آشنايي با موشكهاي بالستيك
موشكهاي بالستيك، نخستين بار در جنگ جهاني دوم و توسط آلمانها (مخترعان موشك بالستيك به شكل امروزي) استفاده شد. در اين جنگ حدود 3000 فروند موشك وي-2 عليه متفقين شليك شد كه صدمات قابل تجهي هم به بار آورد.
مقدمه:
موشكهاي بالستيك نامي آشنا براي همهي آناني است كه تجربهي جنگ شهرها را به خاطر دارند. در اين جنگ حدود 190 موشك اسكاد و اسلاف ان به سوي اهالي در تهران، تبريز، قم، شيراز، كرج و اصفهان شليك شد. نتيجهي اين تهاجم بيش از دو هزار نفر تلفات و هزاران نفر مجروح بود. در جريان اين موشكباران يك چهارم ساكنان پايتخت، شهر را ترك كردند، پيشتر، صدها موشك بالستيكفراگ -7 ديگر هم بر روي دزفول و ديگر شهرهاي مرزي فرود آمده بود. پاسخ سپاه پاسداران حدود 75 موشك اسكاد بود كه عليه اهدافي عمدتا در حومهي بغداد فرود آمد. نتيجه بسيار خوب بود؛ كاهش حملات موشكي عراق.
موشكهاي بالستيك، نخستين بار در جنگ جهاني دوم و توسط آلمانها (مخترعان موشك بالستيك به شكل امروزي) استفاده شد. در اين جنگ حدود 3000 فروند موشك وي-2 عليه متفقين شليك شد كه صدمات قابل تجهي هم به بار آورد. بزرگترين فقرباني اولين تجربهي موشكهاي بالستيك، شهر لندن بود با 20 هزار نفر تلفات. اما بزرگترين عرصهي بكارگيري موشكهاي بالستيك، ناشناختهترين آن است، جنگ داخلي افغانستان. در اين نبرد علاوه بر هزاران موشك بالستيك فراگ-7، بين 1700 تا 2000 فروند موشك اسكاد عليه محدودهاي نسبتا كوچك استفاده شد. در پايان اين جنگ تقريبا سه ساله، نيمهي غربي شهر كابل با خاك يكسان شده بود؛ نيمهاي كه ساكنان آن را اقليت سشيعه تشكيل ميداد.
موشكهاي بالستيك همواره خبرساز بودهاند. هم اكنون هم بحث سپر دفاع موشكي يكي از مهمترين عناوين خبري جهان است كه اين مساله به ذات حادثهآفرين اين نوع موشكها، برميگردد.
اما تعريف موشكهاي بالستيك؛ به موشكهايي كه بخش اعظم مسير پروازيشان همانند مسير حركن توپ باشد - به صورت سهموي- عنوان موشكبالستيك اطلاق ميشود. كلمهي بال هم به علت همين حركت توپمانند، انتخاب شده است. اين عنوان صرف نظر از اينكه موشك نظامي است يا خير، استفاده ميشود. كشورهاي مختلف انواع موشكهاي بالستيك را بر حسب برد خود به گروههاي مختلف تقسيم ميكنند. در اين ميان دو تقسيمبندي معروف -كه دو كشور اصلي صاحب فناوري هوافضا يعني آمريكا و روسيه (اتحاد جماهير شوروي سوسياليستي) از آن استفاده ميكنند.- وجود دارد كه اغلب كشورها، يكي از اين دو تقسيمبندي را مبناي خود قرار ميدهند.
تصويري زيبا از پرتاب مجموعهاي از موشكهاي بالستيك ساخته شده در سازمان صنايع هوافضاي ايران، زمستان 1385.
تقسيمبندي انواع موشكها
انواع موشكها طبق تقسيمبندي آمريكاييها عبارتند از:
" موشكهاي بالستيك كوتاهبرد (1) با حداكثر برد 1000 كيلومتر
" موشكهاي بالستيك برد متوسط (2) با برد 1000 تا 3000 كيلومتر
" موشكهاي بالستيك برد بلند (3) با برد 3000 تا 5500 كيلومتر
" موشكهاي بالستيك قارهپيما (4) با بردي بيش از 5500 كيلومتر
در برخي منابع، اصطلاح موشكهاي تاكتيكي نيز نام برده شده كه به موشكهاي با برد 300 تا 3500 كيلومتر اطلاق ميشود.
