برگ برنده‌ای که ارتفاع مداری ماهواره‌های ایران را دوبرابر کرد

ماهواره‌بر سه‌مرحله‌ای قاصد نیروی هوافضای سپاه پاسداران انقلاب اسلامی برای اولین بار در اوایل اردیبهشت ۱۳۹۹ با محموله ماهواره نور-۱ به مدار ۴۳۰ کیلومتری زمین پرتاب شد. این مأموریت با قرارگیری موفق ماهواره در مدار کامل شد؛ ماهواره‌ا‌ی‌که مأموریت آن روز گذشته پس از گذشت نزدیک به ۲ سال به پایان رسید.

دومین پرتاب فضایی سپاه که به‌معنی توانایی تثبیت و نمایش تکرارپذیری توان پرتاب ماهواره با ماهواره‌بر بومی قاصد هم بود در ۱۷ اسفند ۱۴۰۰ انجام شد و ماهواره نور-۲ با موفقیت کامل در مدار ۵۰۰ کیلومتری زمین قرار گرفت و برای اولین بار جمهوری اسلامی ایران را صاحب دو ماهواره در حال کار همزمان در مدار کرد.

ماهواره‌بر سه‌مرحله‌ای قاصد

پس از این پرتاب و انتشار فیلم‌هایی از جزئیات مراحل پیش از پرتاب قاصد که برای اولین بار صورت می‌پذیرفت در فضای مجازی مطلب نادرستی در مورد ماهیت مرحله سوم ماهواره‌بر قاصد منتشر شد.

مرحله سوم قاصد به‌صورت نصب‌شده روی ماهواره‌بر

قاصد ماهواره‌بری سه مرحله‌ای است که در مرحله اول خود از موشک نظامی بالستیک قدر استفاده کرده است. این مرحله با طول ۱۲.۹ و قطر ۱.۲۵ متر در این موشک بار‌ها امتحان خود را پس داده و گزینه‌ای مطمئن و ارزان و در دسترس برای کوتاه کردن مسیر توسعه ماهواره‌بر سبک قاصد در نیروی هوافضای سپاه بود. پیشران مرحله اول قاصد از نوع سوخت مایع بوده که ۳۲ تن رانش ایجاد کرده و در پرتاب اول در ارتفاع ۸۰ کیلومتری و پس از ۱۱۸ ثانیه کار، از ماهواره‌بر جدا شد.

اما در مرحله دوم، قاصد از یک پیشران جدید و سوخت جامد به نام سلمان بهره می‌برد که دارای ویژگی‌های ممتازی در بین محصولات هوافضایی کشور است. سلمان از بدنه سبک غیرفلزی فیبرکربنی و نیز عایق و پوسته موتور غیرفلزی بهره می‌برد که سبب کاهش وزن قابل توجهی در آن شده است.

موتور فضایی سلمان در بهمن ۱۳۹۸ رونمایی شده و یکی از قابلیت‌های مهم آن، مجهز بودن به نازل متحرک برای هدایت و اصلاح مسیر به جای استفاده از بالک‌های نصب شونده در دهانه نازل است که برای اولین بار در موتور‌های سوخت جامد ساخت داخل به کار گرفته شد.

نازل متحرک سبب می‌شود تا هیچ بخشی از نیروی پیشران هدر نرفته و بازدهی موتور نسبت به روش هدایت قبلی بالاتر باشد. این پیشران در حدود ۶ تن نیروی رانش ایجاد کرده و در پرتاب اول تا ارتفاع ۴۱۵ کیلومتری به ماهواره‌بر انرژی داده است.

موتور سوخت جامد سلمان

عملکرد نازل متحرک در موتور سلمان

در ادامه پیشران مرحله سوم وارد عمل می‌شود و ضمن تأمین باقی مانده سرعت مورد نیاز و رساندن محموله به مدار مدنظر کار تنظیم دقیق سرعت و زوایای رها کردن ماهواره را هم بر عهده دارد. در مأموریت اول در ثانیه ۴۸۰ پس از پرتاب و در ارتفاع ۴۳۰ کیلومتری ماهواره نور-۱ با سرعت ۷۶۵۰ متر بر ثانیه توسط مرحله سوم ماهواره‌بر قاصد-۱ با موفقیت در مدار تزریق شد.

