تسنیم نوشت: روز گذشته و در آستانه سالروز صنعت فضایی کشور که در 14 بهمن ماه هر سال به مناسبت پرتاب موفق ماهواره امید در سال 1387 با ماهواره‌بر بومی سفیر-1 به این عنوان نامگذاری شده، خبر یک دستاورد جدید در عرصه فضایی کشور منتشر شد و ماهواره‌بر جدید و سه مرحله‌ای ذوالجناح اولین پرتاب آزمایشی خود را با موفقیت پشت سر گذاشت.
برای اولین بار در حدود یک سال پیش و پس از پرتاب ماهواره‌بر سیمرغ حامل ماهواره ظفر-1 ساخت دانشگاه علم و صنعت که البته با موفقیت کامل همراه نبود، خبر از وجود ماهواره‌بر جدیدی به نام ذوالجناح داده شد. در آن زمان تنها اعلام شد که ذوالجناح سوخت جامد بوده و قرار است ناهید-1 را به مدار مدنظر برساند.
با وجود عدم اعلام جزئیات، صرف اطلاع از اینکه برنامه فضایی کشور صاحب یک پرتابگر سوخت جامد نیز خواهد شد، بسیار امیدوار کننده بود تا قراردهی ماهواره‌ها در مدار روند سریع‌تری در آینده نزدیک به خود بگیرد.
در این گزارش به مرور اطلاعات جدیدی که از ماهواره‌بر ترکیبی سوخت جامد و مایع ذوالجناح اعلام شده پرداخته ایم.
به صورت خلاصه نکات مهم پیرامون ذوالجناح را می توان در محورهای زیر بیان کرد:
- اولین ماهواره‌بر ایرانی با سوخت جامد در مرحله اول
- اولین ماهواره‌بر با دو پیشران مشابه در مراحل اول و دوم
- دومین ماهواره‌بر سه مرحله ای کشور
- دومین ماهواره‌بر ترکیبی کشور
- دومین ماهواره‌بر رده وزن محموله بالاتر از 200 کیلوگرم
- دومین ماهواره‌بر بدون نیاز به سکوی ثابت و در نتیجه به سادگی قابل پرتاب از عرض های جغرافیایی تا جنوب کشور
- دارای قوی ترین پیشران سوخت جامد رسانه ای شده ساخت کشور
- 4 برابر کردن توان حمل محموله نسبت به سفیر-1 با دو برابر شدن وزن ماهواره‌بر
- استفاده از مرحله دوم سفیر-1 به عنوان مرحله سوم که در 12 سال گذشته به خوبی آزمایش و تثبیت شده و چندین مأموریت کاملاً موفق را در کارنامه خود دارد
ذوالجناح روی سکوی پرتاب
سرباز جدید عرصه فضایی کشور با توان حمل بیش از 200 کیلوگرم
ماهواره‌بر جدید ذوالجناح دارای سه مرحله بوده که دو مرحله اول آن سوخت جامد و مرحله سوم سوخت مایع است. اولین آزمایش پرتاب ذوالجناح که اولین مرحله از پرتاب های تحقیقاتی آن بود با هدف صحه‌گذاری بر عملکرد پیشران سوخت جامد در یک پرتاب زیرمداری تعریف شد اما علاوه بر عملکرد صحیح مرحله اول، جدایش مرحله اول و شروع به کار مرحله دوم نیز در ارتفاع مورد نظر با موفقیت صورت پذیرفت که موفقیت قابل توجهی را حاصل کرد.
طبق برنامه‌ریزی‌های انجام شده، سه پرتاب تحقیقاتی برای ذوالجناح پیش بینی شده است که اولین آن به انجام رسیده و سایر مراحل نیز طی یک تا یک و نیم سال آینده باید صورت پذیرد. ممکن است در پرتاب‌های بعدی این فاز محموله ماهواره‌ای نیز در آن قرار داده شود.
