مهندسی بی‌نهایت: فالکون هوی، تحقق یک رؤیا

یکی از پیش‌نیازهای اصلی برای رسیدن به چنین اهدافی در فضا، در اختیار داشتن راکت‌های قدرتمندی است که بتوانند محموله‌های سنگین را به اعماق فضا ارسال کنند. از زمان بازنشسته شدن موشک افسانه‌ای ساترن ۵ که وظایف مهمی از جمله ارسال فضاپیماهای آپولو و ایستگاه فضایی اسکای‌لب (Skylab) را بر عهده داشت، وظیفه‌ی ارسال محموله‌های فضایی برعهده‌ی راکت‌هایی بوده است که ظرفیت حمل به‌مراتب کمتری دارند. برای مثال می‌توان به راکت‌هایی همچون پروتون-ام، دلتا ۴ و آریان ۵ اشاره کرد.

روز سه‌شنبه هفدهم بهمن ۱۳۹۶ (ششم فوریه‌ی ۲۰‍۱۸) اسپیس‌ایکس راکت جدیدی با نام فالکون هوی را با موفقیت به فضا پرتاب کرد. این راکت در خانواده‌ی راکت‌های فوق‌ سنگین (Super Heavy-Lift) قرار می‌گیرد و توان حمل محموله‌ای ۶۳.۸ تنی به مدار نزدیک زمین (Low Earth Orbit) و محموله‌ای ۱۶.۸ تنی به مریخ را دارا است. با وجود چنین راکت قدرتمندی، بیش از گذشته می‌توان امیدوار بود تا رؤیاهایی همچون سفرهای سرنشین دار به مریخ و بازگشت به ماه به حقیقت تبدیل شود. در این مقاله از سری مقالات مهندسی بی‌نهایت با زومیت همراه باشید تا بیشتر با این راکت آشنا شویم.

از ایده تا واقعیت

اسپیس‌ایکس در سال ۲۰۰۲ توسط ایلان ماسک تأسیس شد. پس از توسعه‌ی موفقیت‌‌آمیز راکت فالکون ‍۱، این شرکت موفق شد با دریافت بودجه از ناسا، فضاپیمای دراگون را توسعه دهد. توسعه‌ی دراگون و موشک فالکون ۹ باعث شد اسپیس‌ایکس به‌عنوان اولین شرکت غیر دولتی که توانسته است محموله‌ای را به ایستگاه فضایی بین‌المللی ارسال کند شناخته شود.

فالکون ۹ که یک راکت متوسط (Medium-Lift) است، اولین بار در سال ۲۰۱۰ رهسپار فضا شد؛ اما اسپیس‌ایکس از سال ۲۰۰۴ در اندیشه‌ی توسعه‌ی راکت قدرتمندتری بود که در دسته‌ی راکت‌های سنگین (دارای توانایی حمل ۲۰ تا ۵۰ تن به مدار نزدیک زمین) یا فوق‌ سنگین (دارای توانایی حمل بیش از ۵۰ تن به مدار نزدیک زمین) جای گیرد. این شرکت در سال ۲۰۱۱ از برنامه‌ی توسعه‌ی راکت فالکون هوی پرده‌برداری کرد و در آن زمان پیش‌بینی می‌شد اولین پرواز آزمایشی در سال ۲۰۱۳ به انجام برسد.

فالکون ۹

در سال ۲۰۱۳ آزمایش‌های اولیه‌ی این راکت در تأسیسات اسپیس‌ایکس در تکزاس در حال انجام بودند که از آن جمله‌ می‌توان به آزمایش هسته‌های سه‌گانه و ۲۷ موتور مورد استفاده در این سه هسته اشاره کرد. یکی از موارد رایج در برنامه‌های فضایی، رخ دادن اتفاقات غیر منتظره و عقب‌ ماندن از برنامه‌ی زمانی پیش‌بینی‌شده است. دو پرتاب ناموفق راکت فالکون ۹ در سال‌های ۲۰۱۵ و ۲۰۱۶ باعث شد پروازهای بعدی فالکون ۹ تا زمان رفع مشکل لغو شود و همین مسئله موجب ایجاد تأخیر در طراحی فالکون هوی شد.