تزریق ماهواره نور-۲ در پرتاب دوم به مداری با ۷۰ کیلومتر ارتفاع بالاتر یعنی مدار ۵۰۰ کیلومتری نشان داد که در پرتاب اول قاصد-۱ از تمام توان این حامل استفاده نشده و حد نهایی توان آن بالاتر از تخمین‌های مطرح شده بر اساس پرتاب اول بوده است.

سپاه با پرتاب نور-۲ به مدار ۵۰۰ کیلومتری موفق شد ارتفاع مداری ماهواره‌های ایرانی که با موفقیت در مدار تزریق شده اند را نسبت به عملکرد ماهواره‌بر سفیر-۱ وزارت دفاع به دو برابر ارتقاء دهد.

مونتاژ سه بخش اصلی مرحله سوم ماهواره‌بر قاصد شامل موتور سوخت جامد کروی

تا پیش از انتشار ویدیو‌هایی که ماهیت مرحله سوم ماهواره‌بر قاصد را نشان می‌داد، این بخش دارای ابهامات زیادی بوده و همچون رازی سر به مهر برای علاقمندان این حوزه باقی مانده بود. در پرتاب اول تصاویر گرافیکی منتشر شده نشان دهنده بخشی از عملکرد مرحله سوم بود و بر آن اساس به نظر می‌رسید که این مرحله از چند پیشران سوخت مایع کوچک تشکیل شده.

تصویر منتشرشده از اتاق کنترل پس از پرتاب اول قاصد که شکل گرافیکی مرحله سوم را نمایش می‌داد؛ ۲ نازل از ۶ مورد در کادر زرد علامت زده شده‌اند

قبلاً هم ساختار نسبتاً مشابهی در مرحله دوم ماهواره‌بر سیمرغ دیده شده بود که چهار نازل متحرک در آن به کار گرفته شده تا ضمن تأمین نیروی رانش کار تغییر جهت و اصلاح دقیق مسیر را هم صورت دهند. اما مصاحبه‌های بعدی مسئولان مربوطه در سپاه تصریح داشت که قاصد در مرحله سوم از پیشران سوخت جامد استفاده می‌کند.

موتور سوخت مایع مرحله دوم ماهواره‌بر سیمرغ که چهار نازل متحرک دارد

این امر به پیچیده‌تر شدن تحلیل ماهیت مرحله سوم قاصد افزود، زیرا هرچند متخصصان سپاه با ساخت نازل متحرک موفق به کنترل جهت نیروی رانش موتور‌های سوخت جامد شدند، اما اساساً کنترل مقدار نیروی رانش تولیدی یک موتور سوخت جامد به خاطر نوع ساختار آن عملاً آنقدر دشوار است که تقریباً در تمامی طراحی‌ها در دنیا اثری از این مورد دیده نمی‌شود و از طرفی تزریق ماهواره به مدار نیاز به تنظیم دقیق سرعت محموله پیش از جدایش علاوه بر تنظیم دقیق جهت آن دارد.

انتشار تصاویر مرحله سوم قاصد پس از پرتاب دوم آن بالاخره از ماهیت آن پرده برداشت. موتور سوخت جامد مذکور در مرحله سوم قاصد از نوع کروی است که طراحی مرسومی برای موتور‌های عمل کننده در جو بسیار رقیق یا خارج از جو زمین است.

در محیط‌های مذکور به سبب ناچیز بودن یا نبودن نیروی مقاومت هوا نیاز به تبعیت از شکل‌های بهینه آیرودینامیکی نیست در نتیجه بر خلاف موتور‌های عمل کننده در داخل جو که به شکل استوانه‌ای طراحی می‌شوند، می‌توان موتور‌های خارج از جو را به شکل دیگری طراحی کرد.

