پشرانش فضایی هر روشی است که برای شتاب دادن فضاپیماها و ماهواره‌ها استفاده شود.

برای این کار روش‌های مختلفی استفاده می‌شود که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند و به طور کل پیشرانش فضایی حوزه بسیاری از تحقیقات کنونی در مراکز مهم فضایی دنیا بوده که نتیجه این تحقیقات بهبود روش‌های موجود و توسعه روش‌های جدید پیشرانش فضایی است. مبنای تولید تراست (نیروی پیشران) در بسیاری از این روش‌ها شتاب دادن ذرات و اعمال عکس‌العمل آن در جهت مخالف به خود وسیله بر طبق قانون سوم نیوتن است؛ ولی در برخی روش‌های در حال توسعه نیز از انرژی‌های موجود در طبیعت مانند انرژی ذرات و فوتون‌های بادهای خورشیدی و یا انرژی مغناطیسی سیارات برای تولید تراست استفاده می‌شود که مزایای بسیار زیادی نسبت به روش‌های معمول را ارائه می‌دهد.

همه فضاپیماها و ماهواره‌های کنونی از راکت‌های شیمیایی سوخت جامد و سوخت مایع دوپایه (Bipropellant) و یا به ندرت سوخت مایع دوپایه (Monopropellant) برای پرتاب به مدار استفاده می‌کنند، اگر چه برخی پرتاب‌گرها مانند اسپیس‌شیپ وان(Spaceship One) و راکت پگاسوس (Pegasus Rocket) از موتورهای هواتنفسی در مرحله اول خود بهره می‌گیرند.

بیشتر ماهواره‌ها از رانش‌زاهای (تراستر) شیمیایی ساده و قابل اطمینان (اکثراً سوخت مایع تک پایه) و یا رانش‌زاهای الکتریکی مانند جت‌های مقاومتی برای حفظ مدار و کنترل وضعیت خود بهره می‌برند و برخی نیز از چرخ‌های مومنتومی برای کنترل وضعیت استفاده می کنند. فضاپیماهای بین سیاره‌ای نیز از رانش‌زاهای شیمیایی و الکتریکی برای انجام ماموریت‌های خود بهره می جویند.

نخستین رانش‌زاها

استفاده از رانش‌زاهای الکتریکی در ماهواره‌ها نخستین بار توسط شوروی سابق انجام گرفت. اولین رانش‌زای مورد استفاده در یک ماموریت فضایی یک رانش‌زای الکتریکی از نوع پالس پلاسمایی یا PPT بود که در سال 1964 بر روی ماهواره Zond-2 با ماموریت کنترل وضعیت سه محوره به پرواز درآمد. این اولین استفاده از یک رانش‌زا در فضا بود که زمینه گسترش انواع دیگر رانش‌زاهای الکتریکی را برای استفاده در ماموریت‌های فضایی پس از آن فراهم کرد. ماهواره‌های غربی نیز پس از آن جهت حفظ موقعیت شمال- جنوب یا NSSK (north – south station keeping) خود استفاده از رانش‌زاهای الکتریکی را آغاز کردند. سال‌ها پس از آن بود که استفاده از رانش‌زاهای شیمیایی نیز در سیستم پیشرانش ماهواره‌ها آغاز شد. استفاده از رانش‌زاهای الکتریکی و شیمیایی در فضاپیماها و ماهواره‌ها تا به امروز ادامه دارد.

 
نیاز ماهواره به پیشرانش فضایی

یک ماهواره پس از آنکه از زمین به مدار پرتاب شود، باید در مدار مشخص و از قبل تعیین شده‌ خود قرار گیرد. پس از قرارگیری در مدار خود، احتیاج به کنترل وضعیت خود دارد تا بتواند در جهت مناسب نسبت به زمین، خورشید و در صورت نیاز  سایر اجرام سماوی قرار گیرد. ماهواره‌ها تحت اثر پسای ناشی از لایه نازک اتمسفر نیز قرار دارند، به همین دلیل برای باقی‌ماندن در مدار در زمان طولانی، نیاز به یک سیستم پیشرانش که گه‌گاهی اصلاحات کوچک مداری انجام دهد (حفظ مدار) احساس می‌شود. بسیاری از ماهواره‌ها نیازمندند تا در زمان‌هایی مشخص از مداری به مدار دیگر انتقال یابند که این امر توسط یک سیستم پیشرانش صورت می‌پذیرد. در زمانی که ماهواره توانایی اصلاح مدار خود را داشته باشد، عمر کاری آن نیز افزایش می یابد.

فضاپیماهایی که برای سفرهای طولانی‌تر ساخته شده‌اند (مانند سفرهای بین سیاره‌ای (Interplanetary)، بین ستاره‌ای (Interstellar) و اعماق فضا (Deep Space)  نیز نیاز به سیستم پیشرانش دارند. آنها نیز مانند ماهواره‌ها به مدار خارج از جو پرتاب می‌شوند ولی پس از آن خود باید قادر باشند تا مدار را ترک کنند و به مسیر مورد نظر بروند. البته به جز روش‌های پیشرانش فضایی معمول، روش‌های جدید دیگری مثل استفاده بادبان خورشیدی (Solar Sail) نیز در حال بررسی‌های گسترده است که به علت محدودیت ذخیره سوخت و زمان سفز، بسیار مناسب این دسته از ماموریت‌ها هستند.
 

