احتراق پیشران‌های ته‌نشین‌سازی پیش از روشن شدن دوباره مرحله فوقانی موشک، مانع کاویتاسیون توربوپمپ‌ها می‌شود

رایانه پرواز دستور آغاز توالی روشن‌سازی مجدد موتور در مدار را صادر می‌کند. با این حال پیش از جرقه موتور اصلی، وسیله پرتاب باید با یک چالش بنیادی فیزیک دست‌وپنجه نرم کند: در شرایط بی‌وزنی حاکم بر فضا، پیشران مایع دیگر به شکل منظم در انتهای مخزن قرار ندارد.[3]

در عوض، سوخت و اکسیدکننده آزادانه درون این مرحله معلق می‌شوند. آن‌ها حباب‌های کروی شکل می‌دهند، به دیواره‌های مخزن می‌چسبند یا به‌صورت امواج تلاطمی نامنظم جابه‌جا می‌شوند. اگر شیرهای موتور اصلی در چنین وضعیتی باز شوند، سامانه ترکیبی خطرناک از مایع و گازهای تنظیم فشار را به داخل خواهد کشید.[2]

بلعیده شدن این گاز برای یک موتور موشک با سوخت مایع فاجعه‌بار است. سامانه پیشرانش برای هدایت پیشران به اتاقک احتراق با فشارهای بسیار بالا، متکی به توربوپمپ‌های پرسرعت است؛ پمپ‌های دقیقی که ساختارشان منحصراً برای جابه‌جایی مایعات چگال و تراکم‌ناپذیر مهندسی شده است.[1]

هنگامی که یک توربوپمپ سریعاً در حال چرخش بخار گاز را می‌مکد، پدیده مخرب کاویتاسیون رخ می‌دهد. افت ناگهانی چگالی سیال، دور پروانه پمپ را به فراتر از حد مجاز می‌برد و در همین حال، فروریزش حباب‌های گاز امواج شوک شدیدی ایجاد می‌کند که می‌تواند پره‌های فلزی را در کسری از ثانیه خرد کند.[1]

برای پیشگیری از این شکست مکانیکی، پیشران باید دوباره به انتهای پایینی مخزن رانده شود تا لوله‌های ورودی کاملاً زیر لایه‌ای از مایع قرار گیرند. از آنجا که جاذبه‌ای در مدار برای انجام این کار وجود ندارد، مهندسان به یک سامانه ثانویه اتکا می‌کنند: پیشران‌های کمکی ته‌نشین‌سازی (Ullage Motors).[1]

زمان‌بندی این توالی بدون هیچ حاشیه خطایی تنظیم می‌شود. اگر موتور اصلی پیش از ته‌نشین شدن کامل پیشران روشن شود، کاویتاسیون حاصله وسیله را نابود خواهد کرد؛ در مقابل اگر پیشران‌های ته‌نشین‌سازی بیش از حد کار کنند، جرمی تلف می‌شود که می‌توانست به ظرفیت حمل محموله اختصاص یابد.[1]

فیزیک گرانش مصنوعی

پیشران‌های ته‌نشین‌سازی، ریزموتورهای مستقلی هستند که روی بخش بیرونی مرحله فوقانی نصب می‌شوند. به محض فرمان رایانه پرواز، آن‌ها تنها چند ثانیه پیش از آغاز توالی استارت مجدد موتور اصلی روشن می‌شوند تا رانش فیزیکی لازم را مهیا کنند.

این احتراق، شتاب رو به جلوی ملایم و پیوسته‌ای به کل موشک وارد می‌کند. طبق پژوهش‌های دینامیک سیالات، بیشینه این شتاب ته‌نشین‌سازی معمولاً در حدود ۱ متر بر مجذور ثانیه، یعنی تقریباً یک‌دهم شتاب گرانش زمین است.[1]

از دید پیشران معلق، این شتاب دقیقاً مانند یک گرانش مصنوعی عمل می‌کند. مایع ناچار به سمت بخش عقبی مخزن رانده می‌شود، روی حوضچه خروجی تجمیع پیدا می‌کند و گازهای سبک‌تر تنظیم فشار را به سمت بالای مخزن پس می‌زند.[2]

فرایندی که به عنوان ته‌نشین‌سازی پیشران شناخته می‌شود، لحظه‌ای نیست. پس از جداسازی مرحله‌ها، قطرات اتمیزه‌شده اکسیژن مایع می‌توانند با سرعت تقریبی ۰٫۵ متر بر ثانیه در فضای مخزن شناور شوند؛ بنابراین برای غلبه بر اندازه حرکت رو به بالای آن‌ها، رانش مداوم پیشران ته‌نشین‌سازی ضروری است.[1]

