ساسي
24th February 2011, 01:24 AM
نسل جديد كاوشگرهاي فضايي در راه است
كاوشگر فضايي ناسا موسوم به داون(Dawn )كه سپتامبر سال 2007 زمين را به مقصد فضا ترك كرده است همچنان با هدف دستيابي به يافتههايي جديد درباره شكلگيري منظومهشمسي، فراتر از مدار مريخ به سمت ستاركها و سيارات بين مريخ و مشتري در حال حركت است. اين سفينه فضايي رباتيك در تلاش است تا بتواند اطلاعات ارزشمندي را درباره سياركهاي وستا و سرس كه دو تا از سياركهاي بزرگ باقيمانده از تشكيل سيارات بزرگ منظومهشمسي از 57/4 ميليارد سال پيش هستند را در اختيار محققان اين رشته قرار دهد.
اما آنچه در اين ماموريت فضايي حائز اهميت بوده است تنها هدف پيشبيني شده براي انجام اين ماموريت نيست بلكه ويژگي منحصر به فرد اين كاوشگر در اين است كه نيروي لازم براي حركت آن از طريق يك فناوري پيشران فضايي تامين ميشود كه در آيندهاي نزديك به عنوان يك موتور موشك پلاسما تحول عظيمي را در انجام ماموريتهاي فضايي به مسافتهاي بسيار دوردست به وجود خواهد آورد. در اين موتورها كه به صورت پيشرفته طراحي شدهاند بر خلاف موشكهاي معمولي به جاي سوخت شيميايي مايع يا گاز از پيشران حركتي گازي يونيزه شده كه به روش الكتريكي توليد ميشود براي تامين نيروي محركه لازم براي پرتاب كاوشگرهاي فضايي استفاده ميشود. به گفته محققان مركز ملي تحقيقات فضانوردي آمريكا از آنجايي كه يك موتور پلاسما براي رسيدن به سياركهاي مورد نظر تنها به يك دهم سوخت شيميايي موتور موشكي نياز داشته و در مقابل از كارايي بيشتري برخوردار خواهد بود در طراحي سيستم پرتابه، كاوشگر فضايي داون نيز از موتور پلاسما استفاده شده است. اين در حالي است كه اگر در اين كاوشگر از موتورهاي معمولي استفاده شده بود تنها ميتوانست به يكي از سياركهاي وستا و سرس برسد. در حقيقت ميتوان گفت كه موشكهاي الكتريكي يا موتورهاي الكتريكي يكي از بهترين سيستمهاي پيشران براي ارسال كاوشگرهاي فضايي به نقاط دوردست هستند. با توجه به دستاوردهاي منحصربه فرد اين فناوري در صنعت فضانوردي، محققان و فضانوردان آمريكايي، اروپايي و ژاپني كه آرزوي سفر به اعماق فضا را در سر ميپرورانند اميدوارند بتوانند در آيندهاي نه چندان دور با بهرهگيري از امكانات موتورهاي پلاسما ماموريتهاي فضايي جديدي را به منظور كاوش در سيارات خارجي، جستجوي سياراتي شبيه به زمين در خارج از منظومه شمسي و همچنين استفاده از فضا به عنوان آزمايشگاهي به منظور مطالعه و بررسي اصول بنيادين علم فيزيك طراحي و برنامهريزي كنند. اگرچه همچنان لازم است زيرساختهاي متعددي به منظور استفاده از نسل جديد موتورهاي پيشران در ماموريتهاي فضايي به دوردستها فراهم شود اما در حال حاضر محققان در تلاش هستند اقدامات لازم براي به اجرا درآوردن اين طرح در آيندهاي نهچندان دور را انجام دهند. اگر نواقص موجود در سيستمهاي پيشران حركتي را كه در پرتاب كاوشگرهاي فضايي از آنها استفاده ميشود مورد توجه قرار دهيد، بدون ترديد بيش از