مانور مداری

در زمینه حرکت در فضا، مانور مداری در واقع استفاده از سیستم پیشرانش برای تغییر مدار فضاپیماست.
انواع متعددی از تغییر یا جابه‌جایی مدار وجود دارند که  به برخی از آنها به طور مختصر اشاره خواهد شده است:
جابه‌جایی مداری هافمن (Hohmann transfer): در این نوع از جابجایی جرم مورد نظر بین دو مدار دایروی در یک صفحه و با ارتفاعات متفاوت جابه‌جا می‌شود.
انتقال بین دو مدار بیضوی (Bi-elliptic transfer): در این نوع انتقال نیز ماهواره از یک مدار به مدار دیگری منتقل می‌شود با این تفاوت که میزان شتاب مورد نیاز آن کمتر از جابه‌جایی مداری هافمن است.

 
ماموریت یک ماهواره دارای رانش‌زا

سیستم پیشرانش ماهواره و فضاپیما برای ماموریت‌های مختلف انتقالی و دورانی به کار می‌رود، بسته به اینکه این سیستم برای چه ماموریتی طراحی شود، نوع سیستم پیشرانش، تعداد و چیدمان رانش‌زاها تغییر می‌کند.

برخی ماموریت‌های انتقالی ماهواره عبارتند از:

• تنظیم مدار جهت اصلاح خطای پرتابگر (Orbit Trim)
• قراردهی ماهواره در مدار (Orbit Insertion)
• افزایش ارتفاع مدار (Orbit Raising)
• تغییر شیب/صفحه مدار (Orbit Plane/Inclination Change)
• تغییر شکل مدار (Orbit Shape Change)
• جبران افت ارتفاع و جبران پسا و سایر اغتشاشات (Drag Compensation)
• تغییر موقعیت نجومی ماهواره در مدار (Repositioning)
• حفظ موقعیت نجومی ماهواره در مدار (Station-keeping)
• حفظ موقعیت ماهواره در منظومه‌های ماهواره‌ای (Formation Flying)
• خروج از مدار در پایان عمر کاری (De-orbiting)
• و برخی ماموریت‌های دورانی نیز عبارتند از:
• کنترل وضعیت (Attitude Control)
• مانور وضعیت (Attitude Maneuver)
• بی بار نمودن چرخ واکنشی بوسیله خنثی کردن گشتاور ذخیره شده (Reaction Wheel Unloading)
• مانورهای سیکل محدود جهت حفظ وضعیت در یک بازه (Limit Cycles)
• تغییر موقعیت محورهای ماهواره (Repositioning the Spacecraft Axes)

پیاده‌سازی سیستم پیشرانش فضایی

برای پیاده سازی سیستم پیشرانش فضایی، روش‌های گوناگونی وجود دارد:

۱- موتور واکنشی (reaction engine): این نوع موتور نیروی پیشران (تراست) را طبق قانون سوم نیوتن با استفاده از واکنش جرم خروجی  تامین می‌کند. طبق این قانون بر هر نیروی عاملی، عکس‌العملی از محل اعمال نیرو وجود دارد. با خروج مواد حاصل از احتراق درون موتور، تغییر جرمی در فضاپیما ایجاد می‌شود که منجر به تغییر سرعت فضاپیما در خلاف جهت خروج جریان جرمی می‌شود، به این ترتیب فضاپیما می‌تواند با استفاده از این سیستم سرعت خود را در لحظات مختلف تعییر داده و ماموریت مشخصی را انجام دهد.

از جمله موتورهای واکنش می توان به موتور موشک، موتورهای هواتنفسی و پیشرانش الکترومغناطیسی اشاره نمود. لازم به ذکر است که موتورهای هواتنفسی در ماموریت‌های فضایی کاربرد ندارند بلکه در بخش فرود به زمین پس از بازگشت به جو استفاده می‌شوند.

۱-۱- موتور موشک (rocket engine): بسیاری از موتورهای موشک از دسته موتورهای احتراق داخلی هستند. این موتورها جرم خروجی به صورت گاز داغ را با دمایی بسیار بالا تولید می‌کنند که این فرآیند توسط ترکیب سوخت مایع، جامد یا حتی گاز با ماده‌ای اکسید کننده در محفظه احتراق صورت می‌گیرد. سپس این گاز داغ از دهانه خروجی (nozzle) زنگوله مانندی خارج می‌شود که این نازل بیشتر انرژی گرمایی این گاز را به انرژی جنبشی موشک تبدیل می‌کند. در برخی مواقع سرعت گازهای خروجی به 10 برابر سرعت صوت در سطح دریا نیز رسیده است. اکنون بسیاری از این رانش‌زاها از سوخت و اکسید کننده مایع استفاده می‌کنند و پیشرانه (سوخت و اکسید کننده) پس از افزایش فشار به وسیله پمپ‌ها یا فشار گاز در مخازن، به صورت مایع وارد محفظه احتراق می‌شود و پس از فروپاشی، اختلاط فاز مایع، تبخیر، اختلاط فاز گاز و احتراق، گاز داغی تولید می‌شود که با حرکت در طول نازل، انرژي گرمایی آن به انرژي جنبشی تبدیل می‌شود و تکانه جت خروجی، فضاپیما یا ماهواره را جرکت داده و به پیش می‌راند.

