بازگشت نخستین فضاپیمای استارشیپ پس از بقا در بازگشت جوی

بازگشت یک فضاپیما برای نخستین‌بار به محل پرتاب فضاپیمای Ship 40 از سامانه استارشیپ شرکت اسپیس‌ایکس، پس از انجام یک پرواز فضایی و تحمل یکی از دشوارترین مراحل مأموریت، یعنی بازگشت از جو (Atmospheric Reentry)، سرانجام به پایگاه استاربیس در جنوب تگزاس بازگشته است.

اهمیت این رویداد فقط در جابه‌جایی یک سازه عظیم از اقیانوس به یک آشیانه نیست؛ بلکه مهندسان اکنون می‌توانند برای نخستین‌بار یک مرحله بالایی استارشیپ را که واقعاً در فضا پرواز کرده و دوباره وارد جو شده است، از نزدیک و به‌صورت کامل بررسی کنند. Ship 40 در ۲۴ ژوئیه بر فراز تقویت‌کننده سوپر هوی (Super Heavy) در سیزدهمین پرواز آزمایشی استارشیپ به فضا رفت. این مأموریت یک پرواز زیرمداری بود و فضاپیما در پایان مسیر خود به‌صورت کنترل‌شده در اقیانوس هند فرود آمد. نکته غیرمنتظره این بود که برخلاف چند نمونه قبلی، فضاپیما پس از برخورد با آب واژگون و متلاشی نشد و بخش عمده سازه آن همچنان سالم و شناور باقی ماند. همین اتفاق امکان یک عملیات بازیابی بسیار دشوار را فراهم کرد. Ship 40 با ارتفاع حدود ۵۲ متر در شرایط نامساعد دریایی حدود ۲۴ روز یدک کشیده شد تا به آب‌های آرام‌تر اطراف جزیره کریسمس استرالیا برسد. مهندسان در آنجا بازرسی اولیه را انجام دادند و نمونه‌هایی از سپر حرارتی بخش زیرین فضاپیما برداشتند. سپس فضاپیما برای مسیر طولانی دریایی به یک کشتی حمل‌ونقل نیمه‌غوطه‌ور عظیم منتقل شد و سرانجام در بندر براونزویل تگزاس تخلیه و به استاربیس منتقل شد.

چرا بازگشت جوی برای فضاپیما دشوار است؟

یکی از مهم‌ترین چالش‌های هر وسیله فضایی قابل استفاده مجدد، بازگشت جوی است. فضاپیما هنگام ورود دوباره به جو با سرعت بسیار زیاد حرکت می‌کند. فشرده‌شدن شدید هوا در مقابل فضاپیما و برهم‌کنش جریان هوا با سطح آن موجب ایجاد دماهای بسیار بالا می‌شود. بنابراین، فضاپیما باید هم از نظر سازه‌ای استحکام کافی داشته باشد و هم بتواند انرژی حرارتی عظیمی را مدیریت کند. در استارشیپ، این وظیفه عمدتاً بر عهده سپر حرارتی (Heat Shield) است. سپر حرارتی مانند یک لایه محافظ عمل می‌کند که اجازه نمی‌دهد بخش عمده گرمای ناشی از بازگشت جوی به سازه داخلی منتقل شود. اگر حتی بخش کوچکی از این سامانه عملکرد مناسبی نداشته باشد، دمای بالا می‌تواند به بدنه، مخازن سوخت، موتور یا تجهیزات الکترونیکی آسیب برساند. اهمیت Ship 40 در اینجا مشخص می‌شود. مهندسان اکنون به سخت‌افزاری دسترسی دارند که یک چرخه واقعی پرتاب، پرواز فضایی و بازگشت جوی را پشت سر گذاشته است. آزمایش یک قطعه در آزمایشگاه بسیار ارزشمند است، اما شرایط واقعی پرواز مجموعه‌ای از نیروها، ارتعاشات، گرمایش و فشارهای آیرودینامیکی را ایجاد می‌کند که بازسازی کامل آنها روی زمین دشوار است. به بیان ساده، اگر آزمایش زمینی مانند آزمودن یک خودرو روی دستگاه‌های آزمایش باشد، Ship 40 خودرویی است که واقعاً یک سفر سخت را طی کرده و اکنون می‌توان تمام بخش‌های آن را برای یافتن آثار این سفر بررسی کرد.

چه چیزهایی قرار است بررسی شود؟

اسپیس‌ایکس اعلام کرده است که بازگشت Ship 40 امکان جمع‌آوری داده‌های منحصربه‌فردی درباره سپر حرارتی، موتورهای راپتور (Raptor)، سامانه‌های اویونیک (Avionics) و دیگر بخش‌های فضاپیما را فراهم می‌کند. در مورد سپر حرارتی، مهندسان می‌توانند تغییرات سطحی، آثار گرمایش و میزان فرسایش مواد را بررسی کنند. چنین اطلاعاتی برای تعیین این موضوع اهمیت دارد که آیا مواد و طراحی کنونی می‌توانند چندین بار چرخه پرتاب و بازگشت را تحمل کنند یا خیر. موتورهای راپتور نیز بخش مهم دیگری هستند. این موتورهای موشکی باید هنگام پرتاب نیروی رانش بسیار زیادی تولید کنند و در مراحل مشخصی از مأموریت دوباره روشن شوند. بررسی موتور پس از پرواز می‌تواند نشان دهد که اجزای آن در شرایط واقعی چه میزان تنش حرارتی و مکانیکی را تحمل کرده‌اند. همچنین اویونیک، یعنی مجموعه سامانه‌های الکترونیکی مربوط به کنترل، ناوبری، ارتباطات و مدیریت پرواز، باید پس از تحمل ارتعاشات شدید و تغییرات دما بررسی شود. چنین بازرسی‌هایی به مهندسان کمک می‌کند میان مشکلات ناشی از طراحی، تولید یا شرایط پرواز تمایز قائل شوند.

