HiRISE (دوربين نصب‌شده روي مدارگرد شناسايي مريخ)، بخش زيادي از اين منطقه از سطوح صاف تشكيل‌شده و برآمدگي‌ها و فرورفتگي‌هاي معدودي در اين بخش وجود دارند كه مي‌توان با فناوري احتراز از موانع در مرحله‌ي نهايي، از فرود روي اين سطوح خطرناك هم جلوگيري كرد. جريان‌هاي خاكي نيز به‌طور گسترده لايه‌هاي جديدي بر سطح Utopia Planitia ايجاد كرده‌اند. درنتيجه، اين منطقه مكان خوبي براي مطالعه امكان زيست‌پذيري است كه شايد در گذشته و در لايه‌هاي زيرين وجود داشته است.
منطقه‌ي احتمالي ديگر براي فرود، منطقه‌اي موسوم به Chryse Planitia است. جالب اين است كه اين منطقه نزديك به منطقه‌ي فرود كاوشگرهاي وايكينگ ۱ و پث‌فايندر (Pathfinder) است. وظيفه‌ي تعيين احتمال وقوع طوفان‌هاي گرد‌وغبار در مناطق انتخابي فرود هم برعهده‌ي دانشمندان مؤسسه‌ي علوم فضايي در دانشگاه شندونگ بوده است.
فارغ از اينكه كدام منطقه براي فرود انتخاب مي‌شود، محدوده‌اي به‌عنوان محدوده‌ي احتمالي فرود به طول و عرض ۱۰۰ در ۴۰ كيلومتر در انديشه متخصصين گرفته مي‌شود. اين ابعاد مربوط به محدوده‌اي است كه براساس تحليل‌هاي آماري، احتمال فرود كاوشگر در آن وجود دارد. در مقايسه، به‌لطف «فناوري شناسايي محدوده» ناسا و تجربه‌ي بيشتر اين سازمان در فرود روي مريخ، ابعاد محدوده‌ي احتمالي فرود كاوشگر Perseverance تنها ۲۵ در ۲۰ كيلومتر است.
چيني‌ها ديگر بخش‌هاي لازم براي انجام مأموريت خود را هم فراموش نكرده‌اند. ايستگاه‌هاي ردگيري در سراسر چين و همچنين در ناميبيا و آرژانتين در حال فعاليت هستند. راكت لانگمارچ ۵ نيز در ماه ژانويه آزمون پيش‌ران‌هاي خود را پشت سر گذاشته‌است و مريخ‌نورد هم در حال طي كردن آزمون‌هاي محيطي نهايي است. در اين آزمون‌ها، شرايط تجربه شده در لحظه‌ي پرتاب، سفر در فضا و حركت روي سطح مريخ شبيه‌سازي مي‌شوند. قدم بزرگ بعدي پس از پرتاب محموله از پايگاه فضايي ونچنگ در ماه ژوئيه، فرود روي سطح ماه در سال ۲۰۲۱ است.
ويدئويي از فرايند پرتاب تا فرود كاوشگر HX-1 روي سطح مريخ
هم انديشي ها