انواع موشكهاي بالستيك بر مبناي تقسيمبندي روسها:
" موشكهاي تاكتيكي با حداكثر برد 50 كيلومتر
" موشكهاي تاكتيكي عملياتي با برد 300 تا 500 كيلومتر
" موشكهاي استراتژيك عملياتي با برد بين 500 تا 1000 كيلومتر
" موشكهاي استراتژيك با برد بيش از 1000 كيلومتر.
معاهدهي 1987 "محدودسازي موشكهاي بالستيك " (5) دو كشور شوروي (روسيه فعلي) و آمريكا را ملزم ميكرد تا از تعداد موشكهاي برد بلند و متوسط (برد 1000 تا 5500كيلومتر) و نيز موشكهاي با برد بين 500 تا 1000 كيلومتر خود بكاهند. رژيم كنترل براي انتقال فناوري موشكهاي بالستيك هم، در ابتدا انتقال فناوري موشكهاي با برد بيش از 300 كيلومتر را ممنوع ميكرد، يعني موشكهاي با برد بيش از برد موشك اسكاد (6) روسي، معروفترين و پراستفادهترين موشك بالستيك تاريخ.
ويژگيهاي موشكهاي بالستيك
مسير پرواز موشكهاي بالستيك پس از مرحلهي فاز فعال (مرحلهاي كه در آن موتورهاي اصلي كار ميكنند) ،كاملا مشخص و معلوم و غيرقابل تغيير است؛ مگر آنكه سر جنگي آن به صورت مستقل قادر به كنترل مسير خود باشد و يا آنكه هرگونه روش ديگري براي هدايت در مراحل نهايي مورد استفاده قرار گيرد. در حملات شيميايي و يا ميكروبي، مسير پرواز كاملا بالستيك، از اثرگذاري كار حملات ميكاهد؛
چرا كه سرعت موشك بالستيك هنگام فرو افتادن بيش از آني است كه بتوان به صورت مؤثرتر عامل شيميايي را بر روي منطقهي مورد نظر پخش كرد. ضمن آنكه به علت سرعت بسيار زياد، دقت موشك چندان مناسب نيست. علاوه بر اينها، به علت سرعت بسيار زياد و و افزايش بسيار شديد دماي بخش بازگشتي موشك، كيفيت عامل ميكروبي يا شيميايي كاهش مييابد. آزمونهايي كه امريكاييها انجام دادهاند، نشان داده است كه كمتر از 5 درصد عوامل شيميايي و ميكروبي پس از پرواز، كماكان مؤثر باقي ميمانند و پس از رهاسازي بدون تجزيهي حرارتي ناشي از گرماي پوستهي كلاهك، خوب عمل ميكنند.
يكي از معروفترين موشكهاي جهان پس از ويـ2 هيچ موشك بالستيكي به اندازه اسكاد در نبرد واقعي مورد استفاده قرار نگرفته است. ويژگيهاي زيادي اسكاد را در ميان همعصران خود متمايز ميساخت كه از مهمترين آنها، قدرت تحرك زياد، قدرت تخريب و ايجاد رعب فراوان و دقت نسبتاً خوب. با وجود قيمت نه چندان زياد آن است. در تصوير يك فروند موشك اسكاد سوار برز خودروي ماز543 را ميبينيم.
يكي از خواص موشكهاي بالستيك، حفظ "زاويهي سمت " خود در طي مسير تا رسيدن به هدف است. سرعت بالاي موشكهاي بالستيك تقريبا امكان انحراف سمت اوليه را از آنها ميگيرد؛ بنابراين دقت انتخاب زاويهي سمت موشك در لحظهي ابتدايي پرتاب بسيار مهم است. در غير اين صورت انتظار تأثيرگذاري چنداني نميتوان از موشك داشت.
مدتزمان پرواز موشكهاي بالستيك بسيار كم است. به همين جهت دفاع در مقابل اين موشكها همانگونه كه در جنگ خليجفارس 1991 بر همگان روشن شد، كماكان كار بسيار سختي است.
