گروه دفاع و امنيت مشرق - توانايي ساخت و پرتاب ماهواره، نشانگر توان علمي بالا در کشورهاي صاحب اين فناوري محسوب مي‎شود و از طرف ديگر موتور محرک براي توسعه ساير فناوري‎هاي پيشرفته است.

پرتاب ماهواره «اميد» با ماهواره‎بر بومي «سفير»، نخستين گام عملي در بومي سازي فناوري فضايي محسوب می‎شود که توانست نام ايران را در بين معدود کشورهاي عضو باشگاه فضايي جهان ثبت کند. تلاش‎ها قبل از سال 1380 به منظور دستيابي به دانش فني و ساخت انواع ماهواره‎ها، ايستگاه‎هاي زميني و پرتاب کننده آغاز شد و اولين دستاورد آن طراحي و ساخت ماهواره ملي اميد و ماهواره‎بر سفير با تجهیزات زميني مربوطه است.

اما پيش از پرتاب ماهواره‎برها و محموله بسيار ارزشمند آنها، بايد اطلاعات لازم از محيط فضا کسب شود. براي اينکار از راکت‎هاي کاوشگر استفاده می‎شود که در ایران عملیات این راکت‎ها توسط پژوهشگاه فضایی با کمک سازمان صنایع هوافضا به انجام می‎رسد.

راکت‎های کاوشگر

در حوزه پرتاب‎های فضایی کشورمان ایران مانند سایر کشورهای پیشرو در صنعت فضایی کار را با راکت‎های کاوشگر شروع کرد. راکت‌هاي کاوشگر، راکت‌هاي زيرمداري هستند که تا ارتفاعي معين (‌نقطه اوج مداري) بالا رفته و سپس به زمين بازمی‎گردند. حداکثر ارتفاع کاري بيشتر اين راکت‎ها، در محدوده 70 تا 300 کيلومتر است. براي آزمايش در ارتفاع کمتر از 70 کيلومتر از بالن و در ارتفاعات بالاتر از 300 کيلومتر از ماهواره کمک گرفته می‎شود.

راکت‌هاي کاوشگر شامل مجموعه‌هاي اصلي موتور، محموله آزمايشگاه فضايي، مجموعه بازيابي، مجموعه جدايش و ايستگاه زميني هستند که براي اهداف تحقيقاتي و آزمايشگاهي مختلف و کاوش در ارتفاعات گوناگون، با طراحي ساده تا بسيار پيچيده و دقيق، ساخته مي شوند. مدت زمان فعاليت آنها در فضا بر اساس نوع مأموريت و ارتفاع پروازي متفاوت است. پس از اتمام سوخت پيشران، مجموعه آزمايشگاهي با استفاده از سيستم جدايش، از موتور جدا شده و بعد از اتمام مدت زمان مأموريت به وسيله چتر فرود ‌آمده و بازيابي می‎شود.
 

در طي اين مدت، مجموعه آزمايشگاهي با استفاده از حسگرهاي ويژه‌اي که در آن قرار داده شده است، اندازه‎گيري‎ها و آزمايش‎هاي لازم را اجرا نموده و داده‎هاي جمع آوري شده را به کمک فرستنده دورسنجی (تله متري)، به زمين ارسال مي‎کند. اين داده‎ها با توجه به مأموريت‎هاي تعريف شده، شامل متغیرهايي مانند درجه حرارت،‌ فشار محيط و شتاب را می‎شود.

همچنين با استفاده از دروبين‎هاي تعبيه شده در محموله، ‌امکان تصويربرداري از تجهيزات مورد آزمايش يا محيط فضا فراهم شده و اين تصاوير به کمک سامانه مخابراتی به زمين ارسال می‎شود.

به گزارش مشرق، تا قبل از پرتاب اولین ماهواره کشور با نام «امید» توسط ماهواره‎بر «سفیر»، چندین راکت کاوش توسط پژوهشگاه فضایی کشورمان پرتاب شد که از داده‎های حاصل از آن در ادامه برنامه فضایی کشورمان استفاده شد.

 

نسل‎های بعدی راکت‎های کاوش مانند کاوشگر-4 و 5 نیز در راستای بخش دیگری از برنامه فضایی کشور یعنی ارسال موجود زنده و انسان به فضا طراحی و ساخته و پرتاب شدند.

