استفاده از پساپ اتمسفری به عنوان پیشران: چگونه ترمز و تسخیر هوایی جرم انتقال سیاره‌ای را کاهش می‌دهند

گره بحرانی در هر انتقال بین‌سیاره‌ای، فاز ورود به مدار است؛ پنجره‌ای کوتاه و بی‌رحم که در آن فضاپیما باید تا ۷ کیلومتر بر ثانیه از سرعت خود بکاهد، در غیر این صورت با خطر عبور از هدف و ورود به فضای عمیق مواجه می‌شود. به طور سنتی، این کاهش سرعت نیازمند یک احتراق عظیم پیشرانش شیمیایی است، به این معنی که وسیله نقلیه باید هزاران کیلوگرم پیشران را در سراسر منظومه شمسی حمل کند تا تنها در پایان سفر ترمزهای خود را فعال کند. از آنجا که هر کیلوگرم سوخت جایگزین یک کیلوگرم محموله علمی می‌شود، طراحان ماموریت به طور فزاینده‌ای این فرآیند کاهش سرعت را به خود مقصد واگذار کرده و از اصطکاک اتمسفر سیاره برای تسخیر وسیله نقلیه استفاده می‌کنند.

این اتکا به پساپ اتمسفری به سه پروفایل عملیاتی مجزا تقسیم می‌شود: ترمز هوایی، تسخیر هوایی و کمک‌گرانشی هوایی (یا گذر هوایی). اگرچه همه آن‌ها در فیزیک پایه یعنی تبدیل انرژی جنبشی به انرژی حرارتی از طریق اصطکاک آیرودینامیکی مشترک هستند، اما کاربردهای ماموریتی آن‌ها به شدت متفاوت است. بر اساس تحلیلی که در سال ۲۰۲۰ توسط IntechOpen منتشر شد، این تکنیک‌ها می‌توانند جرم اولیه مورد نیاز در مدار سفلی زمین را برای یک ماموریت مریخ تا ۵۰ درصد کاهش دهند و اقتصاد و معماری اکتشافات سیاره‌ای را به طور بنیادین تغییر دهند.[1]

ترمز هوایی محافظه‌کارانه‌ترین و پرکاربردترین روش در میان این سه متد است. فضاپیما پس از رسیدن به هدفی مانند مریخ یا زهره، یک احتراق کوچک با موتور متعارف انجام می‌دهد تا وارد یک مدار اولیه به شدت بیضوی شود. طی ۳ تا ۶ ماه پس از آن، وسیله نقلیه به طور مکرر در پایین‌ترین نقطه مدار خود که به عنوان حضیض (periapsis) شناخته می‌شود، به حاشیه‌های فوقانی اتمسفر نفوذ می‌کند.

هر گذر از میان اتمسفر رقیق فوقانی مقدار کمی پساپ ایجاد می‌کند و به تدریج بالاترین نقطه مدار (اوج یا apoapsis) را کاهش می‌دهد تا زمانی که مسیر دایره‌ای مطلوب به دست آید. ماهیت تدریجی این فرآیند، بارهای حرارتی و مکانیکی را به خوبی در محدوده تحمل مواد استاندارد فضاپیما نگه می‌دارد. همان‌طور که یه لو (Ye Lu)، پژوهشگر هوافضا، در تحلیل سال ۲۰۲۰ IntechOpen تشریح کرد: «مانور ترمز هوایی برای نخستین بار در سال ۱۹۹۳ و پس از اتمام ماموریت اصلی کاوشگر ماژلان (Magellan) در سیاره زهره با موفقیت به نمایش درآمد.»[1]

در مقابل، تسخیر هوایی تلاش می‌کند تا کل فرآیند ورود به مدار را در یک شیرجه تهاجمی و یک‌باره محقق کند. فضاپیما به جای ورود به یک مدار بیضوی اولیه از طریق احتراق شیمیایی، مستقیماً از مسیر انتقال بین‌سیاره‌ای خود با اتمسفر هدف برخورد می‌کند. وسیله نقلیه به عمق پوشش اتمسفری نفوذ کرده و با استفاده از پساپ شدید آیرودینامیکی، سرعت هذلولی مازاد خود را در عرض ۳ تا ۵ دقیقه تخلیه می‌کند.

هنگامی که سرعت فضاپیما به اندازه‌ای کاهش یافت که در چاه گرانشی سیاره گرفتار شود، دماغه خود را بالا کشیده و از اتمسفر خارج می‌شود. سپس یک احتراق اصلاحی کوتاه و کوچک در اوج مداری جدید نیاز است تا حضیض را دوباره به خارج از اتمسفر بازگردانده و مدار را تثبیت کند. همان‌طور که Universe Today در تحلیلی در سال ۲۰۲۳ این مانور را توصیف کرد، تسخیر هوایی نمایانگر یک «ناهار رایگان در اکتشافات فضایی» است که از نظر تئوری به محموله‌های سنگین اجازه می‌دهد بدون جریمه‌های سوختی عظیم ناشی از ورود شیمیایی، به مدار برسند.[5]

با این حال، حاشیه خطا در تسخیر هوایی بسیار باریک است. فضاپیما باید به یک دالان ورودی دقیق برخورد کند که اغلب تنها ۲ تا ۵ کیلومتر عرض دارد. اگر زاویه ورود بیش از حد کم‌عمق باشد، وسیله نقلیه پساپ کافی تولید نکرده و از روی اتمسفر کمانه می‌کند و در فضای عمیق گم می‌شود. اگر زاویه بیش از حد تند باشد، بارهای حرارتی و ساختاری از ظرفیت سپر حرارتی فراتر رفته و کاوشگر را خاکستر خواهد کرد.

علی‌رغم این خطرات، تسخیر هوایی برای استقرار منظومه‌های سیاره‌ای به یک ضرورت تبدیل می‌شود. مطالعه‌ای که در MDPI Aerospace منتشر شد، استفاده از تسخیر هوایی برای فضاپیماهای کوچک را ارزیابی کرد و نتیجه گرفت که این روش «دسترسی مستقیم به مدارهای دایره‌ای پایین» را فراهم می‌کند؛ امری که در غیر این صورت برای محموله‌های ثانویه زیر ۵۰۰ کیلوگرم که فاقد سیستم‌های پیشرانش بزرگ هستند، غیرممکن خواهد بود. با تجهیز ماهواره‌های کوچک به دامن‌های پساپ بازشونده یا پوسته‌های هوایی صلب، مهندسان می‌توانند شبکه‌های کاملی از ماهواره‌های ارتباطی و رصدی را به مریخ ارسال کنند.[2]

محدودیت اصلی مهندسی برای هر دو فرآیند تسخیر هوایی و ورود اتمسفری با سرعت بالا، مدیریت حرارتی است. انرژی جنبشی دفع‌شده در طول کاهش سرعت، مستقیماً به یک موج شوک پلاسمای فوق‌داغ تبدیل می‌شود که دمای آن در جلوی وسیله نقلیه به بیش از ۱۰,۰۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. یک گزارش فنی ناسا در سال ۲۰۱۹، توسعه یک «سیستم تسخیر هوایی و ورود پلاسمایی» را تشریح کرد که از میدان‌های مغناطیسی برای انحراف پلاسمای یونیزه‌شده از بدنه فضاپیما استفاده می‌کند و به طور بالقوه ضخامت و جرم مورد نیاز سپرهای حرارتی فرسایشی سنتی را کاهش می‌دهد.[3]

فراتر از ورود به مدار، پساپ اتمسفری می‌تواند با قلاب‌سنگ‌های گرانشی ترکیب شود تا فضاپیماها را به سمت بخش‌های بیرونی منظومه شمسی شتاب دهد. این مانور که به عنوان کمک‌گرانشی هوایی یا گذر هوایی شناخته می‌شود، شامل پرواز یک بدنه برآرزا از میان اتمسفر یک سیاره است تا مسیر را با زاویه‌ای تندتر از آنچه گرانش به تنهایی اجازه می‌دهد، خم کند.

با تولید نیروی برآر آیرودینامیکی به سمت سطح سیاره، فضاپیما به طور مصنوعی کشش گرانشی موثر را افزایش می‌دهد و امکان چرخش بسته‌تر و افزایش سرعت بیشتری را از تکانه مداری سیاره فراهم می‌کند. تحقیقات منتشرشده در Journal of Spacecraft and Rockets، در کنار مطالعات AIAA در مورد مسیرهای نیرودار بهینه، تاکید می‌کند که بهینه‌سازی شکل وسیله نقلیه برای نسبت‌های بالای برآر به پسا، برای این مانورها ضروری است؛ مانورهایی که می‌توانند زمان انتقال به مقاصدی مانند مشتری یا پلوتو را به میزان سال‌ها یا حتی دهه‌ها کاهش دهند.[4][8]

نشریه Journal of Astronautics در سال ۲۰۰۵ این مسیرها را بیشتر مورد بررسی قرار داد و نشان داد که یک کمک‌گرانشی هوایی در مریخ یا زهره می‌تواند پنجره‌های پرتاب و ظرفیت‌های محموله را برای ماموریت‌های فضای عمیق به میزان قابل‌توجهی گسترش دهد. با این حال، گرمایش آیرودینامیکی در طول چنین مانور پرسرعتی نیازمند سیستم‌های حفاظت حرارتی پیشرفته‌ای است که مرزهای علم مواد کنونی را جابه‌جا می‌کند.[7]

همزمان با تغییر رویکرد آژانس‌های فضایی از ماموریت‌های پرچمدار منفرد به سمت زیرساخت‌های پایدار، اتکا به مانورهای اتمسفری تنها افزایش خواهد یافت. مجله Astronomy در اکتبر ۲۰۲۳ گزارش داد که ماموریت‌های آینده به غول‌های یخی، یعنی اورانوس و نپتون، احتمالاً برای ورود به مدار نیازمند تسخیر هوایی خواهند بود، زیرا زمان‌های انتقال چند دهه‌ای، حمل پیشران شیمیایی برای ورود به مدار را عملاً غیرممکن می‌سازد.[6]

گذار از کاهش سرعت شیمیایی به تسخیر آیرودینامیکی، نمایانگر یک تغییر بنیادین در لجستیک بین‌سیاره‌ای است. دوام‌پذیری نهایی این مانورهای تهاجمی اکنون به نسل بعدی سپرهای حرارتی بازشونده و سیستم‌های هدایت خودکار بستگی دارد که باید این شیرجه‌های اتمسفری پرخطر را با مداخله بی‌درنگ صفر از سوی زمین اجرا کنند.