«کاووس» ایرانی چطور به فضا رفت و به زمین برگشت؟/ تصاویر

کاوشگرهای فضایی وسائلی هستند که پیش از انجام مأموریت‌های اصلی و در مراحل پژوهشی به فضا ارسال می‌شوند. مأموریت آنها به‌طور معمول جمع‌آوری اطلاعات محیطی از مدارهای مختلف برای استفاده در مراحل طراحی محموله‌های پژوهشی و عملیاتی بعدی، آزمایش برخی زیرسامانه‌ها و فناوری‌های مختلف در مدارهای پایین و همچنین پیشبرد برنامه‌های زیستی فضایی است.

کاوشگرهای فضایی ایران که بر مبنای توانمندی‌های کسب‌شده در بخشی از برنامه موشکی کشور شکل گرفتند از سال ۱۳۸۵ مأموریت‌های خود را آغاز کردند. کاوشگر ‌۱ تا ۳ براساس پیشران سوخت جامد راکت‌های نازعات، کاوشگرهای ۴ تا ۷ و کاوشگر پیشگام بر اساس پیشران سوخت جامد راکت زلزال و کاوشگر پژوهش نیز برمبنای موشک سوخت مایع شهاب‌ـ‌۲ توسعه یافتند ولی هیچ موشک نظامی بر اساس کاوشگرهای فضایی توسعه نیافت که این نشانه عدم کاربرد نظامی برنامه کاوشگرهای ایرانی است.

کاوشگر بومی سلمان با جرم ۶ تن و ارتفاع بدنه ۱۲ متر، ۸۸ سانتی‌متر قطر دارد و قطر قسمت پایینی کپسول فضایی آزمایش‌شده در پرتاب اخیر هم ۱۳۰ سانتی‌متر است. این کاوشگر در حوزه عملکرد و دقت از نسل جدید پرتابگرهایی محسوب می‌شود که برای حمل کپسول‌های زیستی جدید به فضا آماده شده است و به‌سبب تجربیات عملیاتی گذشته با آن قابلیت اطمینان بالایی دارد. در این پرتاب کپسولی با ارتفاع ۱.۸ متر توسط کاوشگر سوخت مایع سلمان با موفقیت به فضا پرتاب شد.

طبق اطلاعات منتشرشده از پرواز سلمان، موتور این کاوشگر ۶۷ ثانیه فعالیت داشته و کپسول زیستی ۵۰۰کیلوگرمی کاووس را تا ارتفاع ۳۵کیلومتری بالا برده و سپس کپسول در ارتفاع ۴۵کیلومتری از پرتابگر جدا شده و با انرژی جنبشی دریافت‌کرده از پرتابگر، تا ارتفاع ۱۳۰کیلومتری اوج گرفته است. بر اساس مسیر هندسی مأموریت کاوشگرهای زیرمداری در ادامه کپسول در مسیر بازگشت قرار گرفته و پس از پایدار شدن با جهت‌گیری مناسب بدنه، چترهای کاهش سرعت در ارتفاع مناسب باز شده و سرعت کپسول را به حد مجاز طراحی‌شده برای فرود کاهش داده‌اند.

با استفاده از حامل سوخت مایع در نقش کاوشگر علاوه بر افزایش توان سامانه، می‌توان شتاب و ارتعاش کمتری را نیز به موجود زنده داخل کابین کپسول زیستی اعمال کرد بنابراین شرایط مطلوب‌تری برای بقای موجود زنده فراهم می‌شود. کاوشگر پیشگام (نخستین کاوشگر ایرانی حامل میمون که با موفقیت پرتاب شد) با سوخت جامد با بیشینه شتاب ۹ جی (۹ برابر شتاب جاذبه زمین) به مدار زمین رفت که با استفاده از سوخت مایع این شتاب در کاوشگرهای پژوهش و سلمان به ۶ جی (۶ برابر شتاب جاذبه زمین) رسید.

با توجه به اینکه برای هدف نهایی شاخه تحقیقات زیستی برنامه فضایی ایران که اعزام انسان به فضا است مناسبترین حالت رسیدن به شتاب ۴ جی است که در توان تحمل فضانورد باشد با استفاده از حاملهای سوخت مایع می‌توان با کنترل مناسب نیروی رانش، شتاب را در این حدود تثبیت کرد.

با تدابیر اندیشیده‌ شده کاوشگر سلمان در حوزه کنترل و ایرودینامیک هم از قابلیت اطمینان و ایمنی بسیار بالایی برخوردار بوده است به‌نحوی که شتاب و پایداری آن و شوک ارتعاشی ناشی از جدایش کاملاً کنترل شده است.