چرا قابلیت استفاده مجدد اهمیت دارد؟

هزینه بالای پرتاب‌های فضایی تا حد زیادی به این دلیل است که بخش‌هایی از موشک پس از هر پرتاب از بین می‌روند یا دیگر قابل استفاده نیستند. در یک سامانه کاملاً قابل استفاده مجدد، هدف آن است که بخش‌های اصلی وسیله پس از فرود دوباره آماده پرواز شوند. می‌توان این مفهوم را با هواپیما مقایسه کرد. یک هواپیمای مسافربری پس از رسیدن به مقصد دور انداخته نمی‌شود؛ بلکه پس از بازرسی و تعمیرات لازم، دوباره به پرواز درمی‌آید. اگر یک موشک نیز بتواند چنین چرخه‌ای را با سرعت و هزینه مناسب انجام دهد، اقتصاد پرتاب فضایی می‌تواند تغییر چشمگیری کند. استارشیپ برای رسیدن به چنین هدفی باید هم سوپر هوی و هم مرحله بالایی خود را تا حد امکان بازیابی و دوباره استفاده کند. اسپیس‌ایکس پیش‌تر موفق شده است چند تقویت‌کننده سوپر هوی را با بازوهای مکانیکی برج پرتاب در استاربیس بگیرد. بااین‌حال، بازگرداندن مرحله بالایی استارشیپ به محل پرتاب با نیروی خود فضاپیما هنوز یک گام دشوارتر است.

از فرود اقیانوسی تا فرود در محل پرتاب Ship 40 هنوز نمونه‌ای از یک فرود کاملاً عملیاتی و قابل تکرار در محل پرتاب نیست؛ زیرا فضاپیما در مأموریت خود در اقیانوس فرود آمد و سپس با عملیات دریایی طولانی به تگزاس منتقل شد.

بااین‌حال، همین بازیابی فرصتی کم‌سابقه ایجاد کرده است. اسپیس‌ایکس می‌تواند اطلاعات حاصل از این فضاپیما را با داده‌های تله‌متری، نتایج آزمایش‌های زمینی و عملکرد نمونه‌های بعدی مقایسه کند. چنین مقایسه‌ای به مهندسان کمک می‌کند نقاط ضعف سامانه را پیش از تلاش برای بازیابی مستقیم مرحله بالایی شناسایی کنند. پرواز بعدی، یعنی Flight 15، می‌تواند گام مهم دیگری باشد. بر اساس برنامه اعلام‌شده، در صورت فراهم بودن شرایط ایمنی، احتمال دارد این مأموریت نخستین تلاش برای گرفتن مرحله بالایی استارشیپ با بازوهای موسوم به «چاپ‌استیک» برج پرتاب باشد. در این روش، هدف آن است که فضاپیما پس از بازگشت جوی به نزدیکی محل پرتاب بازگردد و به‌جای فرود معمول، توسط بازوهای عظیم برج گرفته شود.

یک آزمایش واقعی برای آینده پرواز فضایی اهمیت علمی Ship 40 در این است که یک «نمونه پروازی» واقعی در اختیار مهندسان قرار می‌دهد.

فضاپیما اکنون در آشیانه مگابی در کنار سه مرحله بالایی دیگر قرار گرفته است؛ اما تفاوت اساسی آن با نمونه‌های جدید این است که تاریخچه واقعی پرواز فضایی را با خود دارد. اگر بررسی‌های دقیق نشان دهد که بخش‌های اصلی فضاپیما پس از پرواز و بازگشت جوی وضعیت قابل قبولی دارند، این یافته می‌تواند از توسعه سامانه‌های قابل استفاده مجدد پشتیبانی کند. اگر هم آسیب‌ها یا نقاط ضعف مهمی آشکار شوند، ارزش این اطلاعات کمتر از یک موفقیت نخواهد بود؛ زیرا طراحی نسل‌های بعدی می‌تواند بر اساس همین تجربه اصلاح شود. در نهایت، مسیر استارشیپ به سوی پروازهای پرتعداد و اقتصادی تنها به ساخت موشکی بزرگ‌تر وابسته نیست. مسئله اصلی ایجاد سامانه‌ای است که بتواند پرتاب شود، به فضا برسد، از جو بازگردد، فرود بیاید، بازرسی شود و دوباره پرواز کند. بازگشت Ship 40 یکی از نخستین فرصت‌های واقعی برای مطالعه کامل چنین چرخه‌ای است و به همین دلیل، این فضاپیما می‌تواند نقشی مهم در شکل‌گیری نسل آینده وسایل پرتاب قابل استفاده مجدد داشته باشد.