خانواده ماهواره‌برهای "سفیر" را بهتر بشناسید

گروه دفاع و امنیت مشرق - توانایی ساخت و پرتاب ماهواره، نشانگر توان علمی بالا در کشورهای صاحب این فناوری محسوب می‎شود و از طرف دیگر موتور محرک برای توسعه سایر فناوری‎های پیشرفته است.

پرتاب ماهواره «امید» با ماهواره‎بر بومی «سفیر»، نخستین گام عملی در بومی سازی فناوری فضایی محسوب می‎شود که توانست نام ایران را در بین معدود کشورهای عضو باشگاه فضایی جهان ثبت کند. تلاش‎ها قبل از سال 1380 به منظور دستیابی به دانش فنی و ساخت انواع ماهواره‎ها، ایستگاه‎های زمینی و پرتاب کننده آغاز شد و اولین دستاورد آن طراحی و ساخت ماهواره ملی امید و ماهواره‎بر سفیر با تجهیزات زمینی مربوطه است.

اما پیش از پرتاب ماهواره‎برها و محموله بسیار ارزشمند آنها، باید اطلاعات لازم از محیط فضا کسب شود. برای اینکار از راکت‎های 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. راکت‌های کاوشگر، راکت‌های زیرمداری هستند که تا ارتفاعی معین (‌نقطه اوج مداری) بالا رفته و سپس به زمین بازمی‎گردند. حداکثر ارتفاع کاری بیشتر این راکت‎ها، در محدوده 70 تا 300 کیلومتر است. برای آزمایش در ارتفاع کمتر از 70 کیلومتر از بالن و در ارتفاعات بالاتر از 300 کیلومتر از ماهواره کمک گرفته می‎شود.

راکت‌های کاوشگر شامل مجموعه‌های اصلی موتور، محموله آزمایشگاه فضایی، مجموعه بازیابی، مجموعه جدایش و ایستگاه زمینی هستند که برای اهداف تحقیقاتی و آزمایشگاهی مختلف و کاوش در ارتفاعات گوناگون، با طراحی ساده تا بسیار پیچیده و دقیق، ساخته می شوند. مدت زمان فعالیت آنها در فضا بر اساس نوع مأموریت و ارتفاع پروازی متفاوت است. پس از اتمام سوخت پیشران، مجموعه آزمایشگاهی با استفاده از سیستم جدایش، از موتور جدا شده و بعد از اتمام مدت زمان مأموریت به وسیله چتر فرود ‌آمده و بازیابی می‎شود.
 

در طی این مدت، مجموعه آزمایشگاهی با استفاده از حسگرهای ویژه‌ای که در آن قرار داده شده است، اندازه‎گیری‎ها و آزمایش‎های لازم را اجرا نموده و داده‎های جمع آوری شده را به کمک فرستنده دورسنجی (تله متری)، به زمین ارسال می‎کند. این داده‎ها با توجه به مأموریت‎های تعریف شده، شامل متغیرهایی مانند درجه حرارت،‌ فشار محیط و شتاب را می‎شود.

همچنین با استفاده از دروبین‎های تعبیه شده در محموله، ‌امکان تصویربرداری از تجهیزات مورد آزمایش یا محیط فضا فراهم شده و این تصاویر به کمک سامانه مخابراتی به زمین 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

اولین ماهواره‎بر ایرانی سفیر امید نام دارد که در نخستین آزمایش عملی سامانه‎های پرتاب فضایی ایران و پس از راکت‎های 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.

برای قرار دادن یک ماهواره در مدار زمین، به نیروی بسیار زیادی نیاز است. این نیروی عظیم را ماهواره‎بر(موشک حامل) تولید می‎کند. ماهواره برای قرار گرفتن در مدار باید در ارتفاعی بیش از 200 کیلومتر از سطح زمین به سرعتی در حدود 28000 کیلومتر در ساعت برسد. ماهواره‎برها به شکل موشک‎های چند مرحله‎ای با سوزاندن سوخت شیمیایی انرژی لازم برای بردن ماهواره به مدار زمین را فراهم می‎کنند.

در نخستین گام، موتور موشک روشن شده و نیروی بالابرنده فراهم می‎شود. با ایجاد نیروی بالابرنده ماهواره‎بر به همراه مخازن سوخت و ماهواره‎ای که با خود دارد از زمین جدا شده به سوی آسمان حرکت می‎کند.

به گزارش مشرق، پس از اینکه سامانه پیشران، تمام سوخت را بسوزاند بخش نخست از بدنه موشک جدا شده و به زمین سقوط می‎کند. در گام دوم سامانه پیشران مرحله دوم روشن می‎شود و چون موشک سبک تر شده است با سرعت بیشتری ماهواره را به ارتفاع بالاتر و برای قرار دادن در مدار به پیش می‎راند. به همین ترتیب و با پایان یافتن سوخت، مرحله دوم نیز از دیگر اجزای موشک جدا و بسته مأموریت ماهواره بقیه مراحل انجام می‎شود.

ماهواره‎ها در سر موشک‎ها جاسازی شده و به فضا پرتاب می شوند. دماغه مخروطی شکل موشک که در برابر گرما مقاوم است ماهواره را از اصطکاک هنگام گذشتن از جو زمین محافظت می‎کند. بعد از عبور از جو زمین، لایه محافظتی از ماهواره‎ها جدا شده در مرحله آخر، موشک، ماهواره را در مدار مورد نظر قرار می‎دهد.

بسیاری از ماهواره‎ها از سامانه پیشران راکتی یا گاز سرد موجود در خود برای رفتن به مدارهای بالاتر استفاده می‎کنند.

بیشتر پرتاب‎های ماهواره‎ای با موشک‎هایی انجام می‎شود که شروع پرتاب آنها مستقیم به سوی بالا برنامه‎ریزی شده است. چنین روشی موشک را از میان سخت ترین بخش‎های جو زمین به سرعت عبور می‎دهد و بهترین راه برای کاهش مصرف سوخت است.

پس از اینکه موشک مستقیم به بالا پرتاب شد بخش کنترل موشک، سامانه هدایت اینرسی را به کار می‎گیرد تا با انجام محاسبات لازم، دماغه موشک را به خط سیری که در طرح پروازیش در نظر گرفته شده متمایل کند.

ماهواره‎برها به عنوان ابزار قراردادن ماهواره‎ها در مدار، می‎بایست از بالاترین استانداردها برخوردار باشند. پرتاب با نیروی عظیم راکتی، تنش‎های فراوانی به بدنه، سازه و اجزای دیگر آن وارد می‎آورد. اصطکاک پوسته بدنه با هوا، و نیز حرکت پرشتاب گازهای بسیار داغ خروجی پیشران، شوک‎های عظیم حرارتی را به بخش‎های مربوطه وارد می‎سازد.

تمامی زیر سامانه‎های موجود در ماهواره‎بر، از اجزای مختلف پیشران‎های سوخت مایع مانند پمپ‎ها، فشارسنج‎ها، شیرها و ادوات کنترلی گرفته تا سامانه‎های ارتباطی ماهواره‎بر با زمین، باید به درستی کار کنند تا پس از رسیدن آن به ارتفاعات بالا مانند 250 کیلومتری، 700 کیلومتری و حتی بیشتر، بخش نهایی ماهواره‎بر، ماهواره را رها کرده و در مدار و موقعیت از پیش تعیین شده، با دقت بسیار بالا قرار دهد.

این کاری است که ماهواره‎بر ساخته شده بدست متخصصان توانمند و جوان کشورمان موفق به اجرای آن شده و هم اکنون برای اجرای مجدد آن، این بار برای انتقال ماهواره‎های بزرگتر و مهمتر از ماهواره تحقیقاتی امید، به فضا آماده است.

با توجه به اینکه، ارسال محموله به فضا معمولاً با موشک‎های غول پیکر انجام می‎شود، تنها کشورهایی می‌توانند وارد این عرصه شوند که ساختار کارشناسی و فناوری لازم را دارا باشند. پرتاب سفیر امید با اینکه گام اول در این مسیر بود، اما پرتاب یک ماهواره‎بر 26 تنی دو مرحله‎ای جهت قراردادن یک ماهواره در مدار بیضوی 530-250 کیلومتری کار بزرگی تلقی می‎شود.
 

برای آشنایی بیشتر با رکن اصلی این قدرت فضایی، یعنی ماهواره بر، لازم است به مشخصات فنی آنها اشاره شود. با توجه به اطلاعات اعلام شده، موشک سفیر، دارای طول کل22 متر، قطر 1.25 متر، وزن کل 26.5 تن، نیروی رانش(تراست) مرحله اول 32 تن-نیرو و مرحله دوم 3.4 تن-نیرو، زمان کارکرد مرحله اول حدود 150 ثانیه، مرحله دوم 312.5 تا 315 ثانیه، جرم محموله 27 کیلوگرم، ارتفاع حضیض 250 و ارتفاع اوج 400 کیلومتر و شیب مداری 55 درجه بود.

نکته‎ای که در اینجا باید به آن توجه نمائیم، دو مرحله‎ای بودن سفیر امید است. قرار دادن ماهواره‎ای در مدار پایین با استفاده از ماهواره‎بر دو مرحله‎ای، عملاً یک جهش فناورانه بزرگ برای صنعت فضایی کشور تلقی می‎شود. در واقع تأمین انرژی فراوان مورد نیاز برای حرکت در خلاف جهت جاذبه زمین، تنها با دو مرحله پیشران، آنقدر اهمیت داشت که تحلیلگران مراکز معتبر خارجی، از همان ابتدا به آن پرداختند زیرا به این معنی بود که ایران موفق شده در شرایط تحریم کامل، پیشرانه‎های راکتی پرقدرتی طراحی نموده و بسازد و در موشک‎های ماهواره‎بر خود به کار ببرد.

چند مرحله‎ای بودن ماهواره‎برها، از بابت فناوری مورد نیاز جهت سامانه‎های جدایش مراحل نیز مهم است زیرا در صورت عدم اجرای فرایند جدایش و حتی اجرای غیر صحیح آن، به معنی شکست کل مأموریت خواهد بود.

به گزارش مشرق، در ماهواره‎بر سفیر2 بیش از 10 هزار نوع قطعه به کار رفته است. سهم قطعات پیچیده صنعتی در آن قابل توجه است و تمام قطعات تولیدی آن در صنایع داخلی ساخته می‌شود. 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 کیلوگرم به مدار بیضوی 250-400 کیلومتری برای این ماهواره‎بر 22 متری که 1.25 متر نیز قطر دارد بوجود آمده است.

با بهسازی موتور مرحله دوم ماهواره‎بر سفیر امید، که در ردیف بهترین موتورهای مراحل بالای ماهواره‎برها قرار دارد، نسبت به موتورهای مرحله دوم ماهواره‎بر سفیر امید شاخص انرژیکی بالاتری حاصل شده است. از ویژگی‎های شاخص این موتور ایجاد قابلیت کنترل پذیری بالا در مرحله ی ماهواره‎بر است.

در بهینه‎سازی این موتور ضمن حفظ نقاط قوت موتور مرحله دوم سفیر امید تلاش شده تا با کاهش سوخت مصرفی موتور، جرم محموله ماهواره‎بر افزایش داده شود. قابلیت حرکت محفظه احتراق در حین کار موتور و دور بالای پمپ‎ها از قابلیت‎های برجسته‎ای است که در موتور مرحله دو سفیر امید و نسل بهینه 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.