پراسپرو؛ تنها ماهواره بریتانیا که با موشک بومی پرتاب شد

پرتابی که در تاریخ فضانوردی بریتانیا ثبت شد

در ۲۸ اکتبر ۱۹۷۱، از پایگاه آزمایشی نیروی هوایی استرالیا در منطقه وومرا (Woomera) در جنوب استرالیا، موشکی سه‌مرحله‌ای به نام بلک ارو (Black Arrow) از زمین برخاست و محموله‌ای ۶۶ کیلوگرمی را به مدار زمین برد. آن محموله، ماهواره‌ای بود به نام پراسپرو (Prospero) که با شناسه X-3 نیز شناخته می‌شود. اهمیت این رویداد در آن است که پراسپرو نخستین و تا امروز تنها ماهواره بریتانیایی است که با یک پرتابگر کاملاً ساخت همان کشور به فضا رسیده است. شش ماهواره پیشین بریتانیا همه با موشک‌های ناسا از خاک آمریکا پرتاب شده بودند.

این پرتاب، چهارمین و آخرین پرواز موشک بلک ارو بود. بلک ارو با ارتفاعی نزدیک به ۱۳ متر، بر پایه موشک پژوهشی کوچک‌تر بلک نایت (Black Knight) طراحی شده بود و از سه مرحله تشکیل می‌شد: دو مرحله سوخت مایع و یک مرحله بالایی با سوخت جامد. همین معماری چندمرحله‌ای است که پرتاب ماهواره را ممکن می‌کند؛ زیرا در هر مرحله، بخشی از جرم خشک و مخزن‌های خالی از بدنه جدا می‌شود و موتور مرحله بعدی تنها باید جرمی سبک‌تر را شتاب دهد.

چرا پرتابگر چندمرحله‌ای لازم است

برای درک اهمیت بلک ارو، باید به یک محدودیت بنیادی در فیزیک پرواز فضایی توجه کرد. رسیدن به مدار زمین به سرعتی افقی نزدیک به ۷٫۸ کیلومتر بر ثانیه در ارتفاع چند صد کیلومتری نیاز دارد. موشک برای تأمین این سرعت، باید سوخت و اکسیدکننده فراوانی حمل کند و همین سوخت، خود جرمی سنگین است. اگر تمام این جرم در یک مرحله واحد جمع شود، موتور باید مخزن‌های خالی و سازه‌های بی‌فایده را هم شتاب دهد و بازده کل به‌شدت افت می‌کند. تقسیم موشک به مرحله‌ها و رها کردن تدریجی جرم مرده، همان راه‌حلی است که معادله تسوبولکوفسکی (Tsiolkovsky rocket equation) آن را به‌صورت کمّی توضیح می‌دهد: افزایش سرعت نهایی، تابعی لگاریتمی از نسبت جرم اولیه به جرم نهایی است. هر کیلوگرم جرمی که در میانه راه دور ریخته شود، سهم بزرگی در سرعت نهایی دارد.

پراسپرو در مدار چه می‌کرد

پراسپرو یک ماهواره پژوهشی بود، نه یک ماهواره مخابراتی عملیاتی. هدف اصلی آن پاسخ به این پرسش بود که محیط فضا چگونه بر سامانه‌های ماهواره‌های مخابراتی اثر می‌گذارد. در آن دوران، مهندسان تازه داشتند می‌آموختند که در خلأ فضا، دمای سطوح ماهواره میان سایه سرد زمین و تابش مستقیم خورشید به‌شدت نوسان می‌کند، پرتوهای پرانرژی ذرات باردار به مدارهای الکترونیکی آسیب می‌رسانند و صفحه‌های خورشیدی به‌مرور کارایی خود را از دست می‌دهند.

از این رو، پراسپرو صفحه‌های خورشیدی و سامانه‌های تله‌متری (Telemetry) خود را در معرض محیط واقعی مدار قرار داد تا داده‌های میدانی درباره دوام آنها گردآوری کند. تله‌متری، همان سازوکاری است که با آن ماهواره اندازه‌گیری‌های خود را به‌صورت سیگنال رادیویی به ایستگاه‌های زمینی می‌فرستد؛ بدون آن، ماهواره‌ای بی‌فایده است، حتی اگر همه ابزارهایش سالم باشند.

افزون بر این، پراسپرو یک آشکارساز ریزشهاب‌سنگ (Micrometeoroid detector) داشت. پرسش این بود که ذرات بسیار ریز فضایی، که ابعادشان گاه در حد میکرومتر است، تا چه اندازه برای بدنه و ابزارهای فضاپیما خطرناک‌اند. نکته فیزیکی مهم اینجاست که انرژی جنبشی با مربع سرعت رشد می‌کند؛ ذره‌ای به جرم یک میلی‌گرم که با سرعت نسبی ده‌ها کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند، می‌تواند به اندازه یک گلوله انرژی داشته باشد. همین منطق امروز پایه ارزیابی خطر زباله‌های فضایی (Space debris) است.

برخورد با مرحله نهایی؛ حادثه‌ای کوچک با پیامدی روشن

پرتاب موفق بود، اما حادثه‌ای در لحظه جدایش رخ داد: مرحله نهایی موشک پس از آزاد کردن ماهواره، با آن برخورد کرد و یکی از چهار آنتن رادیویی پراسپرو شکست. چنین برخوردهایی در فضا کم‌رخ نمی‌دهند، زیرا پس از خاموش شدن موتور، جدایش با سرعت نسبی بسیار کوچکی انجام می‌شود و باقی‌مانده گازهای پیشران یا فشار مخزن‌ها می‌تواند مرحله خالی را به‌آرامی به سمت ماهواره براند. با این حال، پراسپرو با سه آنتن باقی‌مانده کار خود را ادامه داد و تا سال ۱۹۷۳ به‌طور منظم داده فرستاد. بر پایه گزارش بی‌بی‌سی، دست‌کم سالی یک بار تا سال ۱۹۹۶ با این ماهواره تماس گرفته می‌شد.

