آیا هواپیمای فضایی چند بار مصرف دوباره رونق می‌گیرد؟ – دیجیتال مارک

رؤیای پرواز فضایی وقتی آغاز شد که اولین هواگرد در سال ۱۹۰۳ در کیتی هاک کارولینای شمالی به پرواز درآمد و پس از گذشت ۷۰ سال به چیزی مانند هواپیماهای امروزی رسیدیم. اما با وجود برنامه‌ها، نمونه‌ها و پروازهای اولیه‌ی بسیار از آن زمان، فقط دو هواپیمای فضایی تاکنون به بهره‌برداری رسیده‌اند: شاتل فضایی و بوئینگ X-37B. از این دو، تنها بوئینگ کوچک بدون سرنشین همچنان در حال فعالیت است.

رؤیای هواپیمای فضایی همچنان زنده است؛ حتی اگر جاه‌طلبی در مورد نقش واقعی آن‌ کمرنگ شده باشد. به گزارش بی‌بی‌سی، ظاهرا در سپتامبر ۲۰۲۰، چین هواپیمای فضایی بوئینگ‌مانند دارای قابلیت استفاده مجدد را پرتاب کرد و ممکن است تا هفت پروژه‌ی هواپیمای فضایی بدون خدمه و با خدمه در دست توسعه داشته باشد. آزمایشگاه خودگردان پروازگر اسپیس رایدر (Space Rider) آژانس فضایی اروپا نیز منتظر است که در سال ۲۰۲۳ به فضا پرتاب شود و مینی هواپیمای فضایی هند اواخر این دهه به بهره‌برداری خواهد رسید.

اما هنوز برای فرستادن فضانوردان به فضا به راکت‌ا متکی هستیم و آن‌ها را در کپسول‌های معلق به‌وسیله‌ی‌ چتر نجات به زمین برمی‌گردانیم؛ بنابراین، چرا هواپیمای فضایی (به ‌جز شاتل فضایی بازنشسته ناسا) هنوز به پرواز درنیامده است؟

یک پاسخ به سؤال فوق را می‌توان در محل آزمایش‌ها ری‌اکشن انجینز (Reaction Engines) در ۲۹۰۰ کیلومتری کیتی هاک در دامنه‌ی کوه‌های راکی در کلرادو پیدا کرد. امکانات موجود در فرودگاه فرانت رینج کلرادو (فرودگاه هوا و فضای کلرادو) برای آزمایش‌ فناوری که موتور راکت جدید انقلابی ری‌اکشن انجینز به آن وابسته است، تنظیم شد. این آزمایش‌‌ها از حمایت دارپا (آژانس پروژه‌های پژوهشی پیشرفته‌ی دفاعی آمریکا) برخوردار بود.

ری‌اکشن انجینز شرکت هوافضای بریتانیایی است که توسط مهندسانی به نام‌های آلن باند، ریچارد وارویل و جان اسکات در سال ۱۹۸۹ پس از لغو پروژه هواپیمای فضایی بریتانیایی هوتول تأسیس شد. هدف این شرکت ایجاد جانشین هوتول و موتور آن بود. هواپیمای فضایی جدید اسکای‌لون نام دارد و طی یک مرحله در مدار قرار می‌گیرد.

SABRE، موتور موشک هیدروژنی است که می‌تواند هواپیمای فضایی مانند اسکای‌لون را با استفاده از اکسیژن اتمسفر زمین از سرعت صفر به سرعت‌ مافوق صوت برساند و سپس هنگام حرکت با سرعت کافی، وسیله‌ی نقلیه را در فضا با استفاده از ذخیره‌ی اکسیژن درونی مانند یک راکت معمولی وارد مدار کند. آن‌ها امروزه با نام‌های بزرگ صنعت از جمله بوئینگ، بریتیش ایروسپیس و رولز-رویس و نیز آژانس‌های فضایی بریتانیا و اروپا پشتیبانی می‌شوند.

آن سوی حصار امنیتی، از موتور اصلاح‌شده‌ی یک هواپیمای جنگنده دوران جنگ سرد برای بازسازی جریان هوای بسیار گرم حاصل از سرعت‌ مافوق صوت استفاده می‌شود. هوای بسیار گرم از دستگاه سبک و حلقه‌مانند تشکیل‌شده از هزاران لوله‌ی دارای دیواره‌ی نازک که حاوی سردکننده است، عبور می‌کند. هدف از این پیش‌خنک‌کننده، حذف سریع گرما است. انتظار می‌رود استفاده از این سیستم در موتور SABRE از ذوب شدن اجزای داخلی در دمای بالا ممانعت و عملکرد کارآمد موتور را تضمین کند.