اولین آزمایش‌های احتراق استاتیک نمونه‌ی پروازی در ماه می سال ۲۰۱۷ به انجام رسیدند. در جولای همین سال ماسک اذعان کرد که طراحی و توسعه‌ی این راکت از آن‌چه در ابتدا فکر می‌کرد چالش‌برانگیزتر بوده است؛ از جمله این‌که آزمودن برخی از اجزای این راکت بدون انجام آزمون‌های پروازی عملا غیر ممکن است. همچنین اتصال سه موشک فالکون ۹ به یکدیگر و ترکیب آن‌ها جهت ایجاد مرحله‌ی اول این راکت سخت‌تر از تصورات اولیه‌ی متخصصات اسپیس‌ایکس بود؛ باید به این مسئله تجربه‌ی محدود اسپیس‌ایکس در زمینه‌ی طراحی راکت‌ها و به‌ویژه راکت‌های سنگین را نیز اضافه کرد. لازم به ذکر است که طراحی این راکت تماما توسط سرمایه‌ی خصوصی ۵۰۰ میلیون دلاری انجام شده و اسپیس‌ایکس هیچ کمک مالی دولتی جهت طراحی این راکت دریافت نکرده است.

انفجار فالکون ۹ روی سکوی پرتاب در سال ۲۰۱۶

طراحی فالکون هوی

جدیدترین راکت اسپیس‌ایکس به‌گونه‌ای طراحی شده است که واجد شرایط لازم برای انجام پروازهای سرنشین‌دار باشد. همچنین حاشیه‌ی امنیتی رعایت‌شده برای پارامترهای مختلف این راکت ۴۰ درصد و فراتر از حاشیه‌ی امنیتی ۲۵ درصدی است که برای دیگر راکت‌ها در نظر گرفته می‌شود. طراحان فالکون هوی از ابتدا در اندیشه‌ی استفاده از این راکت برای تحقق بخشیدن به رؤیای بشر برای بازگشت به ماه و سفر به مریخ بوده‌اند.

مرحله‌ی اول راکت

همان‌طور که گفته شد، مرحله‌ی اول فالکون هوی از سه مرحله‌ی اول فالکون ۹ تشکیل شده است که به‌عنوان هسته‌ی مرکزی و بوسترهای جانبی شناخته می‌شوند؛ این طراحی مشابه طراحی پیشنهادی راکت‌های Atlas V Heavy و Angara A3 است. هرکدام از این سه قسمت به ۹ موتور Merlin 1D مجهز هستند که باعث می‌شود مجموع موتورهای مرحله‌ی اول این راکت به ۲۷ عدد برسد. نیروی پیش‌رانش ایجادشده توسط این موتور به ۲۲,۸۱۹ کیلونیوتون می‌رسد که معادل نیروی پیش‌رانش ایجادشده توسط ۱۸ هواپیمای بوئینگ ۷۴۷ است.

در زمان پرتاب موشک، موتورهای هسته‌ی مرکزی و بوسترهای جانبی از حداکثر قدرت خود استفاده می‌کنند؛ اما مدت کوتاهی پس از پرتاب، قدرت هسته‌ی مرکزی کاهش می‌یابد و پس از جدا شدن بوسترها قدرت پیش‌رانش هسته‌ی مرکزی مجددا به حداکثر می‌رسد. استفاده از ۲۷ موتور به طراحان این راکت این امکان را داده است تا ویژگی موسوم به Engine-out را برای فالکون هوی در نظر بگیرند. به‌لطف این ویژگی، در بیشتر مواقع، حتی با وجود از کار افتادن تعدادی از این موتورها، این راکت همچنان خواهد توانست مأموریت خود را با موفقیت به انجام برساند.

مرحله‌ی دوم راکت

مرحله‌ی دوم فالکون هوی از گونه‌ای تغییریافته از موتور مرلین با خروجی (نازل) بلند‌تر استفاده می‌کند که برای استفاده در خلأ تغییر یافته است. جداسازی مرحله‌ی دوم موشک از مرحله‌ی اول توسط فشنگی‌هایی با قابلیت استفاده‌ی مجدد و سیستم جداکننده‌ی پنوماتیک (فشار گازی) صورت می‌گیرد. موتور مرحله‌ی دوم پس از جداشدن مرحله‌ی اول راکت فعالیت خود را شروع می‌کند تا محموله‌ را به مدار مورد نظر برساند. یکی از ویژگی‌های این موتور این است که به لطف فعال‌کننده‌های پایروفوریک، در صورت خاموش شدن می‌تواند مجددا روشن شود.

در طراحی مرحله‌ی دوم فالکون هوی نیز حتی‌الامکان از طراحی فالکون ۹ کمک گرفته شده است تا فرایند طراحی موشک سریع‌تر صورت گیرد. همچنین، اشتراکاتی بین مرحله‌ی اول و دوم موشک وجود دارد؛ برای مثال، مخزن سوخت مرحله‌ی دوم در عمل نوعی کوتاه‌شده از مخزن سوخت مرحله‌ی اول است. این کار باعث می‌شود تا بتوان از ابزارها، مواد و تکنیک‌های واحدی برای تولید قطعات مختلف راکت استفاده کرد؛ چنین کاری موجب ساده‌سازی و تسریع روند تولید راکت خواهد شد.