هدف طراحی این ماهواره‌بر 25.5 متری و 52 تنی، قراردهی محموله‌هایی تا 220 کیلوگرم در مدار 500 کیلومتری دایروی است. از این نظر، توانمندی ذوالجناح نزدیک به ماهواره‌بر بزرگتر و سنگین‌تر سیمرغ است که توان حمل 250 تا 350 کیلوگرم محموله را به مدار 500 کیلومتری دارد.
لازم به ذکر است که ذوالجناح همانند سیمرغ قابلیت قراردهی تعدادی ماهواره کوچک به جای یک ماهواره را نیز دارد و مثلا می‌تواند 10 ماهواره مکعبی 20 کیلوگرمی را با هدف توسعه فناوری‌های منظومه ماهواره‌ای در مدار قرار دهد.
از نظر مقایسه با دو ماهواره‌بر قبلی یعنی سفیر-1 و سیمرغ جدول زیر می‌تواند گویای تفاوت‌ها باشد. به طور خلاصه در حالی که قطر ذوالجناح نزدیک به سفیر-1 است، توان عملکردی نزدیک به سیمرغ داشته و از نظر وزنی بین این دو قرار می‌گیرد در حالیکه سهولت پرتاب آن از هر دو ماهواره‌بر مذکور بسیار بیشتر است.
|
ارتفاع بدنه (متر) |
قطر مرحله اول (متر) |
قطر مرحله آخر (متر) |
جرم کل (تن) |
محموله (کیلوگرم) |
ارتفاع مداری (کیلومتر) |
رانش موتور مرحله اول (تن-نیرو) |
|
|
سفیر-1 |
22 |
1.25 |
1.25 |
26 |
60 |
250 |
37 |
|
ذوالجناح |
25.5 |
1.5 |
1.25 |
52 |
220 |
500 |
74 |
|
سیمرغ |
26 |
2.4 |
1.5 |
85 |
250 (350)* |
500 |
144 |
*در مورد میزان محموله قابل حمل سیمرغ برخی منابع عدد 250 و برخی عدد 350 کیلوگرم را ذکر کرده اند.
یک محموله تحقیقاتی حامل حسگرها یا سنسورهای مختلف با هدف جمع آوری اطلاعات فنی و داده‌برداری به روش تله‌متری از عملکرد ماهواره‌بر و سایر شرایط در مسیر پرتاب زیرمداری به جای محموله ماهواره‌ای در ذوالجناح قرارداده شده بود که اطلاعات مهمی خصوصاً در زمینه شتاب‌های وارد شونده واقعی از سوی ماهواره‌بر به محموله و نیز انواع ارتعاشات، امواج آکوستیکی، دما و ... جمع آوری کرده و در اختیار متخصصان قرار داد.
مقایسه این اطلاعات با داده‌های مراحل طراحی و شبیه‌سازی به کمک اصلاح و بهبود روش‌های طراحی می‌آید. بخشی از زیرسامانه‌های محموله تحقیقاتی پرتاب ذوالجناح مشابه انواع مورد استفاده ماهواره‌های کشور است که در آینده مورد استفاده قرار خواهد گرفت که از این نظر هم به آزمایش و تثبیت قابلیت آنها کمک می کند.
ماهواره‌بر ذوالجناح در پرتاب آزمایشی اول در کنار برج خدمات در پایگاه پرتاب سمنان
طبق اخبار اعلام شده پروژه ماهواره‌بر ذوالجناح از حدود کمتر از 3 سال پیش به طور جدی آغاز شده و در روزهای اخیر اولین پرتاب آزمایشی خود را با موفقیت سپری کرده است.
این زمان کوتاه برای ماهواره‌بری که با دو سوم وزن سیمرغ در رده مشابه آن توان حمل محموله به مدار مشابه را دارد، بسیار ارزشمند است. این ماهواره‌بر با هزینه توسعه پایین و همچنین هزینه و زمان پایین برای عملیاتی شدن به کمک تسریع برنامه فضایی کشور در بخش پرتابگرها می‌آید.