این نکته اهمیت مهندسی زیادی دارد: طراحی افزونه (Redundancy)، یعنی پیش‌بینی مسیرهای پشتیبان برای سامانه‌های حیاتی، همان چیزی است که تفاوت میان یک مأموریت شکست‌خورده و یک مأموریت موفق را می‌سازد. چهار آنتن به‌جای یک آنتن، درست به همین دلیل پیش‌بینی شده بود.

مدار بیضوی و پیامدهای آن

پراسپرو در مداری بیضوی قرار گرفت که فاصله آن از زمین میان ۵۲۲ تا ۱۳۰۰ کیلومتر تغییر می‌کرد. شکل مدار را معمولاً با برون‌مرکزی (Eccentricity) توصیف می‌کنند؛ در مداری با برون‌مرکزی نزدیک به صفر، مدار دایره‌ای است و فاصله ثابت می‌ماند، اما در مداری بیضوی، ماهواره در نزدیک‌ترین نقطه (حضیض یا Perigee) سریع‌تر و در دورترین نقطه (اوج یا Apogee) کندتر حرکت می‌کند. این رفتار نتیجه مستقیم پایستگی تکانه زاویه‌ای است: در فاصله کمتر، سرعت باید بیشتر باشد تا حاصل‌ضرب جرم در سرعت در شعاع ثابت بماند.

چنین مداری در عمل از قطع شدن زودهنگام موتور مرحله بالایی پدید می‌آید. برای مأموریت پژوهشی، این محدودیت زیان‌آور نبود؛ اما برای ماهواره مخابراتی که باید در نقطه‌ای ثابت از آسمان بماند، مدار باید دقیقاً دایره‌ای و در ارتفاع معین باشد.

چرا برنامه بلک ارو متوقف شد

با همه این موفقیت، برنامه بلک ارو ادامه نیافت. این برنامه در مجموع دو شکست و دو موفقیت داشت و در نهایت لغو شد. دلیل اصلی، اقتصادی بود: بریتانیا می‌توانست ماهواره‌های خود را با پرتابگرهای آمریکایی ارزان‌تر به مدار بفرستد و هزینه نگهداری یک خط تولید موشک ملی توجیه نداشت. این تصمیم، الگویی شد که دهه‌ها ادامه یافت و بریتانیا را برای مدت طولانی به پرتابگرهای خارجی وابسته کرد.

میراث: از تاریخ فضانوردی تا مسئله زباله فضایی

پراسپرو امروز همچنان در مدار است. در ارتفاع بیش از ۵۰۰ کیلومتر، جو زمین آن‌قدر رقیق است که نیروی پسای آیرودینامیکی در مقیاس سال‌ها و سده‌ها ناچیز می‌ماند؛ بنابراین ماهواره‌های رهاشده در این ارتفاع بدون اقدام deliberate دهه‌ها یا سده‌ها در مدار می‌مانند و به‌صورت زباله فضایی درمی‌آیند. هر قطعه در مدار، در صورت برخورد با ماهواره فعال، به دلیل سرعت نسبی چند کیلومتر بر ثانیه می‌تواند فاجعه‌بار باشد و زنجیره‌ای از قطعات تازه بسازد؛ همان سناریویی که به نام سندرم کسler (Kessler syndrome) شناخته می‌شود.

به همین دلیل، در سال ۲۰۲۱ شرکت اسکاتلندی اسکای‌رورا (Skyrora) اعلام کرد قصد دارد پراسپرو را در مدار بیابد، به آن متصل شود و آن را به‌گونه‌ای هدایت کند که در جو زمین بسوزد. چنین مأموریتی از نظر فنی دشوار است: باید یک ماهواره مرده و بدون سیگنال را که ممکن است آرام آرام بچرخد، با دقت ردیابی و نزدیک‌شدن کنترل‌شده شکار کرد. مسئولان این شرکت تأکید کردند که بازیابی پراسپرو، هم بیانگر پذیرش مسئولیت کشوری است که آن را به فضا فرستاده و هم گامی در جهت استفاده پایدار از فضای بیرونی.

چرا این داستان امروز هم درس دارد

ماجرای پراسپرو سه درس روشن برای دانشجویان و علاقه‌مندان علم دارد. نخست، اینکه توانایی پرتاب و توانایی ساخت ماهواره دو مهارت جداگانه‌اند؛ کشوری می‌تواند ماهواره بسازد و دهه‌ها به پرتابگر دیگران وابسته بماند. دوم، اینکه در مهندسی فضایی، افزونگی و طراحی مقاوم در برابر خرابی، تعیین‌کننده است؛ یک برخورد کوچک با یک آنتن، مأموریت را نابود نکرد، چون چهار آنتن طراحی شده بود. و سوم، اینکه هر پرتاب یک مسئولیت بلندمدت ایجاد می‌کند: ماهواره‌ای که در ۱۹۷۱ برای دو سال کار طراحی شد، بیش از نیم قرن بعد هنوز در آسمان است و اکنون موضوع بحثی جهانی درباره پایداری فضای نزدیک زمین شده است.