در ادامه برخی از مشخصات فالکن هوی به اختصار ذکر شده‌اند.

نخستین پرواز

هدف از اولین پرواز فالکون هوی، اثبات توانایی‌های این راکت برای پرواز به فضا و بررسی اشکالات احتمالی بود. به همین دلیل، این راکت در اولین پرواز خود به‌جای حمل محموله‌ای گران‌قیمت (برای مثال، یک ماهواره‌ی مخابراتی یا یک ماهواره‌ی پایش از دور)، رودستر تسلای ایلان ماسک و مانکنی موسوم به Star Man را که به یک لباس فضایی جدید مجهز بود با خود حمل می‌کرد.

رودستر تسلا

سرانجام روز سه‌شنبه هفدهم بهمن ۱۳۹۶ (۶ فوریه‌ی ۲۰۱۸)، پس از تأخیری دوساعته، با غرش هم‌زمان ۲۷ موتور مرلین وان دی (Merlin 1D)، فالکون هوی در مقابل چشمان قریب به صد هزار تماشاگر از سکوی پرتاب جدا شد تا برگی نو در تاریخ پیشرفت‌های فضایی بشر رقم بزند.

پس از پرتاب بوسترهای جانبی فالکون هوی با موفقیت به زمین بازگشتند و روی مکان‌های تعیین‌شده فرود آمدند؛ اما در جریان بازگشت هسته‌ی مرکزی مشکلی ایجاد شد و موتورهای آن نتوانستند به‌درستی فعال شوند؛ به‌همین دلیل این بخش از راکت به‌جای فرود روی سکوی شناور، با سرعت ۴۸۰ کیلومتر بر ساعت با سطح آب برخورد کرد. محموله‌ی اصلی راکت که همان رودستر ایلان ماسک بود، با اختلاف جزئی در نقطه‌ی اوج موفق نشد به مدار خورشید مرکزی وارد شود و به‌جای رفتن به مدار مریخ، راهی کمربند سیارک‌ها شد. به استثنای این مشکلات، نخستین پرواز فالکون هوی را می‌توان کاملا موفقیت‌آمیز توصیف کرد.

ویژگی‌های فالکون هوی

فالکون هوی از ویژگی‌های خاص متعددی برخوردار است؛ اما شاید اصلی‌ترین ویژگی آن توانایی حمل محموله‌های ۶۳.۸ تنی به مدار نزدیک زمین باشد؛ این عدد بیش از دو برابر حداکثر وزن محموله‌ی راکت دلتا ۴ برای همین مدار است که به ۲۸.۸ تن محدود می‌شود. برای درک بهتر، باید بگوییم که وزن محموله‌ی فالکون هوی بیشتر از وزن یک هواپیمای مسافربری بوئینگ ۷۳۷ با خدمه، مسافر، بار و سوخت است.

یکی دیگر از ویژگی‌های بارز فالکون هوی، امکان استفاده‌ی مجدد از مرحله‌ی اول راکت است؛ این ویژگی نیز مانند بسیاری دیگر از بخش‌های فالکون هوی از فالکون ۹ به ارث رسیده است. برای درک اهمیت این ویژگی، جالب است بدانیم که پروازهای فالکون هوی با توانایی بازگشت به زمین هزینه‌ای ۹۰ میلیون دلاری خواهند داشت؛ درحالی‌که هزینه‌ی ارسال محموله با فالکون هوی بدون بازگشت بوسترها و هسته‌ی مرکزی به زمین ۱۵۰ میلیون دلار است.

در زمان تقرب بوسترها و هسته‌ی مرکزی به سطح زمین، پایه‌های فرود فعال می‌شوند تا امکان نشستن آن‌ها روی زمین فراهم شود. این پایه‌ها از فیبر کربن و آلومینیوم با ساختار لانه‌زنبوری ساخته شده‌اند و در زمان پرتاب روی بدنه جمع می‌شوند تا تأثیر آیرودینامیک آن‌ها روی راکت به حداقل برسد. از موتور نصب‌شده در مرکز بوسترها و هسته‌ی جانبی نیز برای کنترل فرود کمک گرفته می‌شود. در حال حاضر اسپیس‌ایکس روی بازگشت مرحله‌ی دوم موشک تمرکز چندانی نکرده؛ اما برخی بررسی‌ها را در این زمینه انجام داده است.