در اوایل سال ۲۰۱۹، این پیش خنک‌کننده در دمای ۴۲۰ درجه سانتی‌گراد در شرایطی کار کرد که سرعت پرواز ۳٫۳ ماخ (بیش از سه برابر سرعت صوت) را شبیه‌سازی می‌کرد. اما مهندسان می‌خواستند به عدد جادویی ۵ ماخ برسند که بیش از ۶۲۰۰ کیلومتر بر ساعت است. این سرعت بیش از دو برابر سریع‌تر از سرعت پیمایش کنکورد و بیش از ۵۰ درصد سریع‌تر از اس‌آر-۷۱ بلک‌برد یعنی سریع‌ترین هواپیمای مجهز به موتور جت در جهان است. اتفاقا ۵ ماخ محدوده‌ی قابل تحمل موادی است که امروزه در ساخت وسایل نقلیه هوایی استفاده می‌شود.

_{مکان آزمایش‌های شرکت ری‌اکشن انجینز در کلرادو؛ موتور یک هواپیمای جنگنده به اجرای آزمایش‌ها کمک می‌کند}

در سرعت ۵ ماخ و ارتفاع ۲۰ کیلومتر، SABRE دیگر تنفس نمی‌کند؛ دریچه‌های خود را می‌بندد و شروع به سوزاندن اکسیژن مایع مخلوط با سوخت هیدروژن می‌کند تا به سرعت ۲۵ ماخ برسد که به آن اجازه می‌دهد در مدار زمین قرار بگیرد. در اکتبر سال ۲۰۱۹، رکورد شکسته شد و سرعت ۵ ماخ به ‌دست آمد. پیش‌خنک‌کننده در کمتر از یک‌بیستم ثانیه، جریان هوا با دمای بیش از هزار درجه سانتی‌گراد در دستگاه را با موفقیت سرد کرد. موفقیت در این آزمون موجب شد گروه پژوهشی جوایز متعددی دریافت کنند. هلن وبر، سرپرست گروه می‌گوید: «ما به چیزی دست پیدا کردیم که قبلا هرگز انجام نشده بود. این لحظه‌ی مهمی در پیشرفت یک فناوری مهم هوافضا بود. این دستاورد ما را قدمی به تحقق SABRE نزدیک‌تر می‌کند و راه را برای پرواز مافوق صوت هموار می‌سازد.»

اکنون وبر روی هسته‌ی موتور SABRE کار می‌کند. ممکن است مجبور باشیم ۱۰ سال منتظر بمانیم تا آزمایش‌های پرواز موتور آغاز شودِ اما فناوری نوآورانه مدیریت گرمای آن‌ها در حوزه‌های دیگر به کار خواهد رفت. برای مثال، در خودروهای برقی، مبدل‌های حرارتی کم وزن و کارآمد جدید موجب می‌شود باتری‌های لیتیومی سریع‌تر شارژ شده و دوام بیشتری داشته باشند. کریستوفر کومبس از دانشگاه تگزاس می‌گوید:

ری‌اکشن انجینز کار خوبی می‌کند که می‌گوید ما اول این فناوری را توسعه می‌دهیم و سپس سراغ دیگری می‌رویم. آسان‌تر است که مبدل‌های حرارتی را برای سرمایه‌گذاران تبلیغ کنیم که بتواند طی پنج سال آینده در هواپیماهای جنگنده استفاده شود تا اینکه اسکای‌لون را تبلیغ کنیم و بگوییم که ساخت آن ۳۰ سال طول می‌کشد.

_{اسکای‌لون مفهوم اواسط دهه‌ی ۹۰ از یک هواپیمای فضایی چند ماخ بود}

شاید عجیب باشد که یافتن نامی از اسکای‌لون در وب‌سایت ری‌اکشن انجینز دشوار است. الیور نیلارد، مدیر توسعه کسب‌و‌کار این شرکت، می‌گوید:

اسکای‌لون وسیله‌ی نقلیه‌ی مفهومی برای نشان دادن نحوه‌ی استفاده از موتور SABRE بود. ما درحال ساخت وسیله‌ی نقلیه نیستیم. در کوتاه‌مدت ما روی موتور متمرکز هستیم؛ اما در همین زمان، باید اطمینان حاصل کنیم که فناوری‌های وسیله‌ی نقلیه فضایی در کنار آن توسعه می‌یابد.

