چگونه سپرهای فداشونده، زباله‌های فضایی با سرعت صوت را به ابر بخار تبدیل می‌کنند

وقتی صحبت از محافظت در برابر پرتابه‌های بالستیک به میان می‌آید، غریزه مهندسی حکم می‌کند که بر جرم بیفزاییم؛ هرچه ورق فولادی سنگین‌تر و ضخیم‌تر باشد، پیش از تسلیم شدن انرژی جنبشی بیشتری را جذب می‌کند. اما در مدار پایینی زمین، جایی که سرعت برخورد ریزشهاب‌سنگ‌ها و زباله‌های فضایی از ۷ کیلومتر بر ثانیه فراتر می‌رود، این شهود زمینی به خطایی مرگبار بدل می‌شود.[2][5]

در سرعت‌های ابربالا (هایپرولاسیتی)، ذره برخوردی کمتر شبیه گلوله و بیشتر مانند بمب عمل می‌کند؛ انرژی با چنان سرعتی منتقل می‌شود که پیوندهای مولکولی ماده هدف فرصتی برای واکنش پیدا نمی‌کنند. اگر یک فضاپیما به دیواره ضخیم و یکپارچه آلومینیومی تکیه کند، حتی تکه رنگی میلی‌متری با سرعت ۱۰ کیلومتر بر ثانیه تنها سطحی خراش نمی‌اندازد.[5]

موج شوک حاصل از برخورد، حفره‌ای عمیق در بیرون ایجاد می‌کند و لایه داخلی را متلاشی می‌سازد؛ ترکش‌های فلزی با سرعت بالا درون کابین تحت فشار پرتاب می‌شوند. برای زنده ماندن در میان زباله‌های مداری، مهندسان هوافضا ناچار شدند رویکرد سخت و سنگین زره‌های تانک را کنار بگذارند و به یک پارادوکس تن دهند: دیواره‌ای بسیار نازک، اگر درست جاگذاری شود، حفاظتی به‌مراتب برتر ایجاد می‌کند.[1][5]

فیزیک سپرهای فداشونده

این راه‌حل که در دهه ۱۹۴۰ توسط اخترشناس آمریکایی فرد ویپل—پیش از آنکه حتی اولین ماهواره به فضا پرتاب شود—مطرح شد، «سپر ویپل» نام دارد. در این طرح، به جای یک بدنه ضخیم، ورقی محافظ و فداشونده با ضخامت معمولاً ۱ تا ۲ میلی‌متر آلومینیوم با فاصله‌ای معین از دیواره اصلی قرار می‌گیرد.[5]

هدف این سپر فداشونده، مهار قطعی زباله یا جذب عمده انرژی جنبشی نیست، بلکه تنها نابودی خود پرتابه است. با برخورد ذره فوق‌سریع به این پوسته نازک، انرژی جنبشی هولناک موج شوکی آنی تولید می‌کند که در هر دو ماده منتشر می‌شود.[1][3]

پرتابه و تکه‌ای کوچک از سپر چنان دما و فشاری را تجربه می‌کنند که بلافاصله ذوب، متلاشی و تا حدی تبخیر می‌شوند. آنچه تا لحظه‌ای پیش گلوله‌ای جامد و مرگبار بود، در یک چشم‌به‌هم‌زدن به ابری گسترش‌یابنده از قطرات مایع و گاز فلزی بدل می‌شود.[2][4]

دفتر زباله‌های فضایی آژانس فضایی اروپا در گزارشی فنی در سال ۲۰۱۸ اشاره می‌کند: «این سپرها از لایه بیرونی نازکی تشکیل شده‌اند که در معرض هجوم زباله‌ها قرار دارد و باعث می‌شود پرتابه‌ها در لحظه اصابت به‌کلی از هم بپاشند.»[2]

این آژانس در جمع‌بندی خود می‌افزاید: «ابر حاصل از ذوب و تبخیر پرتابه و ماده سپر که در پشت آن شکل می‌گیرد، منجر به توزیع مکانی و زمانی بسیار گسترده‌تر اندازه حرکت می‌شود.»[2]

استفاده از فضای خالی به عنوان زره

نبوغ حقیقی سپر ویپل در فضای خالی پشت لایه محافظ نهفته است. در حالی که ابر بخار و ترکش‌ها فاصله خالی بین ۱۰ تا ۳۰ سانتی‌متری را طی می‌کنند، به شکل مخروطی پهن منبسط می‌شوند.[2]

زمانی که این ابر به دیواره تحت فشار پشتی می‌رسد، انرژی جنبشی‌اش روی مساحتی صدها برابر بزرگ‌تر از نقطه برخورد اولیه پخش شده است. به جای ضربه‌ای متمرکز که بدنه را سوراخ کند، دیواره عقب فقط یک ساب‌پاشی ملایم و قابل‌تحمل را تجربه می‌کند.[1][5]

این انبساط هندسی به طراحان امکان می‌دهد همان سطح حفاظتِ یک بلوک ضخیم آلومینیوم را با بیش از ۵۰ درصد کاهش وزن تأمین کنند. در معادلات سخت‌گیرانه پروازهای فضایی که هر کیلوگرم بار مداری هزاران دلار هزینه دارد، چنین کاهش وزنی مرز میان مأموریتی عملی و پروژه‌ای روی زمین مانده است.[4]

کارایی این فاصله مستقیماً به سرعت برخورد وابسته است. در سرعت‌های پایین‌تر، مثلاً حدود ۳ کیلومتر بر ثانیه، ممکن است پرتابه تنها خرد شود و قطعات جامد حاصل دیواره پشتی را سوراخ کنند؛ اما با عبور از مرز ۷ کیلومتر بر ثانیه، انرژی کافی برای تبخیر کامل فراهم می‌شود.[2]

تکمیل سپر ایستگاه فضایی با الیاف نوین

با وخیم‌تر شدن وضعیت زباله‌های مداری در دهه ۱۹۹۰، مهندسان متوجه شدند سامانه‌های ساده دومرحله‌ای دیگر پاسخگوی زیستگاه‌های طولانی‌مدت نیستند. ایستگاه فضایی بین‌المللی با بیش از ۱۰۰ پیکربندی مختلف حفاظتی در بخش‌های خود، به‌طور گسترده از نسخه‌ای تکامل‌یافته موسوم به «سپر ویپل پرشده» بهره می‌برد.[1][5]

در این روش، لایه‌هایی از پارچه‌های بالستیک پیشرفته در فضای خالی قرار داده می‌شوند تا پیش از برخورد ابر زباله به دیواره، از انرژی آن بکاهند. پشت سپر اولیه آلومینیومی ۲ میلی‌متری، در محافظ استاندارد ناسا شش لایه نکستل (الیاف سرامیکی تافته از آلومینا-بوریا-سیلیکا) و شش لایه کِولار جای گرفته است.[5]

هنگام برخورد ابر ترکش اولیه با نکستل، الیاف شکننده سرامیکی مکرراً به قطعات مذاب شوک وارد کرده و آن‌ها را پودر می‌کنند. سپس لایه‌های کولار مانند دستکشی جاذب عمل کرده و ذرات میکروسکوپی را متوقف می‌کنند تا دیواره آلومینیومی ۴.۸ میلی‌متری عقب سالم بماند.[5]

دیگر سازمان‌های فضایی هم آرایش‌های مشابهی به کار می‌برند. آژانس کاوش‌های هوافضای ژاپن از سپری ۱.۳ میلی‌متری با ۳ لایه نکستل و ۴ لایه کولار استفاده می‌کند؛ آژانس فضایی اروپا نیز از سپری ۲.۵ میلی‌متری، ۴ لایه نکستل و یک لایه کامپوزیت کولار-اپوکسی بهره می‌گیرد.[5]

آزمایش در آستانه حد بالستیک

اعتبارسنجی این طرح‌ها مستلزم آزمایشگاه‌هایی است که بتوانند سرعت‌های مداری را روی زمین بازسازی کنند. محققان از تفنگ‌های گاز سبک دوقلب استفاده می‌کنند که با هیدروژن یا هلیوم فشرده، ساچمه‌های کوچک آلومینیومی را به سمت هدف شلیک می‌کنند.[2][4]

در مؤسسه فرانهوفر آلمان، مهندسان به طور معمول گلوله‌های ۲.۸ میلی‌متری را با سرعت ۷ کیلومتر بر ثانیه شلیک می‌کنند تا لحظه دقیق تبخیر را با دوربین‌های فوق‌سریع ثبت کنند.[2]

بنوآ بونووازین، محقق آژانس فضایی اروپا، در جریان آزمایش‌های سال ۲۰۱۸ توضیح داد: «ما از تفنگ گازی در مؤسسه فرانهوفر برای آزمایش ماده جدیدی که جهت محافظت از فضاپیماها در برابر زباله‌ها مدنظر بود استفاده کردیم.»[2]

این آزمایش‌ها به دانشمندان کمک می‌کند معادلات حد بالستیک را استخراج کنند؛ مدل‌های ریاضیاتی که پیش‌بینی می‌کنند آیا یک پیکربندی زرهی معین در برابر جرمی مشخص با سرعتی معین سوراخ خواهد شد یا خیر. با اصلاح این معادلات، می‌توان ضخامت و فواصل لایه‌ها را بهینه‌سازی کرد و گرم‌های حیاتی را از وزن سازه کاست.[3][4]

محیط پرمخاطره مدار پایینی زمین

نیاز به این زره‌ها ناشی از دوگانگی محیط تهدید در فضاست؛ فضاپیماها از دو جبهه کوبیده می‌شوند: ریزشهاب‌سنگ‌های طبیعی و زباله‌های فضایی دست‌ساز. ریزشهاب‌سنگ‌ها، بقایای دنباله‌دارها و سیارک‌ها، با سرعت‌های سرسام‌آور بین ۱۵ تا ۲۰ کیلومتر بر ثانیه پرواز می‌کنند.[4]

اما خطر فزاینده‌تر از فعالیت‌های انسانی ناشی می‌شود. زباله‌های سرگردان، از ماهواره‌های ازکارافتاده گرفته تا قطعات حاصل از برخوردها، مدار پایینی زمین را تسخیر کرده‌اند. از آنجا که این زباله‌ها در پرترددترین سطوح مداری متمرکز هستند، احتمال برخوردهای فاجعه‌بار با هر پرتاب افزایش می‌یابد.[4]

تکامل از زره‌های ساده به سپرهای چندشوک

گذر از زره‌های یکپارچه به سپرهای چندلایه یک‌شبه حاصل نشد. ماهواره‌های دهه ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ عمدتاً به بدنه سازه‌ای خود متکی بودند زیرا زباله‌های فضایی هنوز ناچیز بود؛ اما با متراکم‌تر شدن مدار، ناکارآمدی دیواره‌های تکی به‌سرعت آشکار شد.[1]

یکی از گام‌های برجسته، سپر چندشوک بود که در فضاپیمای استارداست ناسا در سال ۱۹۹۹ برای گردآوری نمونه از دنباله‌دار به‌کار رفت. در این سپر، به جای یک محافظ، چهار یا چند لایه پارچه سرامیکی فوق‌نازک با فواصل یکنواخت چیده شدند.[1]

هر لایه متوالی مکرراً به پرتابه شوک وارد می‌کرد و دمای داخلی آن را تا مرحله ذوب و تبخیر کامل، مدت‌ها پیش از رسیدن به بدنه اصلی، بالا می‌برد. این مکانیسم ضربه‌های پیاپی به استارداست اجازه داد از گردوغبار غلیظ دنباله‌دار به سلامت گذر کند.[1]

نسل بعدی سپرهای هوشمند و واکنشی

در شرایطی که مجموع جرم اجرام موجود در مدار زمین اکنون از ۹ هزار تن فراتر رفته، پژوهشگران به دنبال مواد نسل بعدی برای تقویت بازدهی سپر ویپل هستند. مطالعات اخیر استفاده از سپرهای واکنشی حاوی ترکیبات پرانرژی را بررسی کرده‌اند که در لحظه برخورد منفجر می‌شوند.[4]

ایده‌های تجربی دیگر بر ساختارهای بازشونده و انطباق‌پذیر تکیه دارند. گزارشی از ناسا در سال ۲۰۰۳ به سپرهایی مجهز به سیم‌های آلیاژ حافظه‌دار پرداخت؛ این مواد حین پرتاب به صورت فشرده جمع می‌شوند و در مدار با گرما باز شده و هندسه ازپیش‌تعیین‌شده زره را می‌سازند.[1]

علاوه بر این، فوم‌های فلزی و کامپوزیت‌های هواژل (آئروژل) به عنوان مواد میانی سبک در حال آزمایش هستند. مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۱ در نشریه «دیفنس تکنولوژی» نشان داد کامپوزیت‌های آئروژل و فایبرگلاس انرژی برخورد را بسیار بهتر از ورقه‌های آلومینیومی با جرم سطحی مشابه مستهلک می‌کنند.[3]

محدودیت‌های دفاع غیرفعال

با تمام این هوشمندی‌ها، سپرهای ویپل همه‌چیزحریف نیستند. آزمایش‌های زمینی نشان می‌دهند سپرهای پرشده به‌راحتی ذرات تا قطر ۱ سانتی‌متر را متوقف می‌کنند؛ اما برای ذرات بزرگ‌تر، ضخامت سپر و ابعاد فاصله باید تصاعدی رشد کند که پرتاب آن را ناممکن می‌سازد.[5]

برای تکه‌های بزرگ‌تر از ۱۰ سانتی‌متر که رادارهای زمینی ردگیری‌شان می‌کنند، تنها راه گریز، مانور مداری است. ایستگاه فضایی بارها با روشن کردن پیشران‌های خود تغییر مدار داده تا از تصادف احتمالی با زباله‌های شناخته‌شده دوری جوید.[2]

سپر ویپل صرفاً برای مقابله با خطرات نامرئی و رهگیری‌نشده میانه میدان کاربرد دارد. این لایه‌های فداشونده با هدایت انرژی جنبشی برخورد علیه خود پرتابه، مانع می‌شوند رگبار مداوم میکروسکوپی مدار، دیواره زیستگاه فضانوردان را سوراخ کند.[5]