یکی دیگر از ویژگی‌های کاوشگر سلمان، بخش محموله بزرگتر از قطر بدنه در آن بود. این برای اولین بار در پرتابهای فضایی کشورمان است که حامل فضایی، محموله‌ای با قطر بیشتر از بدنه را به پرواز درآورده است، امری که در آینده قطعاً برای پرتاب ماهواره‌های بزرگ یا تعداد زیادی ماهواره هم مورد نیاز برنامه فضایی کشور است.

از چالش این ترکیب طراحی، ایجاد جریانهای گردابی بزرگ ناشی از جدایش جریان در قسمت‌های تحتانی محموله است که پدیده‌ای با ماهیت فرکانسی است و سبب ایجاد ارتعاشات مستمر می‌شود. نیروی ناشی از این ارتعاشات طی پرواز و تغییر جهت پرتابگر باید به‌طور مناسبی تحلیل شده باشد و سامانه کنترل کاوشگر برای جبران خطاهای ناشی از این پدیده آماده‌سازی شده باشد. پرتاب موفق سلمان نشان داد که مطالعات و طراحی و تحلیل‌های کاملی روی این بخش جدید در پرتابگرهای فضایی ایران انجام شده است.

کپسول فضایی «کاووس»

کاووس نام محموله‌ای بود که در پرتاب اخیر به فضا برده شد. طبق اطلاعات منتشرشده پس از پرتاب موفق جدیدترین کپسول زیستی ایران که با پرتابگر بومی سلمان پرتاب شد، متخصصان صنعت فضایی ایران اندکی پس از فرود، موفق به بازیابی کپسول روی زمین شدند. در مأموریت این کپسول، حمل موجود زنده تعریف نشده بود اما تعدادی “کیت زیستی” توسط کاووس حمل شده و با موفقیت روی زمین بازیابی شده است.

طبق بررسی‌های انجام‌شده، سپر ضربه‌گیر کپسول زیستی موفق عمل کرده و توانسته است مطابق طراحی، انرژی کپسول را هنگام رسیدن به سطح زمین به‌خوبی تلف کند که از دستاوردهای مهم این پروژه به حساب می‌آید؛ به‌گونه‌ای که جعبه‌های زیرسامانه‌ها و اجزای مختلف از جمله بوردها و کیت‌های زیستی به‌سلامت از کپسول استخراج شدند.

این امر از آن جهت مهم است که این کپسول جدیدترین کپسول زیستی ساخته‌شده توسط متخصصان ایرانی است که علاوه بر تفاوت در شکل هندسی و ابعاد از نظر جرم و وزن هم سنگین‌ترین محموله کاوشگرها و حتی سنگین‌ترین محموله‌ای است که ایران در تاریخ ۲۰ساله صنعت فضایی خود به‌صورت بومی به فضا پرتاب کرده است.

در نتیجه علاوه بر طراحی چترهای جدید برای کاهش سرعت، سپر محافظ مستهلک‌کننده ضربه ناشی از فرود هم نیاز به طراحی جدید و دقیقی داشته است، در واقع بعد از باز شدن چترها که مقداری از سرعت فرود را کاهش می‌دهند، درست پس از اصابت کپسول به زمین بخش قابل‌توجهی از انرژی بایستی توسط سامانه سپر محافظتی فناشونده گرفته شود.

طراحی این سپر هم به‌لحاظ جنس و مواد و هم به‌لحاظ قابلیت‌های انعطاف‌پذیری و خُردشوندگی باید به‌گونه‌ای باشد که بخش عمده‌ای از انرژی را در خود دفع کند تا کمترین صدمه به اجزای داخل کپسول برسد.

در نتیجه با انجام موفقیت‌آمیز پرتاب کاوشگر سلمان علاوه بر تثبیت فناوری‌های پرتاب نخست کاوشگرهای سوخت مایع یعنی کاوشگر پژوهش، برخی فناوری‌های جدید هم آزمایش شد که سامانه جذب ضربه فرود برای کپسول‌های با طراحی مناسب حمل انسان یکی از این فناوری‌ها است. این سامانه به‌صورت کاملاً بومی طراحی شد و در این پرتاب به‌صورت صددرصد به کارایی لازم رسید که موردی با این مشخصات در کاوشگرهای قبلی ایرانی وجود نداشت. در پرتاب کاوشگر پژوهش حسگرهایی برای اندازه‌گیری میزان صوت هم مورد آزمایش قرار گرفت که احتمالاً در سلمان هم مورد آزمایش مجدد قرار گرفته است.

به‌طور کلی نزدیک به ۱۰ سامانه اصلی در کپسول زیستی کاووس به‌کار رفته است که شامل سامانه تأمین توان، سامانه‌های مربوط به رایانه پرواز و سامانه تولید فرمان کنترلی، بوردهای حافظه، بوردهای الکترونیکی و باتری‌های لازم برای هر کدام، سامانه‌های مخابراتی و دورسنجی (تله‌متری) از جمله این سامانه‌های اصلی است. سامانه دورسنجی تصاویر و داده‌های مختلف حسگرهای به‌کار گرفته‌شده را به‌صورت برخط از فضا و از داخل کپسول به زمین مخابره می‌کند.

از دیگر سامانه‌های به‌کاررفته در کپسول کاووس،‌ سامانه پایش و اندازه‌گیری پارامترهای زیستی است که برای مأموریت ارسال موجود زنده به فضا بسیار مهم است و پارامترهای مهمی همچون سطح فشار، اکسیژن و دما در داخل مجموعه به‌صورت کامل رصد و پایش می‌شود تا در بازه تغییرات (تلورانس) مجاز قرار بگیرد تا شرایط زیست موجود زنده فراهم بماند.

کنار موارد فوق مجموعه‌ای از سامانه‌های پایش و تنظیم حرارت در داخل کپسول، دوربین‌ها، حسگرها (سنسورها) و میکروسوییچ‌های مختلف وجود دارد که از جمله وظایف این جزء، بازکردن دریچه‌ها یا اجرای فرمان بازشدن چترها و به‌طور کلی عملگرهایی که وظیفه بازشدن دریچه‌های مختلف را به‌عهده دارند، است.

یکی دیگر از مجموعه‌های مهم در هر کپسول بازگشتی به جو از جمله کاووس، سامانه مربوط به “سپر حرارتی” است. در فرآیند بازگشت کپسول و هر محموله فضایی دیگری به داخل جو، رفته رفته با کاهش ارتفاع، به‌واسطه گرانش (جاذبه) زمین لحظه به لحظه بر سرعت محموله افزوده می‌شود.

این افزایش سرعت از یک سو و نیز افزایش غلظت یا چگالی هوا از سوی دیگر سبب تولید حرارت بالایی در سطوح بادخور یا همان اولین سطوح مواجه‌شونده با هوا می‌شود. مطالعات فراوانی طی دوران رقابت فضایی جنگ سرد روی شکل مناسب کپسول‌های حامل موجود زنده برای کاستن از آهنگ تولید و انتقال حرارت به بخش‌های داخلی بدنه انجام شده است که شکل مشاهده‌شونده از کپسول کاووس، جزو بهترین گونه‌ها است.

سطح نسبتاً تخت به‌کاررونده سبب رسیدن به آهنگ مطلوب تولید و انتقال حرارت می‌شود و هم به خودی خود به‌واسطه ضریب پسای بیشتر، از افزایش بی‌رویه سرعت جلوگیری می‌کند. البته جنس سطح بدنه در این بخش هم از موارد بسیار مقاوم در برابر حرارت مانند گرافیت یا سرامیک‌های خاص در نظر گرفته می‌شود تا مقاومت بهتری در برابر حرارت داشته باشد.

مجموعه سازه و سامانه‌های عایق‌سازی دریچه‌ها در برابر نفوذ هوای بسیار داغ مجاور سطوح بادخور از جمله دیگر فناوری‌های به‌کاررفته در کپسول فضایی کاووس است. این مجموعه باید بتواند به‌صورت پایدار با چترهایی که باز خواهد شد با سرعت مناسب روی زمین قرار بگیرد. لازم به ذکر است طبق تصاویر در دسترس، روی کپسول کاووس از رانشگرهای گازی برای کنترل وسیله در فاز بازگشت استفاده نشده است، در نتیجه کلیه موارد لازم از لحاظ جهت‌گیری درست کپسول به‌سمت زمین به‌نحوی که سطح بزرگ آن در مقابل جریان هوا باشد و همچنین از بین بردن حرکتهای نوسانی ایجادشونده برای کپسول بعد از مواجهه با لایه‌های غلیظ هوا در ارتفاع زیر ۱۰۰کیلومتری در فرایند بازگشت نیازمند طراحی بسیار دقیق از جهت پایداری و توان استهلاک نوسانات وسیله پروازی است.

مجموعه چترهای بازیابی از دیگر زیرسامانه‌های مهم هر کپسول بازگشتی به جو است که باید در طراحی و توسعه به آن توجه ویژه شود. در این کپسول دو سامانه بازیافت چتری وجود داشت که هر کدام از آنها، چندین و شاید ده‌ها زیرسامانه داشته و اجزای مختلفی در آن به‌کار گرفته شده است. داده‌هایی که بعد از بازیابی کپسول و از طریق دوربین‌های تله‌متری به‌دست آمده حاکی از این است که این زیرسامانه‌ها هم کار خود را به‌خوبی انجام داده‌اند. با توجه به اینکه سرعت محموله در فاز بازگشت به جو از سرعت صوت فراتر می‌رود در نتیجه باید چترهای مورد استفاده از نوع چترهای فراصوت یا سوپرسونیک باشند.

با توجه به مجموع نتایج و تجارب به‌دست‌آمده از مأموریت اخیر فضایی کشور، بعد از تکمیل مطالعات بر اساس بررسی جزء به جزء داده‌های جمع‌آوری‌شده، اصلاحات طراحی و ساخت برای پرتاب بعدی انجام می‌شود و متخصصان سختکوش عرصه فضایی به اصلاح کپسول و سامانه‌ها و زیرسامانه‌ها و مکانیزم‌های مختلف آن اقدام می‌کنند تا برای پرتاب بعدی کپسول زیستی در این رده (کلاس) که احتمالاً حامل یک حیوان به‌عنوان موجود زنده خواهد بود، همه چیز آماده باشد. با پرتاب بعدی عملاً قابلیت اطمینان سامانه‌های مختلف اثبات می‌شود و گام بزرگی در جهت برنامه نهایی برداشته می‌شود.

در نهایت برنامه فضایی کشور در بخش تحقیقات زیستی قرار است به پرتاب انسان به فضا و بازگشت سالم آن به سطح زمین منجر شود، در نتیجه کپسول لازم برای آن در رده جرمی بالاتری قرار می‌گیرد و طراحی آن در سالهای گذشته انجام و حتی نمونه مقیاس واقعی آن هم در سالهای قبل رونمایی شده است. طبعاً با رشد دانش و فناوری کشور در عرصه صنعتی، کپسول فضایی حامل انسان هم در معرض بازطراحی قرار خواهد گرفت. در گذشته جرم این کپسول ۱۸۰۰ کیلوگرم عنوان شده بود اما در گفته‌های اخیر مسئولین از جرم ۱۵۰۰کیلوگرمی صحبت به میان آمده است که قرار است نمونه مقیاس بزرگتری از کاووس باشد و ظرف ۲ سال آماده آزمایشهای اولیه شود.

در این مرحله کارها با سختگیری بسیار بیشتری دنبال می‌شود زیرا اگر هر کدام از شرایط مورد نیاز برای زیست موجود زنده در فضا از بازه مجاز، اندکی تغییر کند به‌راحتی شرایط حیات از بین می‌رود یا با دشواری فراوان روبه‌رو می‌شود،
به‌عنوان مثال بارهای صوتی (آکوستیکی) تولیدشده در یک پرتاب فضایی با حامل دارای موتور راکتی برای فضانورد بسیار مهم است چرا که برای انسان میزان صوت موجود و شدت صدای تولیدشده در داخل کابین عاملی تعیین‌کننده محسوب می‌شود. در صورت وجود صدای ناخواسته (نویز) داخل کابین در ارتباط صوتی بین کابین فضانورد و ایستگاه کنترل زمینی اختلال ایجاد می‌شود و این نویز موجب می‌شود که صدای ایستگاه کنترل توسط فضانورد شنیده نشود.

با اندازه‌گیری درست میزان صدای موجود داخل کابین در پرتابهای آزمایشی می‌توان برای تولید عایق‌های لازم اقدام کرد که تا آن‌جا که ممکن است از بارهای صوتی مزاحم جلوگیری شود. صدایی که در بیرون از کابین تولید می‌شود می‌تواند بیش از ۱۳۰ دسی‌بل نیز باشد اما در محیط درون باید این شدت صدا به ۸۰ تا ۹۰ دسی‌بل برسد تا محیطی قابل قبول برای فضانورد باشد.

حتی در محیطی با صدای ۹۰ دسی‌بل نیز فضانورد قدرت مکالمه آسان با پایگاه را دارد. اگر شدت صوت بالاتر از این مقدار باشد هم مکالمه سخت می‌شود و هم به فرد استرس وارد می‌شود و قدرت تصمیم‌گیری او را کم می‌کند. حسگرهای تعبیه‌شونده در پرتابهای آزمایشی شدت صداهای تولیدی را داخل کابین ضبط می‌کنند تا پس از پردازش و تحلیل با انجام آزمایش‌های مختلف و ایجاد عایق‌های مناسب آستانه صدای قابل تحمل ایجاد شود.

پرتاب کاوشگر سلمان با کپسول زیستی کاووس، نخستین گام در دوره جدید فعالیتهای فضایی کشور برای نقشه راه برنامه اعزام انسان به فضا خواهد بود که با تکیه بر توان داخلی و متخصصان صنعت فضایی کشور و بدون هیچ‌گونه کمک خارجی با موفقیت صورت گرفت،

در ادامه این گام مهم و با حمایت ادامه‌دار دولت، رسیدن به اهداف برنامه فضایی کشور قطعاً شدنی است.

۵۸۵۸