سرجنگي هستهاي به طور محسوسي با ديگر سرجنگيها؛ همچون شيميايي، ميكروبي و معمولي، تفاوت دارد. تفاوت اصلي در اندازه، شكل و خواص دروني سرجنگي است. به طور كلي سرجنگيهاي هستهاي محدوديتهاي كمتري در وزن و دقت دارند. گرچه اين محدوديتها ممكن است كم باشد؛ اما الزامات شكل هندسي، اغلب بر انتخاب سرجنگي (7) اثر ميگذارد.
تسليحات شيميايي يا ميكروبي -كه اكثر آنها به صورت مايع يا پودر جامد هستند- در هر نوع فضايي قابل بستهبندي هستند؛ اما تسليحات هستهاي نميتوانند با شكل و قيافهاي خاص منطبق شوند؛ بنابراين از همان ابتدا در استانداردهاي خاص طراحي ميشوند. اين مسأله خود بر طراحي موشكها تأثير ميگذارند.
علاوه بر اين، توزيع وزن مواد دروني سرجنگي هستهاي با ديگر سرجنگيها تفاوت دارد. مواد شكافندهي اصلي هستهاي -كه در مرز سرجنگي قرار دارند- چگالي بسيار بيشتري نسبت به ديگر مواد دارند. اين امر منجر به تمركز وزن موشك در نقطهاي خاص ميشود. از انجايي كه موشكهاي بالستيك بايد اغلب مسير خود را از ميان جو بگذرانند، طراحان بايد تعادل آيروديناميك جسم و اندازهي مورد نياز سامانهي كنترل را به گونهاي در نظر بگيرند كه با وجود چنين تمركز وزني، مسير پرواز به صورت پايدار حفظ شود. بيشتر مواد شيميايي، ميكروبي و انفجاري معمولي داراي چگالي در حدود 1 گرم بر سانتيمتر مكعب هستند؛ به همين جهت ممكن است اينگونه مواد جلوتر از مركز جرم خود داده شوند؛ بدون آنكه از نيروها و گشتاورهاي جبرانكننده زيادي استفاده شود. در برخي كاربردهاي خاص همچون گلولههاي توپ و سرجنگي موشكهاي بالستيك، طراحان نيازمند استفاده از مواد متعادلكننده (به خصوص وزن اضافي) براي خنثيسازي گشتاروها و نيروهاي دروني سرجنگي هستهاي هستند.
به علت شعاع تخريب بسيار گستردهي سرجنگي هستهاي، موشك مسلح به اين نوع سرجنگي، نياز چنداني به دقت ندارد و همين كه در آسمان منطقهاي خودي منفجر نشود كافي است! دقت مورد نياز اين موشكها براي سرجنگي با قدرت تخريب 20 كيلوتن تيانتي، شعاع 3 كيلومتر است كه با افزايش قدرت تخريب اين مقدار هم افزايش مييابد. اغلب موشكهاي با برد كمتر از 500 كيلومتر اين شرط را احراز ميكنند. براي اثرگذاري مناسب، مواد شيميايي و ميكروبي بايد به صورت ابر در ارتفاعي مناسب، بر فراز زمين پخش شوند. ضمن آنكه موشك حامل چنين سرجنگي بايد قادر به عمليات در هرگونه شرايط جوي باشد.
اجزاي موشكهاي بالستيك
اجزاي اصلي موشكهاي بالستيك عبارتند از:
" موتور موشكي
" مخزن سوخت.
" سامانهي هدايت.
" بخش بازگشت به جو يا محموله
اما پيش از توضيح هر يك از اين بخشها نيازمند دانستن چند اصطلاح تخصصي هوافضايي هستيم.
چند اصطلاح
نيروي پيشران (تراست) (8): به نيروي توليدي به وسيلهي موتور، نيروي پيشران مي گويند كه براي موشكها بر حسب پوند يا كيلوگرم محاسبه مي شود. گاهي از واحد نيوتن هم ميتوان استفاده كرد؛ اما كاربرد كيلوگرم و پوند رايجتر است.
