هواپیماهای استراتوسفری؛ هوانوردی در مرز فضا

ژوئن ۲۰۲۲ است و ماشین پرنده‌ای که شبیه تلاقی میان جانوری باستانی و سفینه فضایی است، در آستانه برخاستن از زمین است. این ماشین پرنده که زفیر اس (Zephyr S) نام دارد، دارای بال‌های دوکی‌شکل به طول بال‌های هواپیمای مسافربری است. ویژگی‌های مذکور به همراه سر و بدن کوچک و نازک آن موجب می‌شود شبیه پتروداکتیل (نوعی خزنده باستانی بالدار) به‌نظر برسد. پنل‌های خورشیدی درخشان و اسکلت سبک به آن ظاهری مانند کاردستی می‌دهد.

به‌نوشته‌ی بی‌بی‌سی، برای بلند کردن زفیر پنج شش نفر باید همکاری کنند. وقتی زفیر آماده پرتاب است، آن‌ها درحالی‌که سفینه را بالای سرخود نگه داشته‌اند، در باند می‌دوند. دو ملخ کوچک هواپیما به شکل دیوانه‌وار حرکت می‌کنند تا درنهایت زفیر به آهستگی بالا برود و به آسمان بدون ابر یعنی به ارتفاع ۱۸۳۰۰ متری یا ۲۱۳۰۰ متری برسد.‌ صعود بی‌وقفه‌ی زفیر به استراتوسفر می‌تواند ۱۰ روز طول بکشد.

ماموریتی که زفیر اس برای ارتش ایالات متحده دارد مخفی است، اما بدیهی است در ذهن سازنده آن میل به شکستن چندین رکورد خصوصا رکورد طولانی‌ترین مدت پرواز هواپیماها وجود دارد که ۶۳ سال است شکسته نشده است. در سال ۱۹۵۹، دو مرد با هواپیمای کوچک سسنا به مدت ۶۴ روز و ۲۲ ساعت و ۱۹ دقیقه پرواز کردند و حین پرواز از یک کامیون سوخت‌گیری کردند.

کریس کلهر، پیشگام هوانوردی بریتانیا، اولین زفیر را در سال ۲۰۰۲ طراحی کرد. ایده او ساخت هواپیمای بدون سرنشینی بود که بتواند در استراتوسفر «پروازی جاودانه» داشته باشد. او تصور می‌کرد انرژی خورشیدی و مواد سبک به ساخت هواپیمایی کمک می‌کنند که می‌تواند ماه‌ها یا حتی سال‌ها در آسمان بماند. زفیر اس اولین مدل تولید است.

استراتوسفر لایه دوم اتمسفر است که از حدود ۱۰ هزار متری سطح زمین شروع می‌شود و درحدود ۴۸٬۸۰۰ متری به پایان می‌رسد. اگر هواپیمایی بتواند بالاتر از ۱۵٬۱۵۰ متری سطح زمین پرواز کند، به این معنا است که برفراز شرایط آب‌وهوایی متلاطمی که نزدیک‌تر به زمین آن را تجربه می‌کنیم یعنی تروپوسفر، می‌تواند پرواز کند. مشکلی که وجود دارد، این است که هوا در آن ارتفاع خیلی رقیق است و پرواز و تنفس را به چالش تبدیل می‌کند.

در گذشته، اگر می‌خواستید استراتوسفر را کاوش کنید، فقط یک گزینه یعنی بالن وجود داشت. بالن‌ها می‌توانند تاجایی که اکسیژن بسیار کمی وجود دارد، بالا بروند. موتورها و بال‌هایی که برای عملکرد به هوا نیاز دارند، در آن ارتفاع کارآیی ندارند. مشکلی که در گذشته وجود داشت، زنده ماندن در آن ارتفاعات بود و تلاش تعداد زیادی از بالن‌سواران نتیجه‌ای نداشت.

در سال ۱۹۳۱، سرانجام انسان به استراتوسفر رسید و بالن‌سواری به کمک بالن هیدروژنی موفق شد به ارتفاع ۱۵۸۰۰ متری برسد. دو سال بعد ژانت پیکارد، اولین زنی بود که به استراتوسفر در ارتفاع ۱۷۶۰۰ متری رسید. از دهه ۱۹۵۰، نوبت هواپیماهای جاسوسی گران‌قیمت دولتی مانند یو ۲، اس آر ۷۱ و اخیرا پهپاد آرکیو ۱۷۰ رسید.

درحال‌حاضر استراتوسفر همچنین محلی برای بالن‌های هواشناسی، بالن‌سواران، بالن‌های جاسوسی و هنرنمایی‌های تبلیغاتی است. گروهی از دانش‌آموزان بریتانیایی از بالن هواشناسی برای بلند کردن غذایی معروف به کورنیش تا ارتفاع باورنکردنی ۳۵۵۰۰ متر استفاده کردند. غذا درحالی به زمین برگشت که یخزده بود.