ماهواره‎بر سفیر

اولين ماهواره‎بر ايراني سفير اميد نام دارد که در نخستين آزمايش عملي سامانه‎هاي پرتاب فضايي ايران و پس از راکت‎هاي کاوشگر، بکارگرفته شد.

خانواده ماهواره‎برهای ایرانی شامل سه نسل سفیر-1، سفیر-2 سیمرغ و سفیر-3 سپهر است که به ترتیب قابلیت حمل محموله‎های سنگین‎تر به مدارهای بالاتر را دارند. ماهواره بر سفیر-1 اولین ماهواره ایرانی با نام «امید» را در بهمن ماه 1387 با موفقیت کامل در مدار قرار داد.

براي قرار دادن يک ماهواره در مدار زمين، به نيروي بسيار زيادي نياز است. اين نيروي عظيم را ماهواره‎بر(موشک حامل) توليد مي‎کند. ماهواره براي قرار گرفتن در مدار بايد در ارتفاعي بيش از 200 کيلومتر از سطح زمين به سرعتي در حدود 28000 کيلومتر در ساعت برسد. ماهواره‎برها به شکل موشک‎هاي چند مرحله‎اي با سوزاندن سوخت شيميايي انرژي لازم براي بردن ماهواره به مدار زمين را فراهم مي‎کنند.

 

در نخستين گام، موتور موشک روشن شده و نيروي بالابرنده فراهم می‎شود. با ايجاد نيروي بالابرنده ماهواره‎بر به همراه مخازن سوخت و ماهواره‎اي که با خود دارد از زمين جدا شده به سوي آسمان حرکت مي‎کند.

به گزارش مشرق، پس از اينکه سامانه پيشران، تمام سوخت را بسوزاند بخش نخست از بدنه موشک جدا شده و به زمين سقوط مي‎کند. در گام دوم سامانه پيشران مرحله دوم روشن می‎شود و چون موشک سبک تر شده است با سرعت بيشتري ماهواره را به ارتفاع بالاتر و براي قرار دادن در مدار به پيش مي‎راند. به همين ترتيب و با پايان يافتن سوخت، مرحله دوم نيز از ديگر اجزاي موشک جدا و بسته مأموريت ماهواره بقيه مراحل انجام می‎شود.

ماهواره‎ها در سر موشک‎ها جاسازي شده و به فضا پرتاب مي شوند. دماغه مخروطي شکل موشک که در برابر گرما مقاوم است ماهواره را از اصطکاک هنگام گذشتن از جو زمين محافظت مي‎کند. بعد از عبور از جو زمين، لايه محافظتي از ماهواره‎ها جدا شده در مرحله آخر، موشک، ماهواره را در مدار مورد نظر قرار مي‎دهد.

بسياري از ماهواره‎ها از سامانه پيشران راکتی یا گاز سرد موجود در خود براي رفتن به مدارهاي بالاتر استفاده مي‎کنند.

بيشتر پرتاب‎هاي ماهواره‎اي با موشک‎هايي انجام می‎شود که شروع پرتاب آنها مستقيم به سوي بالا برنامه‎ريزي شده است. چنين روشي موشک را از ميان سخت ترين بخش‎هاي جو زمين به سرعت عبور مي‎دهد و بهترين راه براي کاهش مصرف سوخت است.

پس از اينکه موشک مستقيم به بالا پرتاب شد بخش کنترل موشک، سامانه هدايت اينرسي را به کار مي‎گيرد تا با انجام محاسبات لازم، دماغه موشک را به خط سيري که در طرح پروازيش در نظر گرفته شده متمايل کند.

 

ماهواره‎برها به عنوان ابزار قراردادن ماهواره‎ها در مدار، مي‎بايست از بالاترين استانداردها برخوردار باشند. پرتاب با نيروي عظيم راکتي، تنش‎هاي فراواني به بدنه، سازه و اجزاي ديگر آن وارد مي‎آورد. اصطکاک پوسته بدنه با هوا، و نيز حرکت پرشتاب گازهاي بسيار داغ خروجي پيشران، شوک‎هاي عظيم حرارتي را به بخش‎هاي مربوطه وارد مي‎سازد.