پایه‌های فرود فالکون ۹

علاوه بر این دو ویژگی، در زمان طراحی فالکون هوی، اسپیس‌ایکس در نظر داشت امکانی موسوم به «تغذیه‌ی مشترک سوخت» را نیز به مرحله‌ای اول این راکت اضافه کند. به کمک این ویژگی، در زمان پرتاب راکت، سوخت هسته‌ی مرکزی از مخازن سوخت بوسترهای جانبی دریافت می‌شد و پس از اتمام سوخت بوسترهای‌ جانبی و جدایی این بوسترها از هسته‌ی مرکزی، این هسته می‌توانست از سوخت موجود در مخزن اصلی خود استفاده کند. در صورت عملی شدن این ویژگی، امکان جداسازی سریع‌تر بوسترهای جانبی وجود داشت و همچنین پس از جدا شدن بوسترها، هسته‌ی مرکزی می‌توانست برای مدت طولانی‌تری فعال باشد. اما در سال ۲۰۱۶ ایلان ماسک اعلام کرد که اسپیس‌ایکس ایده‌ی تغذیه‌ی مشترک سوخت را کنار گذاشته و به کاهش قدرت هسته‌ی مرکزی پس از پرتاب بسنده کرده است.

مقایسه با دیگر راکت‌ها

در این بخش فالکون هوی را با برخی از راکت‌های فضایی دیگر که در خانواده‌ی راکت‌های سنگین و فوق سنگین قرار می‌گیرند مقایسه می‌کنیم. برای شروع، بهتر است به سراغ راکت افسانه‌ای ساترن ۵ برویم. ساترن ۵ هنوز هم عنوان قوی‌ترین راکت فضایی تاریخ را یدک می‌کشد؛ فرود انسان روی فضا مدیون این راکت است که می‌تواند محموله‌های ۱۱۸ تنی را به مدار نزدیک زمین برساند. شایان ذکر است که این راکت در سال ۱۹۷۳ بازنشسته شد.

راکت ساترن ۵

یکی دیگر از راکت‌هایی که توان حمل محموله‌ای بیش از فالکون هوی داشت، راکت روسی انرگیا است که از توان حمل محموله‌های ۱۰۰ تنی در مدار نزدیک زمین برخوردار بود. این راکت برای سفر به ماه و پرتاب فضاپیمای بوران (فضاپیمایی مشابه مدارگرد شاتل) طراحی شد. لازم به ذکر است که کار روی این راکت در سال ۱۹۸۸ پس از انجام دو پرواز آزمایشی متوقف شد.

اما اگر بخواهیم از گذشته بگذریم و نگاهی به آینده داشته باشیم، نمی‌توانیم از «سیستم پرتاب فضایی» ناسا (Space Launch System) چشم‌پوشی کنیم. این راکت عظیم‌الجثه که تحت رهبری ناسا و به‌طور مشترک توسط بوئینگ، ULA، اربیتال ATK و آئروجت طراحی و تولید می‌شود، قرار است اولین پرواز خود را در سال ۲۰۱۹ تجربه کند. این راکت توانایی حمل محموله‌های ۷۰ تا ۱۳۰ تنی خواهد داشت و از این نظر بالاتر از فالکون هوی و حتی ساترن ۵ قرار می‌گیرد. یکی از اهداف ناسا از طراحی و تولید این راکت، انجام پروازهای سرنشین‌دار است.

سیستم پرتاب فضایی

در جدول زیر می‌توانید مشخصات فالکون هوی را با چندین راکت سنگین و فوق سنگین دیگر مقایسه کنید.

هزینه‌های پرتاب

طبق پیش‌بینی ایلان ماسک در سال ۲۰۱۱، با وجود فالکن هوی (در کنار راکت فالکون ۹) امکان دست‌یابی به هزینه‌ی ۱۱۰۰ دلار به‌ازای هرکیلوگرم محموله وجود دارد. بر اساس مطالعات انجام‌شده در سال ۲۰۰۰، ارزان‌ترین راه برای ارسال محموله‌های فضایی استفاده از راکت روسی-اوکراینی زنیت است که در خانواده‌ی راکت‌های متوسط (دارای توان حمل ۲ تا ۲۰ تن به مدار نزدیک زمین) قرار می‌گیرد. (قیمت هر پرتاب راکت زنیت ۲ در حدود ۴۵ میلیون دلار است). اما هزینه‌ی پیش‌بینی شده توسط ایلان ماسک در سال ۲۰۱۱ حتی ۳۵ درصد از هزینه‌ی ارسال محموله با راکت زنیت نیز ارزان‌تر است.