به جرات می‌توان گفت موتورهای موشکی بیشترین نیروی پیشران را در فضاپیماها ایجاد می کنند.

۲-۱- پیشرانش الکترومغناطیسی (electromagnetic propulsion): به جز تولید گازهای خروجی داغ و روش‌های دینامیک سیالات، راه‌های دیگری نیز برای شتاب بخشیدن به فضاپیما از طریق خروج جرم وجود دارد که توسط نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی تامین می‌شوند. در این روش می‌توان اتم‌های گازهای خروجی را با یک موتور الکتریکی ساده یونیزه کرده و سپس با ایجاد اختلاف ولتاژ در این یون‌ها، آنها را با شتاب بالایی به حرکت درآورد و فضاپیما نیز تحت تاثیر این گازهای یونیزه، شتاب می‌گیرد. البته ایده‌ی پیشرانش الکتریکی به سال 1906 بازمی‌گردد که توسط رابرت گودارد مطرح شد.

برای برخی ماموریت‌ها به ویژه نزیک خورشید، از انرژی خورشیدی و در ماموریت‌های دورتر، از انرژی هسته‌ای بهره برداری می شود. به هر حال در پیشرانش الکتریکی با هر منبعی (شیمیایی، خورشیدی یا هسته‌ای) بیشترین توان قابل تولید به میزان نیروی پیشران قابل تولید محدود است.

تراسترهای الکتریکی معمولا نیروی پیشرانشی کمتر از یک نیوتن تولید می‌نمایند. این نیرو بر روی زمین تقریبا معادل وزن برداشتن یک خودکار می‌باشد اما همین نیروی کم برای افزایش عمر مداری ماهواره‌ها بسیار حائز اهمیت است. این اهمیت سبب شده تا ناسا و شرکت‌های بزرگ روز به روز در حال ارتقای تراسترهای الکتریکی خود باشند.   

تراستر NEXT  یک موتور الکتریکی با سوخت زنون است که هم‌اکنون در آزمایشگاه پیشرانش الکتریکی مرکز تحقیقات گلن در حال آزمایش می‌باشد. از این تراستر قرار است در ماموریت‌های آتی ناسا در فضا که امکان استفاده از تراسترهای شیمیایی وجود ندارد، استفاده شود.

استفاده از تراسترهای الکتریکی از سال 1960 آغاز شد. این تراسترها توان الکتریکی خود را از طریق پنل‌های خورشیدی و یا منابع سوخت هسته‌ای تامین می‌کنند. سپس این توان الکتریکی برای یونیزه کردن مولکول‌های درون محفظه تراستر (که برای تراستر NEXT این مولکول از نوع زنون است) استفاده می‌شوند. مولکول‌های یونیزه شده با حرکت به سوی قطب منفی تراستر شتاب گرفته و وارد یک صفحه‌ی مشبک هدایت کننده می‌شوند و سپس از انتهای نازل خارج می‌شوند، بدین ترتیب نیروی پیشرانش را تولید می‌نمایند. این تراسترها معمولا شامل 5 بخش اصلی منبع توان، واحد پردازش توان، سامانه‌ی مدیریت سوخت، رایانه‌ی کنترل و محفظه‌ی اصلی تراستر می‌باشند. تراسترهای الکتریکی نیروی پیشرانش کمی را تولید می‌نمایند اما همین نیروی کم با توجه به وجود شرایط خلا در فضا برای ماهواره‌ها و فضاپیماها بسیار مفید خواهد بود. معمولا از تراسترهای الکتریکی برای حفظ موقعیت مداری استفاده می‌شود. البته گاهی از آنها برای انجام مانورهای مداری در بازه‌های زمانی طولانی نیز استفاده می‌شود.

۲- پیشرانش بدون استفاده از عکس‌العمل جرم خروجی: طبق قانون بقای اندازه حرکت، اگر جرمی از جسم خارج نشود یا نیرویی به آن وارد نشود، پس نمی‌تواند مرکز جرم خود را جابه‌جا کرده وشتاب بگیرد. حال آنکه لازم است بدانیم فضا به ویژه منظومه شمسی، کاملا خالی از نیرو نیست، بلکه نیروی گرانشی بین اجرام و نیروی الکترومغناطیسی اهمیت ویژه‌ای دارند که می‌‌توانند باعث ایجاد تغییر در اندازه حرکت فضاپیما شوند. اما چون بهره‌گیری از این نیروها نیاز به ابزار دقیق و پیچیده‌ای دارد، هنوز در وضعیت بررسی است.

نویسنده: زینب السادات ابوالقاسم حسینی
منبع: کیهان‌نورد