تمامي زير سامانه‎هاي موجود در ماهواره‎بر، از اجزاي مختلف پيشران‎های سوخت مايع مانند پمپ‎ها، فشارسنج‎ها، شيرها و ادوات کنترلي گرفته تا سامانه‎هاي ارتباطي ماهواره‎بر با زمين، بايد به درستي کار کنند تا پس از رسيدن آن به ارتفاعات بالا مانند 250 کيلومتري، 700 کيلومتري و حتي بيشتر، بخش نهايي ماهواره‎بر، ماهواره را رها کرده و در مدار و موقعيت از پيش تعيين شده، با دقت بسيار بالا قرار دهد.

اين کاري است که ماهواره‎بر ساخته شده بدست متخصصان توانمند و جوان کشورمان موفق به اجراي آن شده و هم اکنون براي اجراي مجدد آن، اين بار براي انتقال ماهواره‎هاي بزرگتر و مهمتر از ماهواره تحقيقاتي اميد، به فضا آماده است.

با توجه به اينکه، ارسال محموله به فضا معمولاً با موشک‎هاي غول پيکر انجام می‎شود، تنها کشورهايي مي‌توانند وارد اين عرصه شوند که ساختار کارشناسي و فناوري لازم را دارا باشند. پرتاب سفير اميد با اينکه گام اول در اين مسير بود، اما پرتاب يک ماهواره‎بر 26 تني دو مرحله‎ای جهت قراردادن يک ماهواره در مدار بيضوي 530-250 کيلومتري کار بزرگي تلقي می‎شود.
 

براي آشنايي بيشتر با رکن اصلي اين قدرت فضايي، يعني ماهواره بر، لازم است به مشخصات فني آنها اشاره شود. با توجه به اطلاعات اعلام شده، موشک سفير، داراي طول کل22 متر، قطر 1.25 متر، وزن کل 26.5 تن، نيروي رانش(تراست) مرحله اول 32 تن-نيرو و مرحله دوم 3.4 تن-نيرو، زمان کارکرد مرحله اول حدود 150 ثانيه، مرحله دوم 312.5 تا 315 ثانيه، جرم محموله 27 کيلوگرم، ارتفاع حضيض 250 و ارتفاع اوج 400 کيلومتر و شيب مداري 55 درجه بود.

 

نکته‎اي که در اینجا باید به آن توجه نمائیم، دو مرحله‎اي بودن سفير اميد است. قرار دادن ماهواره‎اي در مدار پايين با استفاده از ماهواره‎بر دو مرحله‎اي، عملاً يک جهش فناورانه بزرگ براي صنعت فضايي کشور تلقي مي‎شود. در واقع تأمين انرژي فراوان مورد نياز براي حرکت در خلاف جهت جاذبه زمين، تنها با دو مرحله پيشران، آنقدر اهميت داشت که تحليلگران مراکز معتبر خارجي، از همان ابتدا به آن پرداختند زيرا به اين معني بود که ايران موفق شده در شرايط تحريم کامل، پيشرانه‎هاي راکتي پرقدرتي طراحي نموده و بسازد و در موشک‎هاي ماهواره‎بر خود به کار ببرد.

چند مرحله‎اي بودن ماهواره‎برها، از بابت فناوري مورد نياز جهت سامانه‎هاي جدايش مراحل نيز مهم است زيرا در صورت عدم اجراي فرايند جدايش و حتي اجراي غير صحيح آن، به معني شکست کل مأموريت خواهد بود.

به گزارش مشرق، در ماهواره‎بر سفير2 بيش از 10 هزار نوع قطعه به کار رفته است. سهم قطعات پيچيده صنعتي در آن قابل توجه است و تمام قطعات توليدي آن در صنايع داخلي ساخته مي‌شود. میزان رانش پیشران مرحله اول در نوع پایه سفیر تقریباً 9.5 برابر رانش تولیدی موتور مرحله دوم و زمان کارکرد این مرحله تقریباً 2.1 برابر مرحله اول است.