موتور سوخت جامد کروی به‌کاررفته در مرحله سوم قاصد

نکته مهم اینجاست که پوسته‌های موتور به شکل کروی کمینه «جرم نسبی سازه» را برای موتور فراهم می‌کنند که از نظر کمینه بودن وزن کلی سازه بسیار اهمیت دارد، زیرا هر مقدار صرفه جویی در وزن موتور‌های مرحله بالا در ماهواره‌بر‌ها مستقیماً به افزایش وزن محموله قابل حمل منجر می‌شود. همچنین موتور‌های سوخت جامد کروی از ضریب پرشدگی بالایی هم برخوردارند که وجه مثبت دیگر آن‌ها است. مشکل آن‌ها هم سخت بودن جای دهی آن‌ها در یک بدنه به خاطر ملاحضات ابعادی است که همانطور که ذکر شد در مراحل آخر ماهواره‌بر‌ها که عمل کننده در خارج از جو هم هستند این موارد بی اهمیت می‌شود. به سبب همین بهینگی طراحی، این نوع موتور‌ها از دهه‌ها پیش در برنامه فضایی کشور‌های پیشرو مورد استفاده بوده و هستند.

لازم به ذکر است که طراحی موتور‌های فضایی عمل کننده در شرایط خلاء جو رقیق و خارج از جو دشواری‌های بسیار زیادی دارد که تحریم‌های همه جانبه و عدم امکان استفاده از یافته‌های کشور‌های پیشرو در عرصه فضا برای متخصصان داخلی سبب شده تا در موارد متعددی در این حوزه صرفاً با آزمون و خطا دانسته‌های لازم تکمیل شود. مثلاً عملکرد مرحله سوم یک ماهواره‌بر در فشار بیرونی بسیار کمتر نسبت به مرحله اول (حدود ۵ برابر کمتر) صورت می‌گیرد که تفاوت‌های زیادی در طراحی موتور و خصوصاً نازل آن را سبب می‌شود.

لازم به ذکر است معمولاً ۲۵ متغیر مختلف در طراحی یک پیشران سوخت جامد درگیرند در حالی که اصولاً ۱۰ معادله در دسترس است پس ناچاراً ۱۵ متغیر باید به صورت حدسی انتخاب شده و بعداً در تکرار طراحی و بر اساس آزمایش‌ها اصلاح شوند. برخی از این پارامتر‌ها و ضرایب در کتب و مقالات اصلاً مورد بحث نیست تا شرایط برای کشور‌های دیگر علاقمند به فعالیت در حوزه فضایی هموار نباشد. کشور‌های پیشرو هم با صرف هزینه‌های بسیار سنگین در توسعه آزمایشگاه‌های فضایی بسیار پیشرفته موفق به یافتن مجهولات روی زمین و پیش از پرتاب شده اند یا راه به دست آوردن مجهولات در پرتاب‌های متعدد را برگزیدند.

شباهت ظاهری موتور‌های فضایی کروی به یکدیگر سبب شد تا در هفته پس از پرتاب و نمایش تصاویر مرحله سوم قاصد و همچنین در روز‌های اخیر برخی افراد بدون اطلاع کافی، مرحله سوم قاصد را موتور‌های کروی آرش ۲۲ و ۲۴ ساخت پژوهشگاه فضایی ایران معرفی کنند. موتور‌های کروی آرش برای بلوک‌های انتقال مداری ماهواره‌ها در برنامه پرتابگر‌های فضایی وزارت دفاع توسعه یافته اند. با وجود انجام آزمایش‌های زمینی موتور آرش در سال‌های گذشته خبر اولین آزمایش زیرمداری بلوک انتقال مداری شامل موتور آرش، آن هم با ارتفاع پروازی بسیار کم در اوایل تیر ماه ۱۴۰۰ اعلام شد، در حالیکه سپاه بیش از یک سال پیش از آن و در اردیبهشت ۱۳۹۹ با ماهواره‌بر قاصد خود ماهواره نور را در مدار قرار داده بود.

برای اطمینان بیشتر، پیگیری خبرنگار تسنیم مؤید همین مطلب بود که اولاً مرحله سوم قاصد در هر دو پرتاب یکسان بوده و دوماً موتور سوخت جامد کروی مورد استفاده محصولی توسعه یافته در خود نیروی هوافضای سپاه بوده است.

