آزمون ایستای استارشیپ و گام بلند به سوی پرواز پانزدهم

آزمون ایستا؛ تمرین کامل پیش از پرواز

در روزهای پایانی اکتبر، اسپیس‌اکس دو آزمون ایستا (static fire) روی مرحله بالایی استارشیپ انجام داد. در این آزمون‌ها، وسیله‌پرنده محکم به سکوی زمینی بسته می‌شود و موتورها روشن می‌شوند، اما هیچ نیروی رانشی برای برخاستن وجود ندارد. مرحله بالایی که در این مأموریت «Ship 42» نام دارد، نخست یک احتراق کامل و تمام‌مدت با شش موتور رپتور (Raptor) را تجربه کرد و سپس یک موتور منفرد را برای شبیه‌سازی احتراق خروج از مدار (deorbit burn) روشن کرد.

این دو آزمون در واقع دو سناریوی متفاوت از یک پرواز واقعی را بازسازی می‌کنند. احتراق شش‌موتوره همان لحظه‌ای است که مرحله بالایی پس از جدایی از تقویت‌کننده، باید نیروی رانش کافی برای رسیدن به سرعت مداری تولید کند. احتراق تک‌موتوره اما صحنه‌ای است که فضاپیما در پایان مأموریت، در ارتفاع صدها کیلومتری، باید با یک مانور کوتاه سرعت خود را کاهش دهد تا مدار را به سمت جو زمین ترک کند. اگر این مانور درست اجرا نشود، فضاپیما یا در مدار گرفتار می‌شود یا با زاویه‌ای نادرست وارد جو می‌شود.

پیش از این نیز تقویت‌کننده مرحله اول، «Booster 22»، آزمون ایستای ۳۳ موتوره خود را با موفقیت پشت سر گذاشته بود. مجموع این آزمون‌ها نشان می‌دهد که هر دو مرحله از نظر سازه، سامانه‌های پیشران و کنترل، آماده پرتاب پانزدهم هستند.

موتور رپتور و منطق چرخه احتراق

برای درک اهمیت این آزمون‌ها باید کمی به درون موتور رپتور نگاه کرد. رپتور یک موتور با چرخه احتراق مرحله‌ای تمام‌جریان (full-flow staged combustion) است؛ طراحی‌ای که در آن هر دو سوخت یعنی متان مایع و اکسیژن مایع، پیش از ورود به محفظه احتراق، به‌طور کامل به حالت گاز تبدیل می‌شوند. این کار فشار و دمای احتراق را بالا می‌برد و بازده موتور را افزایش می‌دهد.

یک تشبیه ساده می‌تواند کمک کند: تصور کنید به‌جای پاشیدن قطرات بنزین در هوا، ابتدا آن را به بخار تبدیل کنید و سپس بسوزانید. شعله یکنواخت‌تر، داغ‌تر و کامل‌تر خواهد بود. رپتور همین کار را با متان و اکسیژن انجام می‌دهد و در برابر، چالش‌های مهندسی سنگینی مانند تحمل فشار و دمای بسیار بالا در توربوپمپ‌ها را بر دوش مهندسان می‌گذارد.

انتخاب متان به‌جای نفت سفید نیز تصادفی نیست. متان تمیزتر می‌سوزد، رسوب کربنی کمتری بر جای می‌گذارد و همین موضوع برای موتوری که قرار است ده‌ها بار پرواز کند، حیاتی است. در موتورهای سوخت هیدروکربنی سنگین‌تر، رسوب‌های دوده می‌توانند مجاری خنک‌کاری را مسدود کنند و بازسازی موتور را پرهزینه سازند.

نکته مهم دیگر، تعداد موتورها است. روشن کردن هم‌زمان ۳۳ موتور در یک تقویت‌کننده، فقط یک نمایش قدرت نیست؛ آزمونی برای سامانه‌های توزیع سوخت، کنترل نوسانات و پایداری سازه در برابر لرزش‌های ناشی از امواج صوتی است. اگر حتی یکی از موتورها با تأخیر چند میلی‌ثانیه‌ای روشن شود، بارهای نامتقارن می‌توانند به سازه آسیب بزنند.