پيش به ويژگيهاي متمايز موتورهاي الكتريكي پي خواهيد برد. تصور عمومي بر اين است كه وقتي يك فضاپيما يا كاوشگر فضايي در فضايي تاريك به طرف سيارهاي دوردست در حال حركت است دود غليظي در خروجي مخزن سوخت آن خارج ميشود كه ردپايي از حركت آن را در فضا برجاي خواهد گذاشت. اما حقيقت اين است كه معمولا بخش عمدهاي از سوخت داخل مخزن پرتابه كاوشگر در نخستين دقايق پس از پرتاب مصرف شده و در نهايت آن كاوشگر به سمت هدف در نظر گرفته شده حركت خواهد كرد. اگر چه پرتابهها يا موتورهاي شيميايي نقش بسيار مهمي در ارسال كاوشگرها به فضا دارند اما از آنجايي كه براي انجام ماموريتهاي فضايي به خارج از منظومه شمسي به حجم زيادي سوخت نياز دارند بايد تغييراتي را در سيستم پيشران اين نوع كاوشگرها در ماموريتهاي فضايي به مناطق دوردست ايجاد كنيم تا بتوانيم به اهداف پيشبيني شده دست يابيم. جالب است بدانيد كه با استفاده از سيستمهاي پيشران موجود، انتقال يك پوند از هر جسمي به مدار زمين بيش از 10 هزار دلار هزينه دربرخواهد داشت.
فراتر از مرزهاي پيشين
شايد اين سوال براي شما مطرح شده باشد كه چرا محققان تاكنون نتوانستهاند راهكار موثر براي ارسال سوخت كافي به فضا براي انجام ماموريتهاي فضايي به دوردست پيدا كنند. در ماموريتهاي فضايي از فرمولي به نام معادله پرتابه يا معادله موشك براي محاسبه نيروي محركه مورد نياز يك ماموريت فضايي استفاده ميشود كه براي نخستين بار در سال 1903 توسط يكي از فضانوردان روسي معرفي شد. براساس اين معادله هر چه سرعت جدا شدن يك سفينه فضايي از پيشران حركتي بيشتر باشد نيروي محركه كمتري براي حركت اين سفينه فضايي در يك مسير مشخص نياز خواهيد داشت. با توجه به اينكه براي افزايش طول مسير حركت لازم است نيروي پيشران حركتي را نيز به حداكثر برسانيم بنابراين بايد بيش از صددرصد سوخت موجود در مخزن را كه براساس نوع پيشران طراحي ميشود مورد استفاده قرار دهيم كه در اين صورت فضاي مورد نياز براي نصب ديگر تجهيزات سختافزاري و يا حداكثر قابليت حمل بار در اين سيستم به مراتب كاهش خواهد يافت. بنابراين براي انجام ماموريتهاي فضايي و كاوش در مرزهاي فراتر از منظومه شمسي، پرتابههاي شيميايي كارايي لازم را نخواهند داشت مگر اينكه بتوانيم با ايجاد تغييراتي در طراحي اوليه اين سيستمها سرعت تركيب سوخت با اكسيژن و نيروي خروجي از پيشران را به حداكثر برسانيم. در موتورهاي پلاسما براي ايجاد نيروي محركه مورد نياز پرتاب كاوشگر، سرعت ابرهاي پلاسماي متشكل از اتمها يا موكولهايي كه داراي بار الكتريكي هستند، افزايش پيدا ميكند. نيروي الكتريكي مورد نياز براي توليد و افزايش سرعت حركت ذرات پلاسما از پيلهاي خورشيدي كه از قابليت جمعآوري انرژي آزاد شده از تابش نور آفتاب برخوردار هستند تامين ميشود، اما از آنجاييكه انرژي خورشيدي در فواصل دورتر از خورشيد بسيار ضعيف ميشود در فضا پيماهايي كه قرار است به فواصلي دورتر از مريخ سفر كنند از انرژي هستهاي استفاده ميشود.