اگرچه عصر اکتشافات هنوز به پایان نرسیده است. در سپتامبر ۲۰۱۸، گلایدر تحقیقاتی Windward Performance Perlan 2 رکورد جدیدی در ارتفاع ۲۳۵۰۰ متری ثبت کرد. این گلایدر در ارتفاعی بالاتر از ارتفاعی که گلایدرهای دیگر پرواز کرده‌ بودند، پرواز کرد و حتی رکورد حداکثر ارتفاع هواپیمای جاسوسی یو ۲ را شکست.

زفیر ساخت شرکت آلتو بریتانیا (این شرکت اخیرا از ایرباس جدا شده است) یکی از انواع جدید ماشین‌های پرنده است که برای فتح مجدد استراتوسفر طراحی شده است. این هواپیماها با ترکیب کوچک‌سازی اجزا و مدل‌های کامپیوتری قدرتمند از اتمسفر، برای اولین‌بار به انسان امکان حضور تقریبا دائمی را در این ارتفاعات می‌دهند.

هواپیماهای خودمختار و فوق سبک (Haps) که به شبه‌ماهواره‌ها در ارتفاع بالا معروف هستند (high-altitude pseudo-satellite)، شامل هواپیماهایی مانند گلایدرهای خورشیدی تا زپلین‌هایی می‌شوند که از خورشید انرژی می‌گیرند. وظایف آن‌ها شامل ارائه پوشش تلفنی 4G یا 5G و خدمات اینترنتی پس از وقوع فاجعه، پیدا کردن آتش‌سوزی در جنگل‌ها و ردیابی حرکت نیروهای دشمن در زمان جنگ است. آن‌ها می‌توانند این کارها را بهتر، ارزان‌تر، سریع‌تر و انعطاف‌پذیرتر از ماهواره‌ها انجام دهند.

رابرت باب کراس، رئیس دانشکده علوم هوافضای جان دی اودگارد در دانشگاه داکوتا می‌گوید: «چالشی که برای طراحان وجود دارد، طراحی هواپیمایی است که سبک و درعین‌حال به اندازه‌ای قوی باشد که بتواند برای مدت طولانی در آن ارتفاعات بماند، بتواند محموله کافی حمل کند و بتواند از صعود و فرود و عبور از تروپوسفر جان سالم به در ببرد.»

حتی در مدار پایینی زمین، ریزماهواره‌ها در حدود ۵۴۷ کیلومتر بالاتر از هواپیمایی نظیر زفیر به دور زمین می‌چرخند. این بدان معنا است که تاخیری جزئی در برقراری ارتباط وجود دارد که می‌تواند مانع از ارتباطات پرسرعت عریض‌باند شود. همچنین محدودیت‌هایی در استفاده از ماهواره‌ها برای سنجش از راه دور ازنظر وضوح، سرعت و انعطاف‌پذیری وجود دارد که استفاده از شبه‌ماهواره‌ها را معقول‌تر می‌کند.

درحال‌حاضر برخی از ایده‌ها درحال تحقق پیدا کردن هستند. به‌عنوان مثال، درون سازه بزرگ استوانه‌ای‌شکلی در رازوِل نیومکزیکو زپلین بزرگی وجود دارد که قطعات آلومینیومی آن با کربن جایگزین شده است. کشتی هوایی بادکنکی (بلیمپ) شرکت گودیر با همان اندازه ۱۲ برابر سنگین‌تر است. میکل وسترگارد، بنیان‌گذار شرکت علوم مواد Sceye سازنده زپلین استراتوسفری می‌گوید: «کار ساخت نسخه کوچک ۲/۷ متری را شروع کردیم که نمی‌توانست وزن خود را بلند کند. سپس در نوامبر ۲۰۲۰، برای اولین‌بار نسخه ۸۲ متری را به هوا فرستادیم.»

تا می ۲۰۲۱، زپلین با سرعت متوسط ۳۰۵ متر در دقیقه به ارتفاع هدف خود یعنی ۱۹٬۸۰۰ متری رسید. وجه تمایز زپلین محموله‌ای است که می‌تواند حمل کند. درحالی‌که زفیر می‌تواند حدود پنج کیلوگرم بار حمل کند، زپلین می‌تواند بیش از ۱۰۰ کیلوگرم بار بلند کند. نسخه‌های آینده می‌توانند ۳۰۰ کیلوگرم یا آرایه ارتباطی برای رساندن پهن‌باند به تعداد زیادی از مردم را با خود بلند کنند. خدمات پهن‌باند می‌تواند به‌جای دکل‌ها توسط زپلین ارائه شود. تاکنون، Sceye دو پرواز برای فراهم کردن اینترنت پهن‌باند موردنیاز تلفن‌ها‌ی هوشمند انجام داده است. این شرکت در سپتامبر سال جاری اولین پرواز نمایشی برای نظارت بر نشت متان را انجام خواهد داد.

برخی از بالن‌هایی که در گذشته برای حمل انسان به استراتوسفر استفاده می‌شد، به اندازه یک استادیوم فوتبال بود. اما بالن‌های اربن اسکای این‌طور نیستند. این بالن‌های کوچک قابل استفاده مجدد که روی زمین باد می‌شوند، به اندازه یک خودرو هستند و محموله آن‌ها به قسمت زیرینشان متصل می‌شود. آن‌ها تصاویر هوایی با وضوح بالا ارائه می‌دهند که برای نظارت بر پیامدهای پس از آتش‌سوزی و حتی برای تصویربرداری از کل شهر که شرکت‌های بیمه یا برنامه‌ریزان شهری ممکن است به آن نیاز داشته باشند، ارائه می‌دهند.

جرد لیدیچ، هم‌‌بنیان‌گذار و مدیر ارشد فناوری شرکت اربن اسکای می‌گوید: «می‌توانیم به‌معنای واقعی کلمه آن را از پشت پیکاپ تراک پرتاب کنیم. به کمک مدل‌های هواشناسی متوجه می‌شویم بالن را از کجا پرتاب کنیم تا به‌طور غیرفعال در نقطه هدف خود شناور شود. بیست سی سال پیش، مدل‌ها برای انجام چنین کاری به اندازه کافی خوب نبودند.»

اما اقلیم‌شناسان درمورد تاثیر افزایش فعالیت انسان در استراتوسفر ابراز نگرانی می‌کنند. در استراتوسفر بخار آب کمی وجود دارد، بنابراین افزایش در مصرف آن به خاطر استفاده از هواپیماهای هیدروژنی ممکن است تاثیر نامتناسبی داشته باشد و به‌ویژه در تخریب لایه اوزون نقش داشته باشد. میکائلا هگلین، استاد شیمی اتمسفر در دانشگاه ریدینگ بریتانیا می‌گوید: «آلاینده‌ها به مدت بسیار طولانی‌تری در استراتوسفر باقی می‌مانند، زیرا در آن‌جا میزان اختلاط اتمسفر بسیار کندتر است. بنابراین، اگر به‌طور ناگهانی شروع به ساختن یک ناوگان هوایی بزرگ کنید که هر روز به آن‌جا پرواز کنند، باید این موضوع را نیز درنظر بگیرید که چگونه ممکن است استراتوسفر را دچار اختلال کنید.»

حدود ساعت چهار صبح ۱۹ آگوست ۲۰۲۲، زفیر سرانجام پس از پرواز سه ماهه باورنکردنی به مسافت ۵۶۳۰۰ کیلومتر در ارتفاع حدود ۲۱۳۰۰ متری و بیش از ۶۴ روز ماندن در ارتفاع، درحالی‌که فقط چند ساعت تا شکستن رکورد استقامت سال ۱۹۵۹ فاصله داشت، تسلیم گرانش زمین شد.

کری مک لافلین از برنامه Aalto Haps می‌گوید: «این پرواز موفقیت بزرگی بود. هواپیما تا آمریکای جنوبی پرواز کرد و دوباره برگشت. موفقیت هواپیما به دلیل تمرکز استثنایی مهندسان آلتو روی کاهش وزن هواپیما است: چگونه وزن سیم‌های ارتباطی را کاهش دهیم؟ آیا قطعه کربن بهتری وجود دارد که بتوانیم از آن استفاده کنیم تا هم آن را محکم‌تر کرده و هم وزن آن را کاهش دهیم؟»

هشت تا ده ساعت طول می‌کشد تا زفیر به استراتوسفر صعود کند، به این معنا که هواپیما برای پرواز به شرایط آب‌وهوایی بسیار پایداری نیاز دارد. مک‌لافلین می‌گوید: «درحال برنامه‌ریزی برای ساخت چندین «فرودگاه آلتو» در کشورهایی هستیم که شرایط آب‌وهوایی خوبی در زمان‌های مختلف سال دارند. بنابراین، همیشه می‌توانیم به استراتوسفر دسترسی داشته باشیم.»

در آوریل ۲۰۲۳، آلتو قراردادی برای پرواز آزمایشی زفیر حامل محموله ارتباطات سیار روی ژاپن امضا کرد. انتظار می‌رود زفیر تا پایان سال ۲۰۲۴ وارد خدمات تجاری شود.

استارتاپ‌هایی مانند آلتو، اسکی و اربن اسکای در تلاش برای فتح مجدد استراتوسفر ممکن است درحال غلبه بر موانع فنی پرواز جاودانه باشند، اما آن‌ها با موانع نظارتی رو‌به‌رو خواهند شد. پرواز ناموفق اخیر بالن جاسوسی چین بر فراز ایالات متحده نشان داد استراتوسفر فضایی ملی است، نه بین‌المللی و افزایش پیش‌بینی‌شده ترافیک فضایی در این بخش از اتمسفر ممکن است به تقاضا برای کنترل‌های زیست‌محیطی و ترافیک اتمسفری منجر شود.

بااین‌حال، ممکن است مقاومت دربرابر وسوسه پرواز در استراتوسفر دشوار باشد. لیدیچ می‌گوید: «استراتوسفر درحال‌حاضر عمدتا خالی است. بنابراین، ما هنوز درحال کار کردن روی فیزیک اولیه هستیم. درک ریاضی ناچیز از منطقه استراتوسفر است که آن را جذاب می‌کند.»