اسپیس ایکس چگونه راکت‌هایش را با دقت فراوان فرود می‌آورد؟

در سال‌های اخیر، اسپیس‌ایکس با انجام اقدامات مختلف از فرستادن خودرو اسپرت به مدار گرفته تا وعده‌‌ی ساخت کلونی در مریخ، شور و هیجان زیادی در مردم و رسانه‌ها برانگیخته است؛ به‌گونه‌ای که از هنگام ارسال مأموریت‌های آپولو به ماه به‌‌وسیله‌ی ناسا در نیم‌قرن گذشته تاکنون بی‌سابقه بوده‌ است.

در قلب برنامه‌ریزی‌های جاه‌طلبانه‌ی اسپیس‌ایکس، یکی از بزرگ‌ترین فناوری‌ها درزمینه‌ی مهندسی راکت توسعه یافته است: «راکت‌های چندبارمصرف». در سال ۲۰۱۱، اولین‌بار این فناوری رونمایی و برنامه‌ی توسعه‌ی «سیستم پرتابگر چندبارمصرف اسپیس‌اکس» به‌عنوان برنامه‌ای برای تولید نسل جدیدی از راکت‌های حامل معرفی شد که هزینه‌های سفر به فضا و قرارگرفتن در مدار را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

در مدت هفت سال، نه‌تنها اسپیس‌ایکس توانست چنین راکت‌هایی تولید کند؛ بلکه ثابت کرد سامانه‌ی پرتاب موشکی‌اش با داشتن ۶۰ پرتاب و ۳۰ فرود موفقیت‌آمیز راکت فالکون ۹ درکنار موفقیت کامل طرح آزمایش‌های موشکی در کارنامه‌ی خود، هم مقرون‌به‌صرفه است و هم مطمئن.

با نگاهی ریزبینانه‌تر، خواهیم دید اسپیس‌ایکس موفق شده است راکت‌هایی به‌طول ۷۰ متر و وزن تقریبی بیش از نیم‌میلیون کیلو‌گرم به فضا بفرستد و پس از طی سفری به مسافت ۷۰ کیلومتر با سرعت تقریبی هشت‌هزار کیلومتربرساعت، روی محلی فرود بیاورد که پهنای آن دقیقا  ۵۰ متر است. این موفقیت مدیون دو اصل مهم است: تجربه‌ی فراوان این شرکت و مهندسی کم‌نظیر ساخت راکت.

پیش از آنکه دو اصل یادشده را شرح دهیم، ابتدا تاریخچه‌ی برنامه‌ی توسعه‌ی «سامانه‌ی پرتابگر چندبارمصرف اسپیس‌اکس» را به‌صورت مختصر مرور می‌کنیم. همان‌طورکه اشاره شد، این برنامه در سال ۲۰۱۱ مطرح شد؛ اما در اواخر سال ۲۰۱۵، اسپیس‌ایکس موفق شد اولین راکت فالکون ۹ را با موفقیت روی زمین فرود آورد. پس از چندین سال، این شرکت آمار درخورتوجهی از کسب موفقیت در این زمینه را را به‌خود اختصاص داد. درواقع، این دستاورد پس از آن رقم خورد که اسپیس‌ایکس پنج سال زمان برای آزمایش فناوری جدیدش و کسب اطلاعات و مهارت‌های لازم برای ساخت راکت‌ ازطریق آزمون و خطا وقف کرد. آن‌ها در ابتدا با صعود راکتی به‌نام گرس‌هاپر (Grasshopper) آزمایش‌های خود را آغاز کردند. این راکت توانست هشت صعود و فرود زیرمداری موفقیت‌آمیز را از سال ۲۰۱۲ تا ۲۰۱۳ ثبت کنند.