بازوهای «چاپ‌استیک» و معنای واقعی بازگشت‌پذیری

هسته اصلی فلسفه استارشیپ، بازگشت‌پذیری کامل است. برخلاف موشک‌های فالکون ۹ که مرحله بالایی آن‌ها یک‌بارمصرف است، هر دو مرحله استارشیپ برای فرود و استفاده دوباره طراحی شده‌اند. بازیابی تقویت‌کننده با بازوهای برج پرتاب، که به «چاپ‌استیک» (chopstick) شهرت یافته‌اند، انجام می‌شود: برج، تقویت‌کننده را در هوا می‌گیرد و بدون نیاز به پایه فرود سنگین، آن را روی سکو قرار می‌دهد.

این روش، جرم سازه‌ای را کاهش می‌دهد، زیرا تقویت‌کننده نیازی به پایه‌های فرود و مخازن اضافی ندارد. اسپیس‌اکس تاکنون سه بار تقویت‌کننده را با موفقیت گرفته است، اما گرفتن مرحله بالایی با همان بازوها تجربه‌ای تازه و دشوارتر است؛ مرحله بالایی سبک‌تر است، شکل آیرودینامیکی متفاوتی دارد و باید با دقت بسیار بالا در میان بازوها جای بگیرد.

چرا این موضوع اهمیت دارد؟ چون هزینه پرتاب تنها زمانی به‌طور جدی کاهش می‌یابد که بازگرداندن و آماده‌سازی مجدد وسیله‌پرنده، سریع و ارزان باشد. اگر بازسازی هر پرواز ماه‌ها طول بکشد، بازگشت‌پذیری صرفه اقتصادی خود را از دست می‌دهد. هدف نهایی، فاصله گرفتن از الگوی «ساخت، پرتاب، دور انداختن» و رسیدن به الگویی شبیه به هوانوردی تجاری است.

از پرواز چهاردهم تا چشم‌انداز آینده

پرواز چهاردهم که در اواخر سپتامبر انجام شد، نخستین رسیدن استارشیپ به مدار کامل بود؛ دستاوردی که پیش از آن هرگز محقق نشده بود. در همان مأموریت، مرحله بالایی ۲۶ ماهواره نسل جدید استارلینک را در مدار آزاد کرد. این ماهواره‌ها بخشی از طرحی هستند که در نهایت به شبکه‌ای بسیار بزرگ از ماهواره‌های مخابراتی در مدار پایین زمین تبدیل خواهد شد.

اهمیت علمی این تحول فراتر از یک شرکت خصوصی است. رسیدن به مدار با یک سامانه کاملاً بازگشت‌پذیر، هزینه دسترسی به فضا را تغییر می‌دهد و این تغییر، درهای تازه‌ای برای پژوهش‌های علمی باز می‌کند: از آزمایش‌های زیست‌شناسی در ریزگرانش تا ساخت تلسکوپ‌های بزرگ‌تر و پرتاب کاوشگرهای سیاره‌ای با بودجه کمتر.

با این حال، چند نکته را نباید از نظر دور داشت. نخست، آزمون ایستا هرچند بسیار گویاست، اما معادل پرواز واقعی نیست؛ در پرواز، موتورها تحت بارهای آیرودینامیکی، کاهش فشار خارجی و ارتعاشات پیچیده‌ای قرار می‌گیرند که در سکو شبیه‌سازی کامل آن‌ها دشوار است. دوم، گرفتن هم‌زمان دو مرحله نیازمند تأییدیه‌های ایمنی و مقرراتی است و خود یک ریسک مهندسی محسوب می‌شود. سوم، هر پرتاب آزمایشی داده‌هایی تولید می‌کند که ممکن است برنامه را تغییر دهد؛ همان‌گونه که در پروازهای پیشین رخ داد.

اگر همه‌چیز طبق برنامه پیش برود، پرواز پانزدهم می‌تواند نقطه‌عطفی در تاریخ مهندسی فضایی باشد: نخستین باری که هر دو مرحله یک موشک غول‌پیکر به‌طور هم‌زمان به زمین بازمی‌گردند و برای پرواز بعدی آماده می‌شوند. این همان گامی است که راه را برای مأموریت‌های بلندمدت به ماه و مریخ هموار می‌کند؛ جایی که دسترسی مکرر و کم‌هزینه به مدار، پیش‌شرط هر برنامه اکتشافی جدی است.