راکت زنیت

لازم به ذکر است که اسپیس‌ایکس حتی در سال ۲۰۱۳ نیز توانست عنوان ارزان‌ترین ارائه‌کننده‌ی خدمات ارسال محموله به فضا را با راکت فالکون ۹ به‌ دست آورد. نباید فراموش کنیم که اکنون به لطف دست‌یابی به توانایی استفاده‌ی مجدد از بوستر مرحله‌ی اول، این هزینه بیش از پیش کاهش یافته است.

در حال حاضر هزینه‌ی ارسال محموله با گونه‌ی قابل بازیابی فالکون هوی ۹۰ میلیون دلار اعلام شده است و در گونه‌ی غیر قابل بازیابی (با امکان حمل محموله‌های سنگین‌تر)، این مبلغ به ۱۵۰ دلار افزایش می‌یابد. این مبلغ در مقایسه با رقبای فعلی فالکون هوی بسیار ارزان است، برای مثال هزینه‌ی هر پرتاب راکت دلتا ۴ بین ۳۵۰ تا ۴۰۰ میلیون دلار است. توانایی اسپیس‌ایکس در کاهش هزینه‌های ارسال محموله به فضا در چنین مقیاس قابل توجهی، یکی از نقاط قوت این شرکت در مقایسه با رقبا است.

مأموریت‌های آینده‌ی فالکون هوی

در حال حاضر قرار است سه مأموریت دیگر بر عهده‌ی جدیدترین راکت اسپیس‌ایکس باشد. یکی از آن‌ها مأموریتی موسوم به «برنامه‌ی آزمایش فضایی ۲» یا STP-2 است که از سوی وزارت دفاع آمریکا به اسپیس‌ایکس واگذار شده است. برنامه‌ریزی اولیه‌ی این مأموریت به سال ۲۰۱۲ بازمی‌گردد و قرار بود این مأموریت در ماه مارس ۲۰۱۷ به انجام برسد؛ اما با تأخیرهای به‌وجودآمده در توسعه‌ی فالکون هوی، حال قرار است این مأموریت در ماه ژوئن سال ۲۰۱۸ انجام شود. محموله‌ی وزارت دفاع برای این مأموریت شامل ۲۵ ماهواره‌ی کوچک، نوعی سوخت آزمایشی غیر سمی، یک ساعت مینیاتوری اتمی و چند مورد دیگر است. ارسال ماهواره‌ی Arabsat-6A نیز برای سال ۲۰۱۸ برنامه‌ریزی شده و در سال ۲۰۲۰ قرار است ماهواره‌ی ViaSat-3 به فضا ارسال شود.

سخن آخر

فالکون هوی نشان‌دهنده‌ی جاه‌طلبی‌های ایلان ماسک و اسپیس‌ در دنیای کاوش‌های فضایی است. موفقیت اسپیس‌ایکس در توسعه‌ی فالکون هوی و راکت‌های پیشین این شرکت، مهر تأییدی بر توانایی‌های شرکت‌های خصوصی در ترسیم آینده‌ای جذاب‌تر در حوزه‌ی کاوش‌های فضایی است؛‌ کاوش‌هایی که در گذشته بیش از هر چیز به تصمیم‌گیری‌های سازمان‌های فضایی دولتی وابسته بودند.

مقایسه‌ی BFR با دیگر راکت‌های اسپیس‌ایکس

دو ابزاری که به اسپیس‌ایکس در مسیر موفقیت‌اش کمک کرده‌اند،‌ ارائه‌ی قیمت‌های رقابتی و استفاده‌ از فناوری‌های مدرن برای کاهش هزینه‌ها و افزایش کارایی راکت‌ها هستند. ایده‌هایی همچون بازیابی بوسترها و به‌کارگیری مجموعه‌ای از ده‌ها موتور که در زمان طراحی مجموعه‌هایی همچون شاتل‌های فضایی، انرگیا و راکت N1 اغلب روی کاغذ می‌ماندند، به‌طور کامل اجرایی نمی‌شدند یا با شکست مواجه می‌شدند، توسط اسپیس‌ایکس با جدیت دنبال می‌شوند و اکنون شاهد نتیجه بخش بودن این ایده‌ها هستیم. درسی که می‌توان از تلاش‌ها و موفقیت‌های ماسک و اسپیس‌ایکس گرفت این است که باید به ایده‌های جاه‌طلبانه با جدیت بیشتری نگاه کرد.