اگر چه امروزه در كاوشگرهاي فضايي رباتيك كه ماموريتهاي فضايي به دوردستها را به صورت آزمايشي تجربه ميكنند از ابزارهاي ترموالكتريكي (وابسته به رابطه نيروي الكتريكي و حرارتي) براي تامين حرارت مورد نياز اين فرآيند استفاده ميشود، اما بدون ترديد در سفرهاي فضايي آينده كه ماموريتهايي فراتر از مرزهاي كنوني براي آنها در نظر گرفته خواهد شد بايد از رآكتورهاي هستهاي استفاده كنيم.
امروزه محققان در تلاش هستند با ايجاد تغييراتي در موتورهايي كه نيروي پرتاب مورد نياز كاوشگرها را از طريق ذرات پلاسما تامين ميكنند، نيروي محركه اوليه را افزايش دهند تا بر اين اساس بتوانند كارايي اين كاوشگرها را در ماموريتهاي فضايي به مراتب افزايش دهند. آنها همچنين قصد دارند قابليت سفينههاي فضايي را نيز براي دورههاي چند ساله كه اكتشافات مورد نظر براي انجام ماموريتهايي فراتر از منظومه شمسي به طول خواهد انجاميد به حداكثر برسانند. به همين منظور در مراحل اوليه انجام اين طرح تحقيقاتي، الكترودهايي را در سطح ديواره اين موتورها قرار دادهاند. اين الكترودها يك ميدان الكتريكي داخلي را در موتور ايجاد ميكنند كه ذرات پلاسما را در يك باريكه خروجي متمركز ميكند. اين طرح خروج ذرات اضافي در نيروي خروجي موتور را به حداقل ميرساند و با دور نگه داشتن ذرات پلاسما از ديواره موتور سبب افزايش عمر مفيد سيستم ميشود.
ايدههايي جديد در عرصه فضانوردي
به گفته محققان، يك موتور پلاسما به اندازه يك سطل كوچك ميتواند با استفاده از انرژي حاصل از يك منبع انرژي خورشيدي يا هستهاي، يك ميليون وات انرژي الكتريكي در نيروي محركه خروجي توليد كند كه ميتواند انرژي مورد نياز 10 هزار لامپ معمولي را تامين كند. اين در حالي است كه ازنظر ابعاد، اين موتور يكي از كوچكترين موتورهايي است كه براي تامين نيروي محركه كاوشگرها يا سفينههاي فضايي طراحي شده است. علاوه بر موتورهاي پلاسماي طراحي شده از قابليتهاي دريچه كنترل به بخار يا سوخت كه در موتورهاي معمولي وجود دارند نيز برخوردارند. به اين ترتيب با تغيير مقدار جريان الكتريكي يا به عبارت ديگر تنظيم مقدار نيروي پيشران ميتوان سرعت اوليه حركت كاوشگر را تحت كنترل قرار داد و خط سير حركت كاوشگر را براي حركت به سمت مقصدي تعيين شده در دور دست و فراتر از منظومه تغيير داد. در حال حاضر گروهي از محققان ناسا، در تلاش هستند عملكرد طرحي جديد در موتورهاي كاوشگرها را مورد بررسي و مطالعه قرار دهند. اين طرح كه براساس آخرين فناوريها و دستاوردهاي جديد در ساخت موتورهاي ليتيومي ارائه شده است، از توانايي تامين پيشران حركتي مورد نياز براي پرتاب سفينههاي فضايي براي انتقال محمولههاي بسيار سنگين و حمل تعدادي مسافر فضايي به ماه و مريخ برخوردار بوده و از نظر عملكرد در مقايسه با ماموريتهاي فضايي رباتيك و بدون سرنشين به سيارات خارج از منظومه شمسي در سطح يكساني قرار خواهد داشت. اگرچه طرحهاي مختلف موتورهاي پلاسماي الكتريكي هريك در مقايسه با ديگري از مزايا و ويژگيهاي منحصر به فردي برخوردار است، اما بدون ترديد اين نوع موتورها، يكي از جديدترين فناوريهايي هستند كه ميتوانند آينده صنعت فضانوردي را به ميزان قابل توجهي تحت تاثير خود قرار دهند.