ضربهي كل (9): حاصل ضرب نيروي پيشران در مدت زمان احتراق مؤثر است. موشك دوش پرتابي همچون لاو (10) قادر به توليد ميانگبن تراست 600 پوند به مدت 2/0 ثانيه است؛ بنابراين ضربهي كل آن 300 پوند ثانيه است. موشك ساترن 5 با توليد ميانگين نيروي پسشران بسيار بيشتر و مدت زمان احتراق بيشتر، داراي 15/1 ميليارد پوند ثانيه ضربهي كل است.
ضربهي ويژه (11): بازده يا كارايي عمومي موتورهاي موشكي با "ضربه ويژه " سنجيده ميشود . اين مقدار از تقسيم نيروي پيشران بر جرم سوخت مصرف شده در هر ثانيه به دست ميآيد. ضربهي ويژه در حقيقت نشان ميدهد موتور به ازاي يك واحد از دبي پيشرانه (سوخت و اكسيدكننده در موتورهاي سوخت مايع و سوخت جامد در موتورهاي سوخت جامد) چه مقدار تراست توليد مي كند. به عنوان نمونه ضربهي ويژهاي با مقدار 300 رقم خوبي است و هرچه بيشتر بهتر. بايستي دقت كنيد كه ضربهي ويژه علاوه بر نوع پيشرانه به ساختار موتور و بهينه بودن آن نيز بستگي دارد.
نسبت جرمي: به عدد حاصل از تقسيم جرم كل موشك بر جرم باقي مانده پس از احتراق كامل، نسبت جرمي مي گويند. اغلب موشكهاي بردبلند امروزي چند مرحلهاياند. هر مرحله از موشك به يك موتور و اجزاي جانبي تأمينكنندهي آن كه معمولا به صورت پشت سر هم به يكديگر چسبيده اند، گفته ميشود. به عنوان نمونه، موشك اسكاد يك موشك تك مرحلهاي است. ترتيب مراحل از پايين به بالاست؛ به پايينترين مرحلهي موشك مرحلهي اول و به دومي مرحلهي دوم و ... ميگويند. هر مرحله پس از سوختن كامل از موشك جدا ميشود، تا از وزن كل سامانه بكاهد.
پيشرانش يا موتور موشكي:
مبناي كار موشكها قانون سوم نيوتن است. جريان پيوستهي گازهاي داغ در جهتي خاص منجر به راندن موشك به سوي راستاي عكس جريان گاز ميشود. موتورهاي جت در هواپيماها به همين طريق عمل ميكنند. تفاوت ميان موتور جت و موتور موشكي تنها در اين است كه موتورهاي جت از اكسيژن هوا به عنوان اكسيدكننده استفاده مي كنند، اما موتورهاي موشكي اكسيدكنندهي خود را با خود حمل ميكنند، بنابراين موشكها مستقل از محيطي هستند كه در ان حركت ميكنند.
موشك به وسيلهاي ميگويند كه نيروي جلوبرندهي خود را از طريق احتراق سريع مواد به دست ميآورد. اجزاي اصلي كي سامانهي موشكي را موتور، سوخت، اكسيدكننده، سامانهي كنترل، فضاي لازم براي قراردادن اين اجزا و محموله تشكيل ميدهد.
موتورهاي موشكي برخلاف ديگر موتورها، سوخت و اكسيدكننده را با خود حمل ميكند. به همين جهت عملكرد آن در خارج از جو هم به خوبي جو است. به موشكها، هنگامي كه به عنوان وسيلهي پرتاب ماهوارهها مورد استفاده قرار ميگيرند، ماهوارهبر، هنگامي كه محموله انها بار ياانسان به ايستگاه فضايي يا كرات ديگر باشد موشك پرتابگر و هنگامي كه محمولهي آن سرجنگي باشدو هنگامي كه محمولهي آن سرجنگي باشد، موشك نظامي يا به صورت ساده موشك ميگويند. بنابراين هرگاه سخن از موشك به ميان ميآيد، منظور عبارتي است كلي كه جامع ميان موشكها و ماهوارهبرها يا پرتابگرهاست.
در موