«کاووس» چطور به فضا رفت و چگونه به زمین برگشت؟

جدیدترین کاوشگر فضایی ایران با نام «سلمان» و حامل کپسول زیستی «کاووس» چند روز پیش و در نیمه آذر ماه جاری از پایگاه فضایی سمنان پرتاب شد تا گام مناسبی برای بازگشایی جنبه‌های تحقیقات زیستی در برنامه فضایی ایران باشد. جنبه‌ای که از سال 1392 و در دولت سابق به یکی از راکدترین بخشهای برنامه فضایی کشور تبدیل شده بود.

کاوشگر فضایی چیست؟

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 کسب‌ شده در بخشی از برنامه موشکی کشور شکل گرفتند از سال 1385 مأموریت‌های خود را آغاز کردند. کاوشگر‌ ‌1 تا 3 براساس پیشران سوخت جامد راکت‌های نازعات، کاوشگرهای 4 تا 7 و کاوشگر پیشگام بر اساس پیشران سوخت جامد راکت زلزال و کاوشگر پژوهش نیز برمبنای موشک سوخت مایع شهاب‌-‌2 توسعه یافتند ولی هیچ موشک نظامی بر اساس کاوشگرهای فضایی توسعه نیافت که این نشانه عدم کاربرد نظامی برنامه کاوشگرهای ایرانی است.

کاوشگرهای فضایی پرتاب شده توسط کشورمان تا سال 1392

در فاصله سالهای 1385 تا بهمن 1391 که پرتاب موفق کاوشگر «پیشگام» حامل یک حیوان زنده از نوع میمون صورت گرفت، تعداد زیادی از مأموریت کاوشگرها به موفقیت کامل رسیدند که باعث شد در مجموع یکی از ابعاد بسیار موفق برنامه فضایی ایران همین کاوشگرهای فضایی باشند. کاوشگر پیشگام محموله خود را تا ارتفاع 120 کیلومتری بالا برد که مجموع زمان این عملیات 20 دقیقه به طول انجامید.

کاوشگر پیشگام با پیشران سوخت جامد

کاوشگر «پژوهش» نیز حامل دومین میمون فضایی ایران در بهمن 92 به فضا رفت. این کاوشگر نیز همانند پیشگام حامل یک میمون از نژاد رزئوس بود. پژوهش مسیری به شکل یو (U) معکوس را در مأموریت خود تا ارتفاع 120 کیلومتری از سطح زمین در مدت 15 دقیقه طی کرد.

پرتاب کاوشگر پژوهش

مسیر پروازی مرسوم کاوشگرهای فضایی

پس از «پژوهش»، کاوشگرهای فضایی به یکی از راکدترین بخش‌های برنامه فضایی کشور تبدیل شدند. در این مسیر، هدف‌گذاری نهایی، پرتاب زیرمداری انسان به فضا در حوالی سالهای 1395 تا 1397 هدف گذاری شده بود که برای آن حتی نمونه مقیاس کامل (ماک‌آپ) سفینه و کپسول حامل انسان نیز طراحی و ساخته شد. با توجه به عدم ارتباط فنی خاص بین مجموعه فضایی ایران و کشورهای دیگر، می‌توان گفت درصد موفقیت برنامه کاوشگرهای ایران بسیار درخور تحسین بوده است.

نمایی از اهداف بخش زیستی برنامه فضایی کشور

عملکرد صحیح یک حامل فضایی با سرعت پروازی چند برابر سرعت صوت، عملکرد صحیح سازوکارها (مکانیزم) متعدد در بخش محموله شامل جدایش، حسگرها، ثبت داده‌ها، انتقال داده‌ها، تحمل ارتعاشات با فرکانس‌های بسیار بالا، بارهای آکوستیکی، تنش‌های مکانیکی و حرارتی که به تمام اجزای کاوشگر فضایی وارد می‌شوند، همگی در تمامی اجزاء از صفحات بدنه تا بوردهای الکترونیکی باید به‌درستی پیش‌بینی و محاسبه، و راهکار فنی لازم برای عدم بروز مشکل اندیشیده، سپس آزمایش و تأیید شود.

نمونه ای از آزمایش جدایش در کاوشگرهای قبلی ایران

پس از آن باز هم هیچ اطمینان عملی وجود ندارد تا اینکه پرتاب‌های آزمایشی به‌تعداد کافی انجام شود که در این فرآیند، قابلیت اطمینان به‌عنوان یک مفهوم مهم مهندسی و صنعتی ایجاد شود. در صورت ایجاد تغییرات عمده در طراحی مثلاً برای اجرای یک مأموریت جدیدتر، باز هم باید فرآیندهای آزمایش‌های زمینی به‌طور کامل سپری شود و مجدداً آزمایش پروازی صورت پذیرد.

تصاویری از آزمایش‌های زمینی در کاوشگرهای قبلی ایرانی

این مقدار حساسیت در جزئیات سبب می‌شود تا بعضاً یک اشتباه کوچک یا یک عدم پیش‌بینی مشکل فنی احتمالی سبب موفقیت ناقص یا عدم موفقیت شود. عدم اطلاع از شرایط محیط فضا نیز در گام‌های اولیه یک برنامه فضایی سبب بروز مشکل و نقص می‌شود که به واسطه مخفی نگهداشتن راهکار غلبه بر چالشهای حاکم در جو رقیق و ارتفاعات بالا توسط قدرتهای بزرگ فضایی، کشورهای در حال توسعه چاره ای جز آزمایش واقعی در برخی موارد ندارند.

متخصصان کشورمان بدون دریافت کمک از منابع خارجی بار دیگر با طی کردن مراحل مختلف طراحی مأموریت، طراحی سامانه محموله و زیرسامانه ها و اصلاحات پرتابگر سوخت مایع شهاب و طی کردن مراحل شبیه سازی و ساخت نمونه و آزمایشهای زمینی و نهایتاً پرتاب موفق کاوشگر جدید سلمان نشان دادند که زنجیره دانش و فناوری در این حوزه به طور کامل در کشور در دوران رشد صنعت فضایی در دهه 1380 بومی شده بود.

ویژگی‌های جدید پرتابگر «سلمان»

کاوشگر بومی سلمان با جرم 6 تن و ارتفاع بدنه 12 متر، 88 سانتی‌متر قطر دارد و قطر قسمت پایینی کپسول فضایی آزمایش شده در پرتاب اخیر هم 130 سانتی‌متر است. این کاوشگر در حوزه عملکرد و دقت از نسل جدید پرتابگرها محسوب می‌شود که برای حمل کپسول‌های زیستی جدید به فضا آماده شده و به سبب تجربیات عملیاتی گذشته با آن قابلیت اطمینان بالایی دارد. در این پرتاب کپسولی با ارتفاع 1.8 متر توسط کاوشگر سوخت مایع سلمان با موفقیت به فضا پرتاب شد.

کاوشگر سلمان

طبق اطلاعات منتشر شده از پرواز سلمان، موتور این کاوشگر 67 ثانیه فعالیت داشته و کپسول زیستی 500 کیلوگرمی کاووس را تا ارتفاع 35 کیلومتری بالا برده و سپس کپسول در ارتفاع 45 کیلومتری از پرتابگر جدا شده و با انرژی جنبشی دریافت کرده از پرتابگر، تا ارتفاع 130 کیلومتری اوج گرفته است. بر اساس مسیر هندسی مأموریت کاوشگرهای زیرمداری در ادامه کپسول در مسیر بازگشت قرار گرفته و پس از پایدار شدن با جهت گیری مناسب بدنه، چترهای کاهش سرعت در ارتفاع مناسب باز شده و سرعت کپسول را به حد مجاز طراحی شده برای فرود کاهش داده‌اند.

پرواز کاوشگر سلمان

با استفاده از حامل سوخت مایع در نقش کاوشگر علاوه بر افزایش توان سامانه، می توان 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 9 جی (9 برابر شتاب جاذبه زمین) به مدار زمین رفت که با استفاده از سوخت مایع این شتاب در کاوشگرهای پژوهش و سلمان به 6 جی (6 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 4 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 به نحوی 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 قسمت های تحتانی محموله است که پدیده‌ای با ماهیت فرکانسی بوده و سبب ایجاد ارتعاشات مستمر می‌شود. نیروی ناشی از این ارتعاشات در طی پرواز و تغییر جهت پرتابگر باید به طور مناسبی تحلیل شده و سامانه کنترل کاوشگر برای جبران خطاهای ناشی از این پدیده آماده سازی 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 منتشر شده 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.

کپسول زیستی کاووس نصب شده در بالای کاوشگر سلمان

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

این امر از آن جهت مهم است که این کپسول جدیدترین کپسول زیستی ساخته شده 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 20 ساله صنعت فضایی خود به صورت بومی به فضا پرتاب کرده است.

در نتیجه علاوه بر طراحی چترهای جدید برای کاهش سرعت، سپر محافظ مستهلک کننده 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 می دهند، درست پس از اصابت کپسول به زمین بخش قابل توجهی از انرژی بایستی توسط سامانه سپر محافظتی فناشونده گرفته شود.

طراحی این سپر هم به لحاظ جنس و مواد و هم به لحاظ 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 موفقیت آمیز 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 به صورت کاملا بومی طراحی شده و در این پرتاب به صورت 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.

به طور کلی نزدیک به 10 سامانه اصلی در کپسول زیستی کاووس به کار 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 به کار گرفته شده را به صورت برخط از فضا و از داخل کپسول به زمین مخابره می‌کند.

از دیگر سامانه‌های به کار رفته 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 به صورت کامل رصد و پایش می‌شود تا در بازه تغییرات (تلورانس) مجاز قرار بگیرد تا شرایط زیست موجود زنده فراهم بماند.

در 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 به طور کلی عملگرهایی که وظیفه بازشدن دریچه‌های مختلف را برعهده 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، به واسطه گرانش (جاذبه) زمین لحظه به لحظه بر سرعت محموله افزوده می‌شود.

تصویر گرافیکی از فاز بازگشت به جو در یک کپسول حامل انسان

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 مواجه شونده با هوا می‌شود. مطالعات فراوانی در 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 مشاهده شونده از کپسول کاووس، جزو بهترین گونه‌ها است.

نمونه‌هایی از طرح‌های مطالعه شده برای شکل کپسول‌های زیستی بازگشتی به جو

سطح نسبتاً تخت به کار رونده سبب رسیدن به آهنگ مطلوب تولید و انتقال حرارت می‌شود و هم به خودی خود به واسطه ضریب پسای بیشتر، از افزایش بی رویه 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.

شبیه سازی عدد ماخ جریان هوا در اطراف یک کپسول بازگشتی به جو

مجموعه سازه و سامانه های عایق سازی دریچه ها در برابر نفوذ هوای بسیار داغ مجاور سطوح بادخور از جمله دیگر فناوری‌های به کار رفته در کپسول فضایی کاووس است. این مجموعه باید بتواند به صورت پایدار با چترهایی که بازخواهد 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 جهت گیری درست کپسول به سمت زمین به نحوی که سطح بزرگ آن در مقابل جریان هوا باشد و همچنین از بین بردن حرکتهای نوسانی ایجاد شونده برای کپسول بعد از مواجهه با لایه‌های غلیظ هوا در ارتفاع زیر 100 کیلومتری در فرایند بازگشت نیازمند طراحی بسیار دقیق از جهت پایداری و توان استهلاک نوسانات وسیله پروازی است.

نمایشی از جهت گیری مناسب کپسول و تغییر جهت لازم در ابتدای ورود به جو غلیظ

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 به کار گرفته شده است. داده‌هایی که بعد از بازیابی کپسول و از طریق دوربین‌های تله‌متری بدست آمده حاکی از این است که این زیرسامانه ها هم کار خود را به خوبی 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.

تصویرسمت راست باز شدن صحیح هر سه چتر و تصویر چپ عملکرد نادرست یکی از چترها در یکی از کپسولهای زیستی برنامه فضایی آمریکا

نمایشی از جریان هوا در حرکت فراصوت (سوپرسونیک) کپسول بازگشتی به جو و چتر متصل به آن با سرعت 2 ماخ

با توجه به مجموع نتایج و تجارب به دست آمده از مأموریت اخیر فضایی کشور، بعد از تکمیل مطالعات بر اساس بررسی جزء به جزء داده‌های جمع آوری شده، اصلاحات طراحی و ساخت برای پرتاب بعدی انجام می شود و متخصصان سخت کوش 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 به عنوان موجود زنده خواهد بود، همه چیز آماده باشد. با پرتاب بعدی عملاً قابلیت اطمینان سامانه‌های مختلف اثبات شده و گام بزرگی در جهت برنامه نهایی برداشته می‌شود.

کپسول حامل انسان

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 1800 کیلوگرم عنوان شده بود اما در گفته های اخیر مسئولین از جرم 1500 کیلوگرمی صحبت به میان آمده که قرار است نمونه مقایس بزرگتری از کاووس باشد و ظرف 2 سال آماده آزمایشهای اولیه شود.

اولین نمونه مقیاس کامل از طراحی قبلی متخصصان کشورمان از کپسول حامل انسان

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 به راحتی شرایط حیات از بین می‌رود یا با دشواری فراوان روبرو می‌شود.

به عنوان مثال بارهای صوتی (آکوستیکی) تولید شده در یک پرتاب فضایی با حامل دارای موتور راکتی برای فضانورد بسیار مهم است چرا که برای انسان میزان صوت موجود و شدت صدای تولید شده در داخل کابین عامل تعیین کننده‌ای 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.

نمایش گرافیکی اجزاء کپسول زیستی حامل انسان طراحی شده توسط متخصصان کشورمان

با اندازه گیری درست میزان صدای موجود در داخل کابین در پرتابهای آزمایشی می توان برای تولید عایق‌های لازم اقدام کرد که تا آن جا که ممکن است از بارهای صوتی مزاحم جلوگیری شود. صدایی که در بیرون از کابین تولید می شود می تواند بیش از 130 دسی بل نیز باشد اما در محیط درون باید این شدت صدا به 80 تا 90 دسی بل برسد تا محیطی قابل قبول برای فضانورد باشد.

نمای گرافیکی از طرح پرتابگر فضایی کپسول زیستی حامل انسان

حتی در محیطی با صدای 90 دسی بل نیز فضانورد قدرت مکالمه آسان با پایگاه را دارد. اگر شدت صوت بالاتر از این مقدار باشد هم مکالمه سخت می شود و هم به فرد استرس وارد می شود و قدرت تصمیم گیری او را کم می کند. حسگرهای تعبیه شونده در پرتابهای آزمایشی شدت صداهای تولیدی را در داخل کابین ضبط می کنند تا پس از پردازش و تحلیل با انجام آزمایش های مختلف و ایجاد عایق های 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 ادامه دار دولت، رسیدن به اهداف برنامه فضایی کشور قطعاً شدنی است.