سامانه‌های لغو پرتاب فضاپیماهای سرنشین‌دار چگونه جان فضانوردان را نجات می‌دهند؟

بسیاری تصور می‌کنند که پس از روشن شدن موتورهای موشک، فضانوردان مسافرانی کاملاً بی‌دفاع هستند که سرنوشتشان به عملکرد پرتابگر گره خورده است. اما شواهد مهندسی هوافضا خلاف این ادعا را ثابت می‌کند. فضاپیماهای مدرن به سامانه‌های خودمختار لغو پرتاب مجهز هستند که می‌توانند در کسری از ثانیه از یک موشک در حال انفجار فرار کنند.

این سامانه‌های نجات، که به عنوان «سیستم لغو پرتاب» (LAS) شناخته می‌شوند، بر اساس داده‌های لحظه‌ای حسگرها عمل می‌کنند. رایانه‌های پرواز به طور مداوم فشار مخازن و مسیر حرکت را زیر نظر دارند. اگر یک ناهنجاری فاجعه‌بار تشخیص داده شود، فرمان فرار پیش از آنکه مغز انسان بتواند واکنش نشان دهد، صادر می‌شود.[1]

زمان واکنش در این فرآیند حیاتی است و همه چیز در مقیاس میلی‌ثانیه محاسبه می‌شود. به گفته مهندسان ناسا، سیستم‌های خودکار می‌توانند در حدود ۱۰۰ میلی‌ثانیه پس از تشخیص افت فشار، موتورهای فرار را فعال کنند. این سرعت عمل، تضمین می‌کند که کپسول حامل خدمه پیش از گسترش موج انفجار، از منطقه خطر دور شود.[1][5]

معماری کششی با پیشران جامد

از زمان برنامه‌های آپولو و سایوز، رویکرد سنتی استفاده از یک برجک نجات در بالای کپسول فضایی بوده است. این معماری که به عنوان سیستم «کششی» شناخته می‌شود، از موتورهای سوخت جامد برای دور کردن فضاپیما استفاده می‌کند. کپسول اوریون (Orion) ناسا که برای ماموریت‌های آرتمیس طراحی شده، نمونه بارز این فناوری است.[2]

برجک فرار اوریون از سه موتور سوخت جامد مجزا تشکیل شده است که وظایف متفاوتی بر عهده دارند. موتور اصلی لغو پرتاب، نیروی رانشی عظیم تولید می‌کند تا کپسول را از موشک جدا کند. همزمان، موتور کنترل وضعیت، مسیر حرکت را تنظیم کرده و موتور سوم در نهایت برجک را از کپسول جدا می‌سازد.[2]

قدرت این سیستم سوخت جامد به شدت خیره‌کننده است. موتور فرار اوریون با تولید ۴۰۰ هزار پوند نیروی رانش می‌تواند فضاپیما را در عرض تنها دو ثانیه از حالت سکون به سرعت ۸۰۰ کیلومتر بر ساعت برساند. دمای احتراق این پیشران جامد به بیش از ۲۴۵۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد که برای ذوب کردن فولاد کافی است.[1]

با این حال، موتورهای سوخت جامد یک محدودیت ذاتی و غیرقابل تغییر دارند. هنگامی که این پیشران‌ها مشتعل می‌شوند، دیگر نمی‌توان آن‌ها را خاموش کرد و تا پایان سوخت به سوختن ادامه می‌دهند. این ویژگی، قابلیت اطمینان بالایی به همراه دارد اما انعطاف‌پذیری سیستم را در طول ماموریت به شدت کاهش می‌دهد.[6]

پیشران مایع و معماری فشاری

در مقابل رویکرد سنتی، شرکت اسپیس‌اکس برای فضاپیمای کرو دراگون (Crew Dragon) از معماری «فشاری» با پیشران مایع استفاده کرده است. در این طراحی، هیچ برجکی در بالای کپسول وجود ندارد. در عوض، هشت موتور قدرتمند به نام سوپردراکو (SuperDraco) به طور یکپارچه در دیواره‌های خارجی خود کپسول تعبیه شده‌اند.[4]