كاوشگر فضايي ناسا موسوم به داون(Dawn )كه سپتامبر سال 2007 زمين را به مقصد فضا ترك كرده است همچنان با هدف دستيابي به يافتههايي جديد درباره شكلگيري منظومهشمسي، فراتر از مدار مريخ به سمت ستاركها و سيارات بين مريخ و مشتري در حال حركت است. اين سفينه فضايي رباتيك در تلاش است تا بتواند اطلاعات ارزشمندي را درباره سياركهاي وستا و سرس كه دو تا از سياركهاي بزرگ باقيمانده از تشكيل سيارات بزرگ منظومهشمسي از 57/4 ميليارد سال پيش هستند را در اختيار محققان اين رشته قرار دهد.
اما آنچه در اين ماموريت فضايي حائز اهميت بوده است تنها هدف پيشبيني شده براي انجام اين ماموريت نيست بلكه ويژگي منحصر به فرد اين كاوشگر در اين است كه نيروي لازم براي حركت آن از طريق يك فناوري پيشران فضايي تامين ميشود كه در آيندهاي نزديك به عنوان يك موتور موشك پلاسما تحول عظيمي را در انجام ماموريتهاي فضايي به مسافتهاي بسيار دوردست به وجود خواهد آورد. در اين موتورها كه به صورت پيشرفته طراحي شدهاند بر خلاف موشكهاي معمولي به جاي سوخت شيميايي مايع يا گاز از پيشران حركتي گازي يونيزه شده كه به روش الكتريكي توليد ميشود براي تامين نيروي محركه لازم براي پرتاب كاوشگرهاي فضايي استفاده ميشود. به گفته محققان مركز ملي تحقيقات فضانوردي آمريكا از آنجايي كه يك موتور پلاسما براي رسيدن به سياركهاي مورد نظر تنها به يك دهم سوخت شيميايي موتور موشكي نياز داشته و در مقابل از كارايي بيشتري برخوردار خواهد بود در طراحي سيستم پرتابه، كاوشگر فضايي داون نيز از موتور پلاسما استفاده شده است. اين در حالي است كه اگر در اين كاوشگر از موتورهاي معمولي استفاده شده بود تنها ميتوانست به يكي از سياركهاي وستا و سرس برسد. در حقيقت ميتوان گفت كه موشكهاي الكتريكي يا موتورهاي الكتريكي يكي از بهترين سيستمهاي پيشران براي ارسال كاوشگرهاي فضايي به نقاط دوردست هستند. با توجه به دستاوردهاي منحصربه فرد اين فناوري در صنعت فضانوردي، محققان و فضانوردان آمريكايي، اروپايي و ژاپني كه آرزوي سفر به اعماق فضا را در سر ميپرورانند اميدوارند بتوانند در آيندهاي نه چندان دور با بهرهگيري از امكانات موتورهاي پلاسما ماموريتهاي فضايي جديدي را به منظور كاوش در سيارات خارجي، جستجوي سياراتي شبيه به زمين در خارج از منظومه شمسي و همچنين استفاده از فضا به عنوان آزمايشگاهي به منظور مطالعه و بررسي اصول بنيادين علم فيزيك طراحي و برنامهريزي كنند. اگرچه همچنان لازم است زيرساختهاي متعددي به منظور استفاده از نسل جديد موتورهاي پيشران در ماموريتهاي فضايي به دوردستها فراهم شود اما در حال حاضر محققان در تلاش هستند اقدامات لازم براي به اجرا درآوردن اين طرح در آيندهاي نهچندان دور را انجام دهند. اگر نواقص موجود در سيستمهاي پيشران حركتي را كه در پرتاب كاوشگرهاي فضايي از آنها استفاده ميشود مورد توجه قرار دهيد، بدون ترديد بيش از پيش به ويژگيهاي متمايز موتورهاي