نکته مهم دیگر پس از مشخص شدن ساختار مرحله سوم قاصد، نحوه تنظیم دقیق جهت، اسپین و دی اسپین در این بخش از قاصد و البته ارتباط تصویر گرافیکی موجود در اتاق کنترل مأموریت قاصد و آن ۶ نازل مشهود در آن بود. دقت در تصاویر مرحله سوم قاصد نشان می‌دهد که در بخش فوقانی آن ۶ نازل کوچک نصب شده که به یک مخزن متصل هستند.

بخش فوقانی مرحله سوم قاصد که دو نازل در کادر سفید مشخص شده است

مخزن گاز در داخل بخش فوقانی مرحله سوم به‌رنگ مشکی در تصویر فوق دیده می‌شود

مخزن سبک وزن گاز فشرده ساخته‌شده از مواد ترکیبی غیرفلزی در نمایشگاه دائمی نیروی هوافضا

شکل گرافیکی مدار هیدرولیکی یک تراستر فضایی که شامل مخزن، لوله‌ها، رگولاتور یا تنظیم‌کننده فشار، حسگر فشار و نازل است

این نازل‌ها همان نازل‌های مورد اشاره در تصویر گرافیکی اتاق کنترل بوده و کار تنظیم دقیق زوایا و اسپین و دی اسپین در مواقع لزوم را بر عهده دارند. به این ترتیب معمای مورد اشاره در مورد مرحله سوم قاصد حل شد.

به صورت منطقی تصور بر این است که باید یک خروجی هم روی محور طولی و در محور رانش موتور، ولی در خلاف جهت نصب شده باشد تا در صورت لزوم کار کاهش سرعت مرحله سوم را انجام دهد، اما در تصاویر چنین موردی قابل تشخیص نیست.

در نتیجه اولاً طراحی فوق العاده دقیق مأموریت و وزن مرحله سوم سبب عدم نیاز چندان به تراستر ترمزی شده و زیادتر بودن چند درصدی سرعت در صورت لزوم با افزایش ارتفاع مداری جبران می‌شود.

نازل‌های مرحله سوم

۴ مورد از نازل‌های ۶ تایی مرحله سوم

مجموعه این موارد نشان دهنده طراحی اختصاصی مرحله سوم قاصد بوده که تا امروز دو مأموریت موفق و تزریق دقیق ماهواره‌های نور-۱ و ۲ در مدار را به ثبت رسانده و البته هر مأموریت دقیق دیگری در حوزه قابلیت‌های عملکردی اش را می‌توان به آن واگذار کرد.

با وجود اینکه شروع به کار سپاه برای اجرای مأموریت در محیط فضایی و پرتاب ماهواره نهایتاً به سال ۱۳۹۵ بازمی گردد، اما متخصصان نیروی هوافضای سپاه موفق شده اند کار بزرگی در این عرصه آغاز کرده و تا کنون هم به موفقیت‌های مهمی دست یابند. کار کردن در محیط فضا نیازمند رسیدن به قابلیت اطمینان بسیار بالا در کلیه زنجیره مأموریت فضایی است، زیرا کمترین خطا می‌تواند به عدم حصول موفقیت منجر شود.

موقعیت ۶ نازل در کادر‌های زرد در مرحله سوم قاصد

به نظر می‌رسد تا در پرتاب‌های بعدی سپاه و جایگزینی موتور سوخت جامد و قدرتمند رافع به جای مرحله اول فعلی قاصد، شاهد پرتاب ماهواره‌های سنگین‌تر یا پرتاب تعداد بیشتری ماهواره سبک در هر پرتاب باشیم.

رافع با رانش ۶۸ تن بیش از دو برابر مرحله اول فعلی قاصد-۱ رانش تولید کرده که هم می‌تواند در وزن ماهواره‌ها و هم در ارتفاع مداری آن‌ها و یا سایر مأموریت‌های قابل تصور در عرصه خارج از جو، دست طراحان مأموریت‌های فضایی در نیروی هوافضای سپاه را بسیار بازتر کند.

منبع: تسنیم