پس از کسب موفقیت در پرتاب و فرود گرس‌هاپر، اسپیس‌ایکس اولین راکت فالکون ۹ را برای فرود مجهز کرد و سپس از سال ۲۰۱۳ تا اوایل ۲۰۱۵، چندین‌بار این فناوری را برای فرودی کنترل‌شده روی سطح اقیانوس آزمایش کرد؛ اما متأسفانه در آزمایش‌های اولیه‌ی فالکون ۹، دقت فرود این راکت‌ها ۱۰ کیلومتر بود که در آزمایش‌های بعدی به‌طور چشمگیری افزایش یافت. در اواخر سال ۲۰۱۵، وقتی اسپیس‌ایکس تصمیم گرفت آزمایش‌های اولیه‌ی فرود راکت فالکون ۹ را روی عرشه‌ی کشتی‌های شناور بدون سرنشین انجام دهد، با شکست‌های جدی شامل چهار فرود ناموفق همراه‌با حوادث جدی مواجه شد. با وجود تجربه‌ی تلخ حاصل از این شکست‌ها، اسپیس‌ایکس از تک‌تک صعودها اطلاعات جمع‌آوری کرد و این شکست را به فرصتی برای یادگیری از اشتباهات و نقایص تبدیل و از آن برای تقویت ساخت سکوهای فرود استفاده کرد. در تصویر زیر، خانواده‌ی راکت‌های فالکون ۹ را مشاهده می‌کنید.

اسپیس‌ایکس به انجام فرودهای آزمایشی راکت فالکون ۹ در زمین و نیز روی عرشه‌ی کشتی‌های شناور بدون سرنشین ادامه داد. در اوایل سال ۲۰۱۷، فرودهای موفقیت‌آمیز به امری عادی تبدیل شده بود؛ به‌طوری‌که این شرکت پرتاب راکت‌های خود را «آزمایشی» خطاب نمی‌کرد. از اوایل سال ۲۰۱۷ تا اواخر سال ۲۰۱۸، اسپیس‌ایکس توانست موفقیت کامل خود را در فرود راکت‌ها با دقت باورنکردنی ۱۰ متر حفظ کند. این افزایش چشمگیر در دقت فرود راکت‌ها از پیشرفت ۱۰۰۰ درصدی در مقایسه با آزمایش‌های اولیه‎‌ی فرود کنترل‌شده‌ی این شرکت حکایت می‌کند که در شعاع ۱۰ کیلومتری نقطه‌ی هدف‌گذاری‌شده فرود می‌آمدند. با تمام این‌ها، اسپیس‌ایکس چگونه توانست فقط در مدت چهار سال به پیشرفتی ۱۰۰ درصدی دست یابد؟

دستیابی به این حجم از پیشرفت در مدتی کوتاه فقط با داشتن تجربه میسر نمی‌شود. بنابراین، برای جواب به این سؤال باید سراغ نکته‌ی مهم دوم، یعنی «مهندسی فوق‌العاده‌ی راکت» برویم. زمانی‌که اسپیس‌ایکس راکت فالکون ۹ را به فضا می‌فرستد، این راکت در جوّ فوقانی زمین به دو بخش مجزا از یکدیگر تبدیل می‌شود. بخشی که محموله را با خود حمل می‌کند به‌سوی فضا روانه می‌شود که «مرحله‌ی دوم» مأموریت نام دارد و بخش دیگر که به زمین بازمی‌گردد، «بوستر» نامیده می‌شود که راکت «مرحله‌ی اول» نیز نام دارد. این بخش از راکت پس از بازگشت به زمین، در مأموریت‌های بعدی استفاده می‌شود. بوستر برای بازگشت از برنامه‌ریزی دقیقی برخوردار است و می‌تواند دستورهای خاصی را به‌طور کاملا خودکار برای حفظ وضعیت در مسیر برنامه‌ریزی‌شده و هنگام نشستن بر سکوی فرود اجرا کند.