از ویژگی‌های ذوالجناح عدم نیاز به پایگاه پرتاب ثابت است. برای منظومه ماهواره‌ها نیاز است که پرتاب با زوایای میل یا شیب مداری مختلف صورت بگیرد که در صورت استفاده از پایگاه پرتاب ثابت باید از بلوک‌های انتقال مداری استفاده کرد اما با پرتابگری مانند ذوالجناح که امکان استفاده از پرتابگر متحرک را دارد می‌توان با پرتاب از عرض‌های جغرافیایی مختلف در کشور از مکان فعلی در سمنان تا سواحل جنوب کشور بهره‌گیری کرد که برنامه پرتاب از جنوب شرق کشور نیز برای ذوالجناح وجود دارد.
به کمک این ویژگی ماهواره‌بر ذوالجناح می‌توان محموله‌هایی را در مدار خورشید آهنگ یا SSO نیز تزریق کرد که برای ماهواره‌های سنجشی قابلیت ارزشمندی را به دست می‌دهد زیرا می‌توان در زوایای ثابتی در زمان‌های مشخصی کار تصویربرداری دقیق را انجام داد. یکی از برنامه‌های ذوالجناح در آینده نزدیک دستیابی به مدار خورشید آهنگ است.
قسمت های مختلف ذوالجناح
ماهواره‌بر سه مرحله‌ای با هر دو نوع سوخت جامد و مایع
پس از ماهواره‌بر قاصد-1 ساخت نیروی هوافضای سپاه که در اردیبهشت 1399 در اولین پرتاب عملیاتی خود با موفقیت ماهواره نور-1 را در مدار 430 کیلومتری قرار داد، ذوالجناح دومین ماهواره‌بر سه مرحله‌ای و همچنین دومین ماهواره‌بر با بهره‌برداری از مراحل سوخت جامد در کنار سوخت مایع است.
تا پیش از این، ماهواره‌برهای ایرانی شامل سفیر-1 و سیمرغ (سفیر-2) بودند که هر دو فقط دارای دو مرحله سوخت مایع بودند. اما با ساخت قاصد و ذوالجناح پای سوخت جامد نیز به عرصه فضایی کشور باز شد تا مزیت‌های این نوع پیشرانش نیز به کمک ماهواره‌های کشور در مسیر قرارگیری در مدارها بیاید.
سوخت جامد هرچند در میزان نهایی کمیت ضربه ویژه که در مأموریت های فضایی اهمیت دارد هنوز به پیشران های سوخت مایع نرسیده اما می تواند میزان زیادی از نیروی پیشران را در مدت کوتاهی تولید کرده و به بیان ساده‌تر شتاب بیشتری را در اختیار طراحان مأموریت قرار دهد. این امر سبب می‌شود تا استفاده از پیشران سوخت جامد در مراحل اول ماهواره‌برها بسته به توان علمی و فنی کشورها یا شرکت‌های سازنده جذابیت پیدا کند.
این نیروی رانش زیاد حاصل از سوخت جامد برای غلبه بر نیروی مقاومت هوا که در ارتفاعات پایین و جو غلیظ وجود دارد کمک کرده و برای عبور سریع از این ارتفاعات به کار می آید.
بخش های مختلف ماهواره‌بر ذوالجناح: 1. خروجی پیشران مرحله اول؛ 2. اتصال مراحل اول و دوم؛ 3. بالک های پایدارساز و مرحله دوم؛ 4. اتصال مرحله دوم و سوم؛ 5. مرحله سوم و بخش محموله 6. شکل گرافیکی کل ماهواره‌بر
به علاوه هزینه توسعه پیشران سوخت جامد و تعداد قطعات مکانیکی مورد نیاز در آن نیز نسبت به سوخت مایع کمتر است. اما در مراحل بالاتر ماهواره‌بر خصوصاً مرحله نهایی به علت نیاز به مدت زمان سوزش بالا، نیاز به خاموش شدن موتور در مقاطعی از فرایند پرواز، کنترل پذیری بالاتر و نیاز به تنظیم دقیق نیروی رانش در مرحله نهایی جداسازی ماهواره یا مرحله تزریق در مدار از پیشران های سوخت مایع استفاده می شود. لازم به ذکر است در همین ماهواره‌بر ذوالجناح مرحله سوم بیش از 300 ثانیه در حال کار خواهد بود.
