تفاوت پروازهای مداری و زیرمداری: چرا برخی فضاپیماها به دور زمین نمی‌چرخند؟

هنگامی که شرکت‌های فضایی تجاری مانند «بلو اوریجین» (Blue Origin) و «ویرجین گلکتیک» (Virgin Galactic) مسافران را در ماموریت‌های سال ۲۰۲۶ به لبه فضا می‌فرستند، این افراد سیاهی عمیق کیهان و چند دقیقه بی‌وزنی را تجربه می‌کنند. با این حال، با وجود عبور از مرز شناخته‌شده فضا، این فضاپیماها به دور زمین نمی‌چرخند. آن‌ها بالا می‌روند، مدت کوتاهی شناور می‌مانند و مستقیماً به پایین برمی‌گردند. این تمایز بنیادین میان «رسیدن به فضا» و «ماندن در فضا»، خط جداکننده پروازهای زیرمداری و مداری است.[2][3]

یک تصور غلط رایج این است که جاذبه در ارتفاع خاصی متوقف می‌شود و رسیدن به فضا تنها نیازمند صعود به ارتفاع کافی است. فدراسیون بین‌المللی هوانوردی (FAI) خط کارمان (Kármán line) را به عنوان مرز فضا در ارتفاع ۱۰۰ کیلومتری (۶۲ مایلی) بالاتر از سطح دریا تعریف می‌کند. رسیدن به این ارتفاع نیازمند حرکت عمودی فضاپیما با سرعت بالا است، اما در ارتفاع ۱۰۰ کیلومتری، کشش گرانشی زمین هنوز تقریباً به همان اندازه سطح زمین قدرتمند است.[1][5]

برای جلوگیری از سقوط به زمین، یک فضاپیما باید به «سرعت مداری» دست یابد. این بدان معناست که فضاپیما باید به قدری سریع در جهت افقی حرکت کند که در حالی که جاذبه آن را به پایین می‌کشد، انحنای زمین با همان سرعت از زیر آن کنار برود. برای مدار سفلی زمین (LEO)، این امر نیازمند سرعت افقی خیره‌کننده حدود ۲۸,۰۰۰ کیلومتر بر ساعت (۱۷,۴۰۰ مایل بر ساعت) است. در یک پرواز مداری، فضاپیما در وضعیت سقوط آزاد مداوم به دور سیاره قرار دارد.[1]

مهندسان انرژی لازم برای این مانورها را با استفاده از معیاری به نام «دلتا-وی» (Delta-v) یا تغییر در سرعت اندازه‌گیری می‌کنند. اعداد شکاف عظیمی را نشان می‌دهند: یک پرواز زیرمداری عمودی به ارتفاع ۱۰۰ کیلومتر تنها به دلتا-وی حدود ۱.۴ کیلومتر بر ثانیه نیاز دارد. در مقابل، رسیدن به مدار سفلی زمین نیازمند دلتا-وی ۹.۲ تا ۱۰ کیلومتر بر ثانیه است تا سرعت مداری، پساپ اتمسفری و تلفات گرانشی جبران شود.[1]

این تفاوت ۶.۵ برابری در الزامات سرعت، کل معماری یک موشک را تعیین می‌کند. بر اساس معادله موشک تسیولکوفسکی، جرم پیشران به صورت نمایی با دلتا-وی افزایش می‌یابد. به همین دلیل است که وسایل نقلیه زیرمداری می‌توانند نسبتاً کوچک و تک‌مرحله‌ای باشند، در حالی که موشک‌های مداری مانند فالکون ۹ شرکت اسپیس‌ایکس به مخازن سوخت عظیم و مراحل متعدد نیاز دارند تا تنها کسری از جرم کل خود را به مدار برسانند.[1][6]

فضاپیمای «نیو شپرد» (New Shepard) متعلق به بلو اوریجین نمونه کاملی از یک مسیر زیرمداری را ارائه می‌دهد. موتور BE-3 با سوخت هیدروژن، موشک را تقریباً مستقیماً به سمت بالا می‌راند و به سرعت حدود ماخ ۳ (تقریباً ۳,۶۰۰ کیلومتر بر ساعت) می‌رساند. در ارتفاع حدود ۴۰ کیلومتری، موتور خاموش می‌شود و کپسول با استفاده از تکانه خود از مرز ۱۰۰ کیلومتر عبور می‌کند. مسافران در نقطه اوج (Apogee) بین ۳ تا ۴ دقیقه ریزگرانش را تجربه می‌کنند، پیش از آنکه جاذبه کپسول را برای فرود با چتر به پایین بکشد.[3][5]

فضاپیمای «وی‌اس‌اس یونیتی» (VSS Unity) متعلق به ویرجین گلکتیک از روش متفاوتی استفاده می‌کند اما به قوس زیرمداری مشابهی دست می‌یابد. این هواپیمای فضایی توسط یک هواپیمای مادر تا ارتفاع ۱۳,۰۰۰ متری حمل شده، سپس رها می‌شود و موتور موشک هیبریدی خود را به مدت ۶۰ ثانیه روشن می‌کند. این فضاپیما به سرعت ماخ ۲.۹ و نقطه اوج حدود ۸۵ کیلومتر می‌رسد و از مرز ۸۰ کیلومتری که توسط ارتش آمریکا و اداره هوانوردی فدرال (FAA) به رسمیت شناخته شده، عبور می‌کند. این فضاپیما نیز مانند نیو شپرد فاقد سرعت افقی برای چرخش در مدار است و باید با گلاید کردن به باند فرود بازگردد.[2][4]

سیریشا باندلا (Sirisha Bandla) از مدیران ویرجین گلکتیک پس از فرود موفقیت‌آمیز فضاپیمای این شرکت اعلام کرد: «چه فرود زیبایی و چه راهی عالی برای تکمیل اولین پرواز تجاری ما.» این پروازهای زیرمداری اکنون یک پلتفرم بسیار کارآمد و مقرون‌به‌صرفه برای تحقیقات علمی و گردشگری فضایی ارائه می‌دهند. با نیاز به ۸۵ درصد انرژی کمتر نسبت به یک پرتاب مداری، این پروازها دقایق حیاتی ریزگرانش را برای آزمایش‌ها فراهم می‌کنند، بدون آنکه هزینه‌های نمایی و پیچیدگی‌های مکانیک مداری را تحمیل کنند.[1][2][6]