الكتريكي پي خواهيد برد. تصور عمومي بر اين است كه وقتي يك فضاپيما يا كاوشگر فضايي در فضايي تاريك به طرف سيارهاي دوردست در حال حركت است دود غليظي در خروجي مخزن سوخت آن خارج ميشود كه ردپايي از حركت آن را در فضا برجاي خواهد گذاشت. اما حقيقت اين است كه معمولا بخش عمدهاي از سوخت داخل مخزن پرتابه كاوشگر در نخستين دقايق پس از پرتاب مصرف شده و در نهايت آن كاوشگر به سمت هدف در نظر گرفته شده حركت خواهد كرد. اگر چه پرتابهها يا موتورهاي شيميايي نقش بسيار مهمي در ارسال كاوشگرها به فضا دارند اما از آنجايي كه براي انجام ماموريتهاي فضايي به خارج از منظومه شمسي به حجم زيادي سوخت نياز دارند بايد تغييراتي را در سيستم پيشران اين نوع كاوشگرها در ماموريتهاي فضايي به مناطق دوردست ايجاد كنيم تا بتوانيم به اهداف پيشبيني شده دست يابيم. جالب است بدانيد كه با استفاده از سيستمهاي پيشران موجود، انتقال يك پوند از هر جسمي به مدار زمين بيش از 10 هزار دلار هزينه دربرخواهد داشت.
فراتر از مرزهاي پيشين
شايد اين سوال براي شما مطرح شده باشد كه چرا محققان تاكنون نتوانستهاند راهكار موثر براي ارسال سوخت كافي به فضا براي انجام ماموريتهاي فضايي به دوردست پيدا كنند. در ماموريتهاي فضايي از فرمولي به نام معادله پرتابه يا معادله موشك براي محاسبه نيروي محركه مورد نياز يك ماموريت فضايي استفاده ميشود كه براي نخستين بار در سال 1903 توسط يكي از فضانوردان روسي معرفي شد. براساس اين معادله هر چه سرعت جدا شدن يك سفينه فضايي از پيشران حركتي بيشتر باشد نيروي محركه كمتري براي حركت اين سفينه فضايي در يك مسير مشخص نياز خواهيد داشت. با توجه به اينكه براي افزايش طول مسير حركت لازم است نيروي پيشران حركتي را نيز به حداكثر برسانيم بنابراين بايد بيش از صددرصد سوخت موجود در مخزن را كه براساس نوع پيشران طراحي ميشود مورد استفاده قرار دهيم كه در اين صورت فضاي مورد نياز براي نصب ديگر تجهيزات سختافزاري و يا حداكثر قابليت حمل بار در اين سيستم به مراتب كاهش خواهد يافت. بنابراين براي انجام ماموريتهاي فضايي و كاوش در مرزهاي فراتر از منظومه شمسي، پرتابههاي شيميايي كارايي لازم را نخواهند داشت مگر اينكه بتوانيم با ايجاد تغييراتي در طراحي اوليه اين سيستمها سرعت تركيب سوخت با اكسيژن و نيروي خروجي از پيشران را به حداكثر برسانيم. در موتورهاي پلاسما براي ايجاد نيروي محركه مورد نياز پرتاب كاوشگر، سرعت ابرهاي پلاسماي متشكل از اتمها يا موكولهايي كه داراي بار الكتريكي هستند، افزايش پيدا ميكند. نيروي الكتريكي مورد نياز براي توليد و افزايش سرعت حركت ذرات پلاسما از پيلهاي خورشيدي كه از قابليت جمعآوري انرژي آزاد شده از تابش نور آفتاب برخوردار هستند تامين ميشود، اما از آنجاييكه انرژي خورشيدي در فواصل دورتر از خورشيد بسيار ضعيف ميشود در فضا پيماهايي كه قرار است به فواصلي دورتر از مريخ سفر كنند از انرژي هستهاي استفاده ميشود.
اگر چه امروزه در كاوشگرهاي فضايي رباتيك كه ماموريتهاي فضايي به دوردستها را به صورت آزمايشي تجربه ميكنند از ابزارهاي ترموالكتريكي (وابسته به رابطه نيروي الكتريكي و حرارتي) براي تامين حرارت مورد نياز اين فرآيند استفاده ميشود، اما بدون ترديد در سفرهاي فضايي آينده كه ماموريتهايي فراتر از مرزهاي كنوني براي آنها در نظر گرفته خواهد شد بايد از رآكتورهاي هستهاي استفاده كنيم.
امروزه محققان در تلاش هستند با ايجاد تغييراتي در موتورهايي كه نيروي پرتاب مورد نياز كاوشگرها را از طريق ذرات پلاسما تامين ميكنند، نيروي محركه اوليه را افزايش دهند تا بر اين اساس بتوانند كارايي اين كاوشگرها را در ماموريتهاي فضايي به مراتب افزايش دهند. آنها همچنين قصد دارند قابليت سفينههاي فضايي را نيز براي دورههاي چند ساله كه اكتشافات مورد نظر براي انجام ماموريتهايي فراتر از منظومه شمسي به طول خواهد انجاميد به حداكثر برسانند. به همين منظور در مراحل اوليه انجام اين طرح تحقيقاتي، الكترودهايي را در سطح ديواره اين موتورها قرار دادهاند. اين الكترودها يك ميدان الكتريكي داخلي را در موتور ايجاد ميكنند كه ذرات پلاسما را در يك باريكه خروجي متمركز ميكند. اين طرح خروج ذرات اضافي در نيروي خروجي موتور را به حداقل ميرساند و با دور نگه داشتن ذرات پلاسما از ديواره موتور سبب افزايش عمر مفيد سيستم ميشود.
ايدههايي جديد در عرصه فضانوردي
به گفته محققان، يك موتور پلاسما به اندازه يك سطل كوچك ميتواند با استفاده از انرژي حاصل از يك منبع انرژي خورشيدي يا هستهاي، يك ميليون وات انرژي الكتريكي در نيروي محركه خروجي توليد كند كه ميتواند انرژي مورد نياز 10 هزار لامپ معمولي را تامين كند. اين در حالي است كه ازنظر ابعاد، اين موتور يكي از كوچكترين موتورهايي است كه براي تامين نيروي محركه كاوشگرها يا سفينههاي فضايي طراحي شده است. علاوه بر موتورهاي پلاسماي طراحي شده از قابليتهاي دريچه كنترل به بخار يا سوخت كه در موتورهاي معمولي وجود دارند نيز برخوردارند. به اين ترتيب با تغيير مقدار جريان الكتريكي يا به عبارت ديگر تنظيم مقدار نيروي پيشران ميتوان سرعت اوليه حركت كاوشگر را تحت كنترل قرار داد و خط سير حركت كاوشگر را براي حركت به سمت مقصدي تعيين شده در دور دست و فراتر از منظومه تغيير داد. در حال حاضر گروهي از محققان ناسا، در تلاش هستند عملكرد طرحي جديد در موتورهاي كاوشگرها را مورد بررسي و مطالعه قرار دهند. اين طرح كه براساس آخرين فناوريها و دستاوردهاي جديد در ساخت موتورهاي ليتيومي ارائه شده است، از توانايي تامين پيشران حركتي مورد نياز براي پرتاب سفينههاي فضايي براي انتقال محمولههاي بسيار سنگين و حمل تعدادي مسافر فضايي به ماه و مريخ برخوردار بوده و از نظر عملكرد در مقايسه با ماموريتهاي فضايي رباتيك و بدون سرنشين به سيارات خارج از منظومه شمسي در سطح يكساني قرار خواهد داشت. اگرچه طرحهاي مختلف موتورهاي پلاسماي الكتريكي هريك در مقايسه با ديگري از مزايا و ويژگيهاي منحصر به فردي برخوردار است، اما بدون ترديد اين نوع موتورها، يكي از جديدترين فناوريهايي هستند كه ميتوانند آينده صنعت فضانوردي را به ميزان قابل توجهي تحت تاثير خود قرار دهند.