راز سرعت عمل موتورهای سوپردراکو در انتخاب نوع سوخت آن‌ها نهفته است. این موتورها از ترکیب مونومتیل‌هیدرازین و دی‌نیتروژن تتراکسید استفاده می‌کنند که مواد شیمیایی هایپرگولیک هستند. این بدان معناست که این دو ماده به محض تماس با یکدیگر، بدون نیاز به هیچ سیستم جرقه‌زنی، به طور خودکار مشتعل می‌شوند.[5][6]

حذف سیستم جرقه‌زنی باعث می‌شود تا تاخیر در روشن شدن موتورها به حداقل برسد. هنگامی که رایانه فرمان لغو پرتاب را صادر می‌کند، دریچه‌های سوخت باز شده و موتورها در حدود ۱۰۰ میلی‌ثانیه به حداکثر توان خود می‌رسند. این هشت موتور در مجموع ۱۲۸ هزار پوند نیروی رانش تولید می‌کنند.[4][5]

مزیت اصلی سیستم پیشران مایع، قابلیت استفاده مجدد و چندمنظوره بودن آن است. اگر پرتاب با موفقیت انجام شود و نیازی به لغو پرتاب نباشد، موتورهای سوپردراکو همراه با کپسول به مدار می‌روند. این طراحی یکپارچه، نیاز به دور انداختن برجک نجات در میانه جو را از بین می‌برد و پیچیدگی‌های آیرودینامیکی را کاهش می‌دهد.[6]

تحمل فشارهای گرانشی شدید

فرار از یک موشک در حال انفجار، بهای فیزیکی سنگینی برای بدن انسان به همراه دارد. شتاب ناگهانی فضاپیما باعث ایجاد نیروهای گرانشی (G-force) شدیدی می‌شود که فضانوردان باید آن را تحمل کنند. در سیستم کرو دراگون، فضانوردان در حین فرار نیرویی معادل ۴ تا ۶ برابر جاذبه زمین را تجربه می‌کنند.[6]

سیستم‌های کششی مانند اوریون به دلیل ماهیت انفجاری سوخت جامد، شتاب خشن‌تری ایجاد می‌کنند. داده‌های تله‌متری ناسا از آزمایش‌های پروازی نشان می‌دهد که در صورت فعال شدن سیستم لغو پرتاب اوریون، خدمه نیرویی در حدود ۷ جی را تجربه می‌کنند. این میزان فشار، معادل برخورد شدید دو خودرو از پشت سر ارزیابی شده است.[3]

بدن یک انسان معمولی معمولاً می‌تواند تا ۹ جی را پیش از بیهوشی تحمل کند. اما فضانوردان با تمرینات ویژه و استفاده از صندلی‌های جاذب ضربه، برای تحمل این شرایط آماده می‌شوند. صندلی‌های اوریون با همکاری متخصصان تصادفات مسابقات اتومبیل‌رانی طراحی شده‌اند تا از آسیب‌های نخاعی در برابر این شتاب ناگهانی جلوگیری کنند.[1][2]

تاریخچه پروازهای فضایی نشان می‌دهد که این سیستم‌ها و تحمل فضانوردان تا چه حد حیاتی هستند. در سال ۱۹۷۵، فضاپیمای سایوز ۱۸a شوروی در ارتفاع ۱۴۵ کیلومتری دچار نقص فنی شد. سیستم لغو پرتاب خودکار فعال شد و فضانوردان در حین بازگشت بالستیک به زمین، فشار وحشتناک ۲۱ جی را با موفقیت تحمل کردند.[3]

چالش‌های مهندسی و خطرات پنهان

با وجود کارایی اثبات‌شده، این سامانه‌های نجات خود دارای خطرات مهندسی پیچیده‌ای هستند. سیستم‌های پیشران مایع به دلیل استفاده از شیرهای تنظیم فشار و لوله‌های انتقال سوخت، در معرض خطر نشتی قرار دارند. در آوریل ۲۰۱۹، یک کپسول آزمایشی کرو دراگون دقیقاً به دلیل نشت همین مواد اکسیدکننده در طول یک آزمایش زمینی منفجر شد.[4][5]