لازم به ذکر است که برای رفع مشکل شتاب بالای وارد شونده از ماهواره‌بر به محموله ها، ایزولاتور یا جدا کننده ویژه‌ای در پژوهشگاه فضایی ایران برای اولین بار توسعه یافته که در مأموریت‌های ماهواره‌بر ذوالجناح نیز به کار خواهد آمد.
در طراحی عملیاتی ماهواره‌بر ذوالجناح مرحله اول حدود 70 ثانیه عمل کرده و مجموعه را به ارتفاع 15 کیلومتری می‌رساند. پس از آن پیشران مرحله دوم عمل کرده و سپس پیشران مرحله سوم که رانش کم داشته اما زمان عملکرد بسیار طولانی تری دارد روشن می شود.
استفاده از دو نوع پیشران سوخت جامد و مایع در مراحل مختلف یک ماهواره‌بر سبب ایجاد ماهواره‌بر ترکیبی می شود که البته نباید با استفاده از پیشران ترکیبی یا هایبرید جامد و مایع اشتباه گرفته شود.
در پیشران هایبرید یک جزء که می‌تواند سوخت باشد به صورت جامد و جزء دیگر مثلاً اکسیدکننده به صورت مایع ذخیره می‌شود تا مقدار نیروی رانش و فرایند احتراق نسبت به پیشران های سوخت جامد قابل کنترل باشد.
لازم به ذکر است که در پیشران سوخت جامد بر خلاف سوخت مایع، پس از شروع احتراق، فرایند کار پیشران به صورت لحظه‌ای تحت کنترل قرار ندارد و تنها بر اساس طراحی انجام شده از ابتدا و بر اساس پارامتر های در دسترس مانند ترکیب سوخت، نوع گرین و حفره های قرار داده شده در آن به صورت طراحی شده از قبل به پیش می رود.
اما در پیشران سوخت مایع، با کنترل جریان سوخت و اکسید کننده قابلیت کنترل فرایند احتراق و میزان رانش تولیدی به مقدار زیادی وجود دارد که سبب ایجاد امکان تنظیم دقیق سرعت محموله در هنگام تزریق به مدار می شود.
شکل گرافیکی از یک پیشران سوخت جامد و اجزاء اصلی آن
ماهواره‌برهای متعددی از دهه‌های گذشته در کشورهای مختلف نظیر ژاپن، هند و آمریکا و ... با بهره‌گیری از سوخت جامد در مراحل اول یا به صورت مستقل یا به صورت شتاب دهنده (بوستر) ساخته و عملیاتی شده اند.
پیش از ماهواره‌بر ذوالجناح با قطر 1.5 متر، بزرگترین قطر پیشران های سوخت جامد کشور مربوط به موشک دو مرحله‌ای سجیل با قطر 1.25 متر بود.
با ساخت ذوالجناح نه تنها یک گام در افزایش قطر پیشران‌های سوخت جامد برداشته شد بلکه پیشرانی با نیروی بیش از 74000 کیلوگرم-نیرو یا 74 تن-نیرو به دست آمد که تبدیل به قوی‌ترین پیشران سوخت جامد ساخت کشور شده و برای اولین بار هم در یک کاربرد غیرنظامی به کار گرفته شده است.
در ویدئو نمایش داده شده از آزمایش گرم زمینی این موتور که برای اولین بار در برنامه تلویزیونی علمی چرخ از شبکه چهارم سیما پخش شد، 65 ثانیه از 70 ثانیه عملکرد این موتور از ابتدای فرایند تولید نیروی رانش به نمایش گذاشته شد.
آزمایش گرم زمینی موتور مرحله اول ذوالجناح
به گفته مهندس احمد حسینی مونس سخنگوی گروه فضایی وزارت دفاع، این پیشران که خاص حوزه فضایی توسعه داده شده هم از جهت ضربه ویژه یا ایمپالس، میزان رانش، ضریب پُرشوندگی، نوع ترکیب شیمیایی سوخت و فرمولاسیون و دیگر پارمترهای طراحی، یک پیشران جدید و متفاوت بوده و کارایی برتر آن نیز به مدد این بهبودها حاصل شده است.
امکان افزایش رانش در این پیشران به نزدیک 100 تن نیز قابل انجام است که یک ارتقاء جدی در حوزه پیشران‌های سوخت جامد در کشور محسوب می‌شود.
لازم به ذکر است ماهواره‌بر 85 تنی سیمرغ با قطر 2.4 متر در مرحله اول خود چهار موتور کلاستر شده سوخت مایع دارد که حدود 144 تن رانش تولید می‌کند و ذوالجناح سوخت جامد با قطر 1.5 متر بیش از نصف این میزان رانش را در مرحله اول خود تولید می‌کند.
اولین پرتاب تحقیقاتی ذوالجناح
نکته مهم دیگر در مورد پیشرانش ذوالجناح، استفاده از موتور مشابه در دو مرحله اول خود است. به گفته مهندس حسینی پیشران دو مرحله اول ذوالجناح از نظر طول و قطر مشابه بوده و فقط نازل مرحله دوم متفاوت با مرحله اول و متناسب با ارتفاع عملیاتی مربوط طراحی شده است.
این امر به خودی خود سبب کاهش هزینه و زمان توسعه محصول و نیز افزایش قابلیت اطمینان می شود هر چند که نسبت به یک طراحی اختصاصی برای ارتفاع مذکور ممکن است کمتر بهینه باشد. مرحله اول ذوالجناح فاقد بالک بوده ولی در مرحله دوم چهار بالک پایدارساز کوچک نصب شده است.
مقایسه محدوده قابل استفاده برای پرتاب ماهواره‌بر در صورت استفاده پایگاه سمنان (محدوده مشکی) و جنوب شرق کشور (محدوده زرد رنگ)
کنترل ماهواره‌بر ذوالجناح بر اساس بردار رانش در تمامی مراحل است. در مراحل اول و دوم از بالک‌های کنترلی نصب شده در نازل استفاده می شود که روش پایه این نوع کنترل در موتورهای راکتی کشور است. در مرحله سوم چرخش کل دو نازل موجود، طبق روش مرسوم در مرحله دوم ماهواره‌بر سفیر-1 رخ می دهد.
* نمونه‌های بعدی ذوالجناح هم در راهند
در آینده قرار است نمونه‌های قوی‌تر ذوالجناح با توسعه پیشران‌های سوخت جامد آماده شوند که به طور دقیق‌تر باید گفت با ارتقاء ضربه ویژه موتور همراه خواهد بود.
همچنین استفاده از بدنه‌های سبک‌تر و احتمالا از مواد غیر فلزی نیز در دستور کار است که به افزایش قابل توجه محموله قابل حمل منجر می‌شود.
استفاده از نازل‌های متحرک که سبب حذف اتلاف انرژی جنبشی گازهای خروجی از پیشران در اثر برخورد با بالک‌های نصب شده در دهانه نازل در روش فعلی کنترل بردار رانش می‌شود مانند موتور سلمان در ماهواره‌بر قاصد-1 سپاه نیز از دیگر ویژگی‌های نمونه‌های بعدی خانواده ماهواره‌برهای ذوالجناح است که همه موارد گفته شده سبب بهبود محموله قابل حمل با آن می‌شود.
افزایش سرعت برنامه فضایی ایران به صورت مطمئن‌تر و ارزان‌تر در شرایطی که کشورهای متعددی در حال ورود به عرصه پرتاب‌های فضایی هستند مانند اسپانیا، برزیل، آرژانتین و بازیگران متعددی هم در کمتر از یک دهه اخیر از کشورهای کوچکی مانند نیوزلند تا شرکت‌های خصوصی در کشورهای مطرح دنیا به عرصه پرتاب‌های فضایی وارد شده‌اند به یک الزام جدی تبدیل شده که امید می‌رود با حمایت تمام و کمال از کل برنامه فضایی و خصوصاً ماهواره‌بر ذوالجناح هر چه سریع‌تر صورت پذیرد.