چندبار مصرف‌ها (1)

نگاهی به تکامل پروژۀ استارشیپ[1]

کمپانی اسپیس‌اکس[2] و بنیان‌گذار و صاحب آن ایلان ماسک[3]همواره هدف تبدیل‌شدن انسان‌ها به تمدنی چندسیاره‌ای را در ذهن دارند و در طی زمان و با در نظرگیری هدف اصلی آنان یعنی مریخ، ایده‌ها و طرح‌های مفهومی ارائه شده تا وسیله‌ای قابل‌ اتکا و ارزان‌قیمت و صددرصد قابل‌استفادۀ مجدد را ارائه دهد. پس از چند سال و تغییر اسامی مختلف، در نهایت اسم استارشیپ بر روی این پروژه گذاشته شد که هدف آن بردن انسان به ماه و مریخ و متمدن‌سازی مریخ می‌باشد.

اسپیس‌اکس برای متمدن‌سازی مریخ، قصد تولید انبوه این موشک را دارد؛ هم‌چنین طبق اعلام این شرکت، از این موشک می‌توان برای سفرهای زیرمداری نیز استفاده کرد؛ به‌طوری‌که مسافر می‌تواند در حدود 60 دقیقه یا کمتر به دورترین نقاط جهان سفر کند.

این موشک فوق‌سنگین دومرحله‌ای با ارتفاع حدود 120 متر از موتورهای پیشران رپتر[4]استفاده می‌کند و سوخت آن متان مایع و اکسایندة آن اکسیژن مایع می‌باشد.

مرحلۀ دوم این موشک که آن نیز استارشیپ نامیده می‌شود با داشتن سه موتور رپتر و سه موتور مخصوص خلأ رپتر که نازل آن‌ها مخصوص شرایط خلأ طراحی شده قابلیت حمل بار بیشتر از 100 تن تا مدار LEO[5]، 21 تن بدون سوخت‌گیری و بالای 100 تن با سوخت‌گیری دوباره تا مدار [6]GTO و همچنین ماه و مریخ را دارد. ظرفیت حمل انسان استارشیپ نیز 100 نفر تعیین شده‌است. استارشیپ قابلیت سوخت‌گیری دوباره در مدار را دارد و می‌تواند با اتصال به استارشیپ دیگری سوخت‌گیری کند و به عملیات خود ادامه دهد.

استارشیپ قابلیت فرود با مانور خاصی را دارد که طی آن استارشیپ هنگام ورود به جو به حالت افقی درآمده و سرعت حدی خود را شدیداً کاهش می‌دهد، پس از رسیدن به ارتفاع لازم سه رپتر روشن شده با استفاده از باله‌های کنترل آیرودینامیکی موشک به حالت عمودی بازگشته و به‌وسیلۀ پاهای فرود خود می‌نشیند. برای محقق‌شدن این امر از دو تانکر کوچک اضافه یا هدر تنک[7] در نوک و میانة استارشیپ استفاده می‌شود تا سوخت موردنیاز فرود تأمین شود.

مرحلۀ اول استارشیپ، فوق‌سنگین[8] نام دارد که طبق آخرین تغییرات دارای 32 موتور رپتر خواهد بود و سرعت لازم برای مرحلۀ دوم را فراهم می‌کند.

در حال حاضر این پروژه مراحل آزمایشی خود را به‌صورت تکرارشونده و اصلاح خطاها طی می‌کند. این پروژه تست‌های مختلفی را گذرانده و دچار تغییراتی در طراحی خود شده، در ادامه به سیر تکاملی مدل‌های آزمایشی این پروژه به‌ترتیب زمان می‌پردازیم:

اولین نسخۀ آزمایشی استارشیپ که برای تست قابلیت‌ها و انجام‌پذیری این پروژه در ابعادی کوچک‌تر از طراحی خود استارشیپ ساخته شد و در طول عمر کاری خود دو پرواز و فرود موفق در سال 2019، یکی به ارتفاع 20 متر و یکی 150 متر داشت و پس از آن نسخه‌های پیشرفته و کامل‌تر ایجاد شد و این نسخه بازنشسته شد.

MK-1:

مدلی آزمایشی از بدنۀ کامل استارشیپ که به‌اصطلاح به‌عنوان مسیریاب و نمایش ساخت از آن استفاده شد و در سال 2019 پس از حذف دماغه و باله‌ها و سه موتور رپتری که به آن متصل شده‌بود، در تست فشار[10]تانکر سوخت تخریب شد.

MK-3 / SN[11]-1، SN-2 و SN-3:

اسپیس‌اکس از ساخت نسخة دوم یعنی MK-2 صرف‌نظر کرد و مستقیماً به سراغ نسخۀ سوم رفت، طی نام‌گذاری جدید، این مدل SN-1 نام‌گذاری شد. این نسخه هم طی تست فشار فوق سرد[12]در سال 2020 تخریب شد. نسخه‌های بعدی تا SN-3برای تست تانکر سوخت ساخته شدند و جنبۀ پرواز نداشتند.

SN-2

صرفاً به‌شکل مخزن و محفظۀ سوخت برای تست ساخته شد، چرا که اسپیس‌اکس قصد ارتقای طراحی به‌منظور تحمل فشارهای هنگام پرواز را داشت که تست فشار موفقی هم گذراند.

SN-3

اولین نسخه‌ای بود که قسمت تانکرهای سوخت آن کامل ساخته شد و یک موتور رپتر گرفت و قرار بود به‌منظور تست‌های استاتیک فایر[13] و پرش‌های کم‌ارتفاع استفاده شود و تست دمایی موفقی داشت؛ اما هنگام تست فشار فوق‌سرد به‌دلیل خطای پیکربندی[14]و بازماندن یک شیر کنترل فشار نیتروژن و کاهش فشار و در نتیجه فروریختن سازه در اثر وزن خود، تخریب شد. مقرر بود که پس از تست فشار یک استاتیک فایر انجام شود که دیگر ممکن نبود.

SN-4:

همانند SN-3، این نسخه قصد تست زمینی و یک پرش کوتاه داشت. تست فوق سرد و دو تست استاتیک فایر موفقی را داشت که یک استاتیک فایر با استفاده از تانکرهای اصلی سوخت و دیگری به‌وسیله هدر تنک‌ها که برای فرود طراحی شده بودند انجام شد؛ اما هنگامی که رپتر برای بار سوم روشن‌شد، ارتعاشات حاصل از موتور لولة متان ورودی به موتور را شل کرد که در نتیجه نشت متان اتفاق افتاد و آتش‌گرفتن آن باعث خسارت زیادی به بخش پایینی و قسمت‌های کنترل شد؛ به‌طوری‌که حتی بخش کنترل قادر نبود فشار مخزن‌ها را تا دو روز کاهش دهد و در نهایت این نسخه پس از گذراندن استاتیک فایر موفق دیگری در اثر اشکال در بخش اتصال و قطع در سامانه‌های زمینی مرتبط‌به لوله‌های انتقال سوخت به استارشیپ منفجر و تخریب شد.

SN-5:

این نسخه اولین نسخه‌ای بود که هدف تست پرش 150متری خود را به‌وسیلۀ یک رپتر تکمیل کرد. پس از یک تست استاتیک فایر موفق این پرش انجام شد که طی آن موتور دچار حریق کوچکی شد که تأثیری روی مأموریت نگذاشت. چند ماه پس از انجام تست‌ها، این نسخه تجزیه و اسقاط شد.

SN-6:

بلافاصله پس از SN-5و در همان ماه پرتاب آن، SN-6 که نسخة جدید و اصلاح‌شده بود به سکوی پرتاب آمد و یک تست موفق استاتیک فایر داشت و پس از چند روز همانند SN-5، پرش 150متری خود را به‌وسیلة یک موتور رپتر انجام داد. این نسخه نیز پس از چند ماه تجزیه و اسقاط شد.

SN-7 و SN-7.1:

این دو مانند SN-2 صرفاً به شکل تانکر ساخته شدند تا تست‌های فشاری و مقاومت روی آن‌ها انجام شود. هر دوی این نسخه‌ها به‌عمد تا مرز تحمل تحت تست فشار نیتروژن فوق سرد قرار گرفتند. SN-7 که آلیاژ فولاد آن از نوع 301در مخزن‌های نسخه‌های قبلی به 304L تغییر داده شد، در فشار 7.6 بار[15] دچار نشتی شد؛ اما منفجر نشد که نشان‌دهندة پیشرفت بود. SN-7.1نیز که مشابه SN-7 با تفاوت‌های جزئی در طراحی بود، تحت تست فشار فوق سرد به‌طور عمد منفجر شد.

SN-8:

این نسخه اولین نسخه با هدف پرتاب با ارتفاع بالا و فرود و دارای دماغه و باله‌های کنترل آئرودینامیکی بود و سه موتور رپتر دریافت کرد. این نسخه ابتدا پس از تنها سرهم‌شدن مخزن‌ها، یک تست استاتیک فایر را طی کرد و سپس دماغه و باله‌های آن متصل شدند. پس گذراندن یک تست فوق سرد، چهار آزمایش استاتیک فایر روی این نسخه انجام شد که در سومین آزمایش در اثر پرتاب‌شدن قطعاتی در محل تست، SN-8 دچار آسیب جزئی شد. ابتدا مقرر بود که پرواز تا ارتفاع 15 کیلومتری انجام شود؛ اما این مقدار مقرر به 12.5 کیلومتر کاهش یافت. اولین اقدام برای پرتاب SN-8 به‌طور خودکار توسط موتورهای رپتر متوقف شد؛ اما فردای آن روز اولین پرواز ارتفاع بالا با موفقیت انجام شد که طی آن استارشیپ پس از رسیدن به ارتفاع مقرر با خاموش‌کردن موتورها در وضعیت سقوط قرار گرفته و حالت افقی به خود گرفت، به‌خوبی تعادل خود را حفظ کرد، سپس هنگام فرود موتورهای خود را روشن کرد تا به وضعیت عمودی در آید، پس از این، کاهش سرعت به‌منظور فرود آرام انجام می‌گیرد؛ اما به دلیل افت فشار در تانکرهای هدر رانش[16] لازم ایجاد نشد و SN-8 با برخوردی سخت به زمین منفجر شد.

SN-7.2:

بعد از SN-8 تولید شد، مشابه SN-7.1 بود با چند تفاوت اساسی: داشتن اهرم‌های ایجاد فشار روی محل قرارگیری موتور برای تست نیروهای وارده هنگام پرواز و کاهش ضخامت بدنه مخزن‌ها از 4 میلی‌متر در نسخه‌های قبل به 3 میلی‌متر تا توان حمل بار به‌اندازه مقرر و در نظر گرفته شده در مدل نهایی برسد. این نسخه دوباره متحمل تست فشار شد که تست اول را با موفقیت گذرانده و تست فشار فوق سرد دوم به‌عمد تا انتهای توان تحمل سازه برده شد و طی این تست محفظه صرفاً دچار نشتی شد و تست خود را به پایان رساند.

یادداشتی از امیرمهدی جاهدجو

دانشجوی مهندسی هوافضا

[1] starship

[2] SpaceX

[3] Elon Musk

[4] Raptor

[5] Low earth orbit

[6] Geostationary transfer orbit

[7] Header Tank

[8] Super heavy

[9] Starhopper

[10] Ambient Pressure Test

[11] Serial Number

[12] Cryogenic Pressure Test

[13] Staticfire Test : این نوع تست جهت روشن شدن مشکلات احتمالی در بخش موتور قبل از پرواز اصلی ، باروشن کردن موتور ها به طور مقطعی انجام می‌شود.

[14] Testing configuration error

[15] Bar

[16] Thrust