تحقیقات اسپیس‌اکس نشان داد که مقداری از دی‌نیتروژن تتراکسید به درون لوله‌های هلیوم نشت کرده بود. هنگام تنظیم فشار در فاصله ۱۰۰ میلی‌ثانیه پیش از احتراق، این مایع با سرعت بالا به یک شیر یک‌طرفه تیتانیومی برخورد کرد. این برخورد باعث تخریب ساختاری شیر و انفجار کل کپسول در سایت آزمایشی کیپ کاناورال شد.[4][5]

این حادثه منجر به بازطراحی کامل سیستم تغذیه سوخت دراگون شد تا از ورود مایعات به خطوط فشار بالا جلوگیری شود. در مقابل، سیستم‌های سوخت جامد مانند اوریون از این نوع خطرات نشتی در امان هستند، زیرا پیشران آن‌ها به صورت یک بلوک جامد و پایدار در داخل محفظه موتور قرار دارد.[5]

با این حال، سیستم‌های سوخت جامد نیز چالش‌های آیرودینامیکی خاص خود را به همراه دارند. برجک فرار در بالای کپسول، مرکز ثقل فضاپیما را تغییر می‌دهد و در مرحله «مکس کیو» (Max Q) یا بیشترین فشار دینامیکی جو، کنترل پایداری موشک را دشوارتر می‌کند. مهندسان باید این عدم تقارن را در طراحی پرتابگر لحاظ کنند.[2]

تضمین بقا در لبه فضا

یکی دیگر از لحظات درخشان عملکرد این سامانه‌ها در سپتامبر ۱۹۸۳ رقم خورد. تنها چند ثانیه پیش از پرتاب سایوز تی-۱۰-۱، موشک حامل بر روی سکو آتش گرفت. سیستم لغو پرتاب (SAS) سایوز فعال شد و کپسول را درست دو ثانیه پیش از انفجار کامل موشک، از میان شعله‌های آتش به بیرون کشید.[3]

در آن حادثه تاریخی، موتورهای سوخت جامد سایوز کپسول را به ارتفاع بالایی در آسمان پرتاب کردند. فضانوردان با وجود تجربه شتابی بین ۱۴ تا ۱۷ جی، کاملاً سالم در فاصله چند کیلومتری سکوی پرتاب فرود آمدند. این رویداد ثابت کرد که واکنش میلی‌ثانیه‌ای ماشین‌ها می‌تواند بر سرعت گسترش آتش غلبه کند.[3]

امروزه، انتخاب میان پیشران جامد و مایع برای سیستم‌های فرار، به فلسفه طراحی سازمان‌های فضایی بستگی دارد. ناسا و لاکهید مارتین برای ماموریت‌های اعماق فضا، قابلیت اطمینان بی‌قید و شرط سوخت جامد را ترجیح می‌دهند. آن‌ها معتقدند که سادگی مکانیکی برجک فرار، بهترین تضمین برای بازگرداندن ایمن فضانوردان به خانه است.[1][2]

از سوی دیگر، شرکت‌های تجاری مانند اسپیس‌اکس، یکپارچگی و استفاده مجدد را در اولویت قرار داده‌اند. موتورهای مایع تعبیه‌شده در بدنه، وزن اضافی برجک را حذف کرده و به کپسول اجازه می‌دهند تا در صورت لزوم، از همین موتورها برای مانورهای مداری یا حتی فرودهای کنترل‌شده در آینده استفاده کند.[4]

در نهایت، هدف نهایی تمامی این معماری‌های پیچیده یکسان است: ایجاد یک حاشیه امن در محیطی که هیچ خطایی را نمی‌بخشد. چه با انفجار کنترل‌شده سوخت جامد و چه با واکنش شیمیایی هایپرگولیک، این سامانه‌ها به عنوان آخرین خط دفاعی، مرز میان یک فاجعه مرگبار و یک فرود اضطراری موفق را تعیین می‌کنند.[6]