در راستای این هدف، ری‌اکشن انجینز با شرکای علاقه‌مند متفاوتی که ممکن است هواپیمای فضایی بسازند، همکاری می‌کند. در سال ۲۰۲۰، شرکت با ESA (آژانس فضایی اروپا) روی ایده‌ی محافظه‌کارانه‌تر وسیله‌ی نقلیه‌ی دو مرحله‌ای کار کرد که قرار است در دهه‌ی آینده از گویان فرانسه به فضا پرتاب شود.

مفهوم هواپیمای فضایی ساده است؛ اما شامل مجموعه‌ی گیج‌کننده‌ای از وسایل نقلیه می‌شود. یک تعریف بسیار غیر دقیق می‌تواند به این معنا باشد که بوئینگ ۷۴۷ که لانچر وان ویرجین اوربیت را به فضا پرتاب کرد، به‌عنوان هواپیمای فضایی طبقه‌بندی می‌شود؛ زیرا معادل مرحله‌ی اول یک فضاپیما است. ژان دویل، نویسنده‌ی The China Aerospace Blog، می‌گوید:

دو نوع هواپیمای فضایی واقعی وجود دارد. ساده‌ترین نسخه زمانی است که هواپیمای فضایی پشت راکت معمولی و به روش بلند شدن عمودی مانند شاتل فضایی به فضا پرتاب می‌شود. دشوارترین نسخه زمانی است که وسیله‌ی نقلیه به‌طور افقی از زمین بلند می‌شود و طی مسیر تدریجی به فضا می‌رسد یا وقتی هر دو مرحله هواپیمای فضایی هستند مانند مفهوم Tengyun چین.

ذکر مزیت‌های هواپیماهای فضایی آسان است. این، ایده جذاب پرواز کردن به ایستگاه فضایی و برگشت از آن است؛ درست مانند اینکه با هواپیما از نیویورک به سانفرانسیسکو سفر کنیم.

هواپیمای فضایی این توانایی را دارد که به ‌جای سکوی پرتاب گران‌قیمت از باند فرودگاه استفاده کند که همچنین به این معنا است که می‌توان آن‌ را به دفعات بیشتر پرتاب کرد و فرود آورد. اگر بخواهید ماهواره‌ای را به زمین بازگردانید، تنها راه‌ حل هواپیمای فضایی است. از هواپیماهای فضایی می‌توان برای آزمایش تجهیزات نظامی و حتی ره‌گیری ماهواره‌های دشمن استفاده کرد.

فناوری هواپیمای فضایی با فناوری سلاح‌ها و هواپیماهای مافوق صوت هم‌پوشانی دارد. به همین دلیل است که ری‌اکشن انجینز عضوی از برنامه‌ی پژوهشی است که وزارت دفاع بریتانیا برای توسعه‌ی‌ سیستم‌های پیش‌رانش مافوق صوت برای هواگردها از آن حمایت می‌کند.

_{بوران شوروی یکی دیگر از طرح‌های امیدوارکننده هواپیمای فضایی بود؛ اما هرگز قبل از سقوط شوروی مأموریت سرنشین‌دار انجام نداد}

برخی از تحلیل‌گران معتقدند که در حال‌ حاضر تقاضای کمی برای بازگردان ماهواره‌ به زمین وجود دارد؛ زیرا ساخت آن‌ها ارزان‌تر شده است و دوام بیشتری پیدا کرده‌اند. منظومه‌ی ماهواره‌ای اِستارلینک اسپیس ایکس، از هزاران ماهواره‌ی کوچک تشکیل شده است و برای گسترش دسترسی به اینترنت استفاده می‌شود.

علاوه‌براین، هواپیماهای فضایی با چالش‌های فنی گرانی رو‌به‌رو هستند. لازم است که مواد به اندازه‌ی کافی سخت و سبک باشد تا بتواند سفرهای مکرر به فضا را تحمل کند و مشکل ادغام دو یا سه نوع متفاوت از سیستم‌های پیش‌رانش که برای مراحل مختلف پرواز نیاز است، وجود دارد. دویل می‌گوید:

به‌عقیده‌ی من، این یکی از مشکلات اصلی است. د رنهایت، مانع اصلی پروژه‌های هواپیمای فضایی آن است که به سرمایه‌گذاری بسیار زیادی نیاز دارد. به همین علت است که اروپا، شوروی و روسیه از این مفهوم فاصله گرفتند.

مسئله‌ی دیگر، رقابت است. کومبس می‌گوید: «اسپیس ایکس از نظر نوآوری شهرت زیادی دارد؛ اما هواپیمای فضایی را نابود می‌کند. آن‌ها دارند دسترسی به فضا را ارزان‌تر می‌کنند و انگیزه‌ی سرمایه‌گذاری روی پژوهش‌های پرهزینه هواپیمای فضایی را از بین می‌برند.» ممکن است فقط یک میلیاردر بتواند هزینه شکست همراه‌با ساخت هواپیمای فضایی را تحمل کند.

فردریش زاندر، پیش‌گام پرواز فضایی شوروی و روسیه، در سال ۱۹۱۱ هواپیمای فضایی بین‌سیاره‌ای را طراحی کرد با بال‌هایی که حین صعود می‌سوختند و از آن جدا می شدند. در دهه‌ی ۱۹۳۰، مهندسی اتریشی به نام یوگن سنگر ایده‌ی بمب‌افکن مجهز به موتور موشک با پرواز زیر مداری را برای بمباران نیویورک مطرح کرد که خوشبختانه نازی‌ها هرگز آن را نساختند. در دهه‌ی ۱۹۵۰، ورنر فون براون، طراح موشک، ایده‌ی موشک دارای بال را در مجله‌ی کولیرز مطرح کرد. نیروی هوایی آمریکا ایده‌ی سنگر را دنبال کرد؛ اما برنامه‌ی ساخت بوئینگ X-20 Dyna-Soar به نفع برنامه‌ی جمینی لغو شد. قرار بود فضاپیمای اصلی جمینی روی راکت به فضا برود و مانند پاراگلایدر در باند فرودگاه فرود آید تا اینکه این برنامه لغو شد. پروژه‌های شوروی نیز با شکست رو‌به‌رو شد. برای مثال، MiG-105 وسیله‌ی نقلیه خدمه‌دار آزمایشی شوروی برای ساخت هواپیمای فضایی بود. این هواپیما اولین‌ بار در سال ۱۹۷۶ پرواز کرد؛ اما این پروژه که EPOS نام داشت، دو سال بعد لغو شد.

_{دوران هواپیماهای فضایی ناسا فعلا با بازنشستگی ناوگان شاتل فضایی در سال ۲۰۱۱ پایان یافته است}

سپس هر کشوری هواپیمای فضایی خود را می‌خواست. بوران شوروی با الهام از شاتل فضایی ناسا در سال ۱۹۸۸ قبل از لغو برنامه، یک پرواز فضایی بدون سرنشین انجام داد. برنامه‌های هواپیماهای فضایی اروپا و ژاپن نیز تا همین حد بود. قصد چین برای ساخت هواپیمای فضایی به آینده موکول شد؛ زیرا موشک‌ها راه سریع‌تری برای رقابت فضایی بودند. دویل می‌گوید: «پیش‌بینی می‌شد که چین اولین فضانوردان خود را در سال ۲۰۲۰ به فضا بفرستد؛ اما این اتفاق در سال ۲۰۰۳ افتاد.»

با وجود عملکرد ضعیف شاتل، آمریکا آرزوی هواپیمای فضایی چند بار مصرف را کنار نگذاشت. پروژه‌ی ساخت لاکهید مارتین ایکس-۳ یا استار ونچر، در مراحل پیشرفته به دلیل مشکلات فنی لغو شد. شایعه‌ی وجود برنامه‌های فوق ‌سری دیگری نیز وجود داشت. از میان این پروژه‌ها، بوئینگ X37-B بدون سرنشین متولد شد. پیشنهاد بوئینگ برای نسخه‌ی بزرگ‌تر دارای سرنشین پذیرفته نشد.

اما رقابت برای ساخت هواگردها و سلاح‌های مافوق صوت ممکن است به حل مشکلات تکنولوژیکی پروژه‌های هواپیمای فضایی کمک کند. موضوع مشخص آن است که آینده‌ی هواپیمای فضایی هرچه باشد، چین در آن نقش خواهد داشت. دویل می‌گوید: «ما در مورد پرتاب هواپیمای فضایی آزمایشی چین اطلاعات بسیار کمی داریم؛ اما این نشان می‌دهد که چین در توسعه‌ی مفاهیم هواپیمای فضایی جدی است.»