مهندسان موظفند مدت زمان دقیق لازم برای ته‌نشینی را بر اساس هندسه خاص مخزن محاسبه کنند. پیشران‌های ته‌نشین‌سازی باید به اندازه‌ای کار کنند تا اطمینان حاصل شود پیش از شروع به کار توربوپمپ‌های اصلی، حوضچه‌ای از مایع کاملاً عاری از بخار تشکیل شده است.[1][2]

این رابطه ریاضی میان رانش، جرم و زمان ته‌نشینی، ابعاد پیشران‌های ته‌نشین‌سازی را تعیین می‌کند. مهندسان ناچارند بین نیاز به راه‌اندازی سریع موتور و جریمه وزنی ناشی از حمل پیشران‌های کمکی بزرگ‌تر به مدار، توازن برقرار کنند.[1]

راهکارهای تاریخی و کاربردهای امروزی

مسئله فضای خالی و ته‌نشینی سوخت، از دوران برنامه آپولو بر طراحی موشک‌ها سایه افکنده است. در مأموریت‌های ساترن ۵، مرحله سوم S-IVB ناچار بود موتور حاوی اکسیژن و هیدروژن مایع خود را در مدار مجدداً روشن کند تا مانور حیاتی تزریق به سوی ماه را به انجام برساند.

مهندسان ناسا از طریق آزمایش در برج‌های سقوط آزاد دریافتند که پیشران‌های کوچک مرحله S-IVB در ابتدا توان کافی برای مهار هیدروژن مایع بسیار فرار را نداشتند. در نهایت آن‌ها مجبور شدند تیغه‌های آرام‌بخش داخلی نصب کنند تا پیش از روشن شدن موتورها، امواج تلاطمی پیشران را مهار سازد.

امروزه شتاب ته‌نشین‌سازی همچنان راهکار استاندارد مراحل فوقانی کرایوژنیک بزرگ باقی مانده است. موشک‌هایی نظیر فالکون ۹ و سامانه پرتاب فضایی (SLS) به این سوزش‌های دقیق تکیه دارند تا از احتراق ایمن موتورهای خود در خلأ فضا اطمینان یابند.[1]

برخی از پرتابگرها از پیشرانه‌های گاز سرد با استفاده از نیتروژن یا هلیوم فشرده برای تأمین این شتاب بهره می‌برند. دسته‌ای دیگر از موشک‌های کوچک سوخت جامد استفاده می‌کنند که قابلیت اطمینان بسیار بالایی دارند و پیچیدگی‌های محیط ریزگرانش هیچ اثری بر عملکرد آن‌ها نمی‌گذارد.[1]

با این حال، پیشران‌های ته‌نشین‌سازی سوخت جامد چالش‌های عملیاتی بلندمدت خود را به همراه دارند. این موتورها قابل کاهش توان یا خاموش‌سازی نیستند و تا تمام شدن سوخت می‌سوزند؛ همچنین پوسته خالی آن‌ها معمولاً پس از جدا شدن مرحله در مدار رها می‌شود.

فرایند جداسازی فیزیکی این موتورهای مصرف‌شده اغلب شدید و همراه با ضربه است. پیچ‌های انفجاری اتصال مکانیکی به مرحله اصلی را قطع می‌کنند و پوسته‌های خالی را به چرخش در فضا درمی‌آورند تا از تداخل آن‌ها با توالی احتراق موتور اصلی جلوگیری شود.

چالش زباله‌های مداری

میراث این پیشران‌های کوچک به خطری همیشگی در مدار نزدیک زمین بدل شده است. به عنوان نمونه، موشک‌های پروتون روسیه از نوع خاصی از پیشران مرحله فوقانی موسوم به SOZ استفاده می‌کنند که به سامانه تضمین پرتاب تعبیر می‌شود.

به گزارش ناظران بقایای فضایی، موتورهای SOZ همیشه تمام سوخت جامد خود را در طول احتراق کوتاه ته‌نشین‌سازی مصرف نمی‌کنند. دهه‌ها پس از به‌کارگیری، سوخت باقی‌مانده ممکن است دچار فرسودگی شیمیایی و افزایش فشار شود و در نهایت به صورت خودبه‌خودی در خلأ فضا منفجر گردد.

در سال ۲۰۲۲، نیروی فضایی ایالات متحده انفجار یک موتور ته‌نشین‌سازی موشک پروتون را رصد کرد که از زمان پرتاب یک ماهواره گلوناس در سال ۲۰۰۷ در مدار زمین می‌چرخید. جاناتان مک‌داول، اخترفیزیکدان، درباره این تکه‌تکه شدن اشاره کرد: «این رویداد آواری قابل پیش‌بینی بود و سازوکار آن به خوبی درک شده است؛ اما همچنان بسیار ناگوار تلقی می‌شود.»

اخترفیزیکدانان در حال حاضر دست‌کم ۶۴ فروند از این موتورهای دست‌نخورده SOZ را در مدار ردگیری می‌کنند. حضور آن‌ها گواهی است بر بده‌بستان‌های پیچیده مهندسی هوافضا؛ جایی که یک راه‌حل ساده و مطمئن برای استارت مجدد موتور، دهه‌ها بعد چالشی زیست‌محیطی پدید می‌آورد.

به منظور کاهش این مخاطرات، طراحان موشک‌های مدرن در حال بررسی شیوه‌های دقیق غیرفعال‌سازی (Passivation) هستند. مهندسان قصد دارند با اطمینان از تخلیه کامل سوخت یا تخلیه ایمن فشار موتورهای کمکی، از انفجارهای آینده جلوگیری کرده و با دستورالعمل‌های بین‌المللی مهار پسماند فضایی همگام شوند.[1]

خروج فعال از مدار نیز به تدریج به یک الزام استاندارد تبدیل می‌شود. مراحل فوقانی نسل آینده به گونه‌ای مهندسی می‌شوند که سوخت کافی برای یک سوزش پایانی ته‌نشین‌سازی و استارت موتور را حفظ کنند تا عامدانه وارد جو زمین شده و با سوختن در آن منهدم شوند.[1]

جایگزین‌های رانش فعال

در حالی که پرتابگرهای سنگین نیازمند پیشران‌های ته‌نشین‌سازی هستند، فضاپیماهای کوچک‌تر رویکرد متفاوتی را در پیش می‌گیرند. ماهواره‌ها و کاوشگرهای اعماق فضا اغلب برای هدایت سوخت مایع بدون نیاز به شتاب فعال، از ادوات مدیریت پیشران (PMD) استفاده می‌کنند.[1]

ادوات PMD سازه‌های مکانیکی داخلی و بدون عضو متحرک در مخزن هستند که از توری‌ها، پره‌ها و ساختارهای اسفنجی تیتانیومی تشکیل شده‌اند. این سامانه‌ها از قوانین کشش سطحی و خاصیت مویینگی بهره می‌برند؛ نیروهایی که در غیاب کامل جاذبه، به پدیده‌های غالب بر رفتار سیال تبدیل می‌شوند.[1][2]

این ادوات با جذب مویینه‌ای، پیشران مایع را به سمت مجرای مکش موتور هدایت می‌کنند و جریان مداوم سوخت را حتی هنگام خالی شدن بخش عمده مخزن تضمین می‌نمایند. از آنجا که این سازه‌ها فاقد قطعات متحرک هستند، برای مأموریت‌های مداری چندساله قابلیت اطمینان فوق‌العاده‌ای ارائه می‌دهند.[1]

با وجود این، نیروی مویینگی برای مهار حجم عظیم پیشران برودتی در یک مرحله فوقانی موشک بسیار ضعیف است. در مأموریت‌های ترابری سنگین، کشش سطحی توان رقابت با نیروی شتاب مصنوعی حاصل از پیشران خارجی را ندارد.[1]

افزون بر این، مایعات برودتی مانند اکسیژن و هیدروژن مایع مدام در حال تبخیر و جوشش هستند و حباب‌های گازی پدید می‌آورند که جداسازی آن‌ها برای سامانه‌های PMD ناممکن است. تنها اعمال یک شتاب فیزیکی مستمر می‌تواند این حباب‌ها را به بخش فوقانی مخزن پس زده و لوله‌های تغذیه را شفاف نگه دارد.[1]

در نهایت، نسل آینده ناوگان انتقال مداری همچنان متکی به هماهنگی دقیق فرایند ته‌نشین‌سازی سوخت خواهد بود. رایانه پرواز کماکان آن شلیک کوتاه و حیاتی پیشران را فرمان خواهد داد تا اطمینان یابد پیشران مایع دقیقاً در همان نقطه‌ای قرار گرفته که سازوکار موشک به آن نیاز دارد.[3]