با اتمام کار پیشران مرحله اول، این موتور به همراه تمامی بخش‎های مرتبط در سازه و بدنه و در واقع بخش بزرگی از موشک جدا شده و با سبکتر شدن موشک، کار اوجگیری به سمت مورد نظر ادامه می‎یابد. سامانه کنترلی مرحله اول از نوع نازل ثابت با تیغه‎های متحرک بوده و در مرحله دوم خود نازل(خروجی گازهای موتور) تغییر زاویه می‎دهد. این سامانه برای هرچه دقیق‎تر قرار دادن ماهواره در مدار از دقت بسیار بالا و در نتیجه از فناوری پیشرفته با پشتوانه علمی و تخصصی بسیار بالا در زمینه علم دینامیک و کنترل برخوردار است.

 

در نمونه بهسازی شده ماهواره‎بر سفیر امید که «سفیر-1بی» نام دارد با افزایش رانش موتور از 32 به 37 تن قابلیت حمل ماهواره تا وزن 50 كیلوگرم به مدار بیضوی 250-400 كیلومتری برای این ماهواره‎بر 22 متری که 1.25 متر نیز قطر دارد بوجود آمده است.

با بهسازی موتور مرحله دوم ماهواره‎بر سفیر امید، كه در رديف بهترين موتورهاي مراحل بالاي ماهواره‎برها قرار دارد، نسبت به موتورهاي مرحله دوم ماهواره‎بر سفير اميد شاخص انرژيكي بالاتري حاصل شده است. از ويژگي‎هاي شاخص اين موتور ايجاد قابليت كنترل پذيري بالا در مرحله ي ماهواره‎بر است.

 

در بهينه‎سازي اين موتور ضمن حفظ نقاط قوت موتور مرحله دوم سفير اميد تلاش شده تا با كاهش سوخت مصرفي موتور، جرم محموله ماهواره‎بر افزايش داده شود. قابليت حركت محفظه احتراق در حين كار موتور و دور بالاي پمپ‎ها از قابلیت‎های برجسته‎اي است كه در موتور مرحله دو سفير اميد و نسل بهينه شده آن وجود دارد.

به گزارش مشرق، آخرین نمونه از ماهواره بر سفیر-1، «سفیر-1سی» نام دارد و احتمالاً در پرتاب ماهواره‌هایی در رده «فجر» یا سنگین‎تر از آن مورد استفاده قرار خواهد گرفت. تا کنون ماهواره های امید، «رصد-1» و «نوید علم و صنعت» با نمونه‎های ماهواره‎بر سفیر در مدار قرار گرفته است.

برای توضیح بیشتر در مورد دشواری‎های طراحی و ساخت یک موتور کاملاً جدید باید گفت ضمن نیاز به اجرای تمام مراحل مطالعه و طراحی، تمامی انواع آزمایشات نیز باید بر روی پیشران جدید اجرا شود تا از مطلوب بودن نتیجه اطمینان حاصل شود. مثلاً با توجه به اینکه گازهای پرسرعت خروجی از موتور راکتی تراکم پذیر(Compressible) هستند قابلیت ارتعاش دارند.

در صورت ورود گاز به مدهای ارتعاشی نامطلوب، به طبع آن نازل (خروجی موشک)، لوله‎های حاوی سوخت، شیرها و اتصالات و سازه موشک نیز دچار ارتعاش شده و در صورت بروز پدید تشدید(Resonance) موشک ماهواره‎بر از بین خواهد رفت.

بنابراین تمامی محاسبات پیچیده دینامیک سیالات، حرارت و دینامیک و ارتعاشات سازه و قطعات برای خاص‎ترین حالات نیز باید اجرا شده که به نوبه خود بسیار زمان‎بر بوده و پس از ساخت نمونه اولیه باید انواع مختلف آزمایش‎ها صورت گیرد.

با توجه به نیاز به اجرای آزمایشات جزئی و کامل که برخی از انواع آنها هزینه‎ای بالغ بر یک میلیون دلار دارند، کشورهای مختلف به خصوص کشورهای در حال توسعه پس از رسیدن به یک پیشران مناسب با بهسازی و توسعه و روش‎هایی چون خوشه‎ای یا کلاستر کردن (استفاده چند عدد از پیشران موجود در کنار هم) توان ماهواره‎برهای خود را ارتقاء می‎دهند که چنین رویکردی در برنامه فضایی کشورمان نیز در دستور کار است.