برنامه‌ریزی مسیر بازگشت وابسته به آن است که بوستر در خشکی یا اقیانوس فرود بیاید. اگر بوستر قصد داشته باشد بر اقیانوس فرود بیاید و روی عرشه‌ی کشتی‌های شناور مستقر شود، پیچیدگی‌های دیگری ازجمله آمادگی عرشه و قرارگیری آن در محل هدف و هماهنگ‌سازی وضعیت آن با فرود بوستر نیز به معادلات اضافه می‌شود. اکنون، بزرگ‌ترین مشکلی که مهندسان ساخت راکت با آن درگیر هستند، ساخت راکتی است که بتواند مانورهای لازم برای فرود و نشستن روی عرشه را به‌صورت خودکار و به‌درستی انجام دهد. پس از مرحله جداسازی در جوّ فوقانی زمین، بوستر مسیر خود را تعیین می‌کند و موتورهای لازم برای بازگشت را روشن می‌کند که به آن در کاهش سرعت حرکت افقی کمک می‌کنند. در مسیر بازگشت هم از موتورهایی برای کاهش سرعت کمک می‌گیرد که به آن در حفظ موقعیت در مسیر بازگشت به زمین یاری می‌رسانند. هنگام نزدیک‌شدن به سکوی فرود، بوستر مجددا موقعیت خود را در مسیر بررسی می‌کند و از این موضوع مطمئن می‌شود که دقیقا در بالای پد فرود قرار دارد یا نه. در این مرحله ‌نیز، علاوه‌بر بازشدن پایه‌های فرود، از موتورهای لازم برای نشستن بر سکوی فرود کمک می‌گیرد که باعث توقف بوستر می‌شوند.

در تمام مراحل پرتاب و فرود، از لحظه‌ی جداسازی بوستر و محموله تا نشستن بر سکوی فرود، راکت به‌طور مداوم در حال بررسی سرعت و موقعیت خود است و براساس این اطلاعات، جهت حرکتش را در راستای مسیر درست تنظیم می‌کند. برای رسیدن به چنین جایگاهی، شرکت اسپیس‌ایکس چندین فناوری را در راکت‌های خود به‌کار گرفته است که در دوره‌های آزمایشی خود به آن‌ها دست یافته و آن‌ها را توسعه و بهبود بخشیده‌ است. دستیابی به همین فناوری‌ها ساخت راکت‌هایی با دقت بسیار زیاد و چندبارمصرف را برای این شرکت میسر کرده است. ۶ تکنولوژی مهمی که در تولید این راکت‌ها نقش مهمی ایفا می‌کنند، عبارت‌اند از:

موتورهای راکت فالکون ۹ با استفاده از فعال‌کننده‌های هیدرولیک می‌توانند در فضا حرکت کنند که استفاده از آن، امکان تغییر مسیر جهت رانش را به این راکت می‌دهد. این روش برای کنترل مسیر در جو زمین و خارج از آن استفاده می‌شود که سطوح آیرودینامیک نظیر بال‌ها غیرفعال هستند. کنترل جهت رانش درواقع فناوری متداولی است که علاوه‌بر راکت‌ها، در ساخت موشک‌های جنگی و هواپیماهای جنگنده هم استفاده می‌شود. به‌کارگیری این فناوری برای مانور و تعیین مسیر راکت فالکون ۹ ضروری است.

راکت فالکون ۹ درمجموع با هشت رانشگر گاز سرد نیتروژن تجهیز شده است که روی بوستر آن سوار شده‌اند. در دو سوی بوستر و در قسمت بالایی (دماغه‌ی راکت)، محفظه‌ای برای گاز سرد تعبیه شده است که هریک چهار رانشگر گاز سرد دارند. این پیشران‌ها درست مانند موتورهایی که به راکت جهت می‌دهند، برای حفظ موقعیت و جهت‌گیری راکت به‌کار می‌روند؛ زیرا محل قرارگیری پیشران‌های گاز سرد به‌گونه‌ای انتخاب شده است که می‌تواند نقطه‌ی ثقل راکت را کنترل کند. این فناوری به‌‌طور ویژه برای حرکات بوستر در لحظاتی پس از مرحله‌ی جداسازی اهمیت دارند. همچنین، رانشگرهای گاز سرد برای کنترل جهت‌گیری راکت در مواقعی به‌کار می‌روند که موتورهای تعیین‌کننده‌ی جهت آن خاموش هستند.

بوستر پس از مرحله‌ی جداسازی باید بتواند سه‌بار با فاصله‌های زمانی استارت بزند؛ بنابراین، موتورهای اصلی راکت باید قابلیت استارت مجدد را داشته باشند. موتورهای بوستر به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند در خارج از جوّ زمین با سرعتی مافوق صوت و در جوّ زمین با سرعتی نزدیک صوت، مجددا استارت بزنند و روشن شوند.

راکت فالکون ۹ از سامانه‌ی ناوبری اینرسی و سامانه‌ی موقعیت جهانی برخوردار است. سامانه‌ی ناوبری اینرسی از حسگرهایی برای تعیین موقعیت و جهت‌گیری و سرعت راکت استفاده می‌کند. سامانه‌ی موقعیت جهانی نیز برای تعیین منطقه‌ی جغرافیایی راکت به‌کار گرفته می‌شود. رایانه‌ی موجود در راکت، اطلاعات را در زمان واقعی از این دو سامانه دریافت و سپس آن‌ها را با مسیری مقایسه می‌کند که از قبل برای سفر فضایی راکت برنامه‌ریزی شده است؛ درصورتی‌که رایانه هرگونه انحراف از مسیر تعیین‌شده را در مقایسه‌ی میان این اطلاعات بیابد، دستورهای لازم را به‌منظور تنظیم جهت و سرعت راکت صادر می‌کند.

برای اسقرار در سکوی فرود، چهار پایه‌ی سبک‌وزن در راکت فالکون ۹ تعبیه شده است که پیش از نشستن راکت با فشار گاز هلیوم بازمی‌شوند. تمام پایه‌ها از جنس فیبرکربن و آلومینیوم ساخته شده‌اند و از ضربه‌گیر برای جلوگیری از آسیب هنگام برخی از فرودها بهره می‌برند. تمام محیطی که تجهیزات راکت در زمان بازشدن پایه‌ها اشغال می‌کنند (دورتادور پایه‌ها)، به ۱۸ متر می‌رسد و وزن کل این تجهیزات هم کمتر از ۲,۱۰۰ کیلوگرم است.

در فالکون ۹ از چهار باله‌ی بازشونده (Grid fin) استفاده شده است که از جنس تیتانیوم ساخته شده‌اند و در بالای بوستر مرحله‌ی اول قرار گرفته‌اند. این باله‌ها هنگام بازگشت و در لایه‌های پایینی جوّ زمین بازمی‌شوند. درواقع، باله‌ها کنترل‌کننده‌های آیرودینامیکی هستند که برای کنترل دقیق موقعیت و جهت راکت پیش از نشستن آن تعبیه شده‌اند. نکته‌ی جالب این است که این باله‌ها به‌تنهایی دقت در فرود بوستر راکت‌های فالکون ۹ را به‌طور تصورناپذیری به ۱۰ متر رسانده‌اند. باله‌ها اولین‌بار در سال ۲۰۱۵ و در پنجمین آزمایش راکت‌های چندبارمصرف به‌کار گرفته شدند و تغییرات برای بهبود و پیشرفت در طراحی و ساخت آن‌ها تا سال ۲۰۱۷ ادامه داشت که نتیجه‌ی آن دقت بسیار زیادی است که اکنون از راکت‌های اسپیس‌ایکس سراغ داریم.

درنهایت، اسپیس‌ایکس توانست با تلفیق تجربه و مهندسی ساخت راکت به هدف خود، یعنی ساخت راکت‌های چندبارمصرف با دقتی خیره‌کننده دست یابد. فالکون ۹ نتیجه‌ی این تلفیق است و امید می‌رود این راکت بتواند در زمینه‌سازی برای سفرهای فضایی آینده تأثیرگذار باشد. بدون تردید، ساخت راکت‌های چندبارمصرف پیشرفتی عظیم در تاریخ فناوری مهندسی ساخت راکت ثبت کرده است. همچنان بی‌صبرانه منتظریم تا ببینیم آینده، سرنوشت اسپیس‌ایکس را چگونه رقم خواهد زد یا بهتر بگوییم اسپیس‌ایکس سرنوشت آینده‌ی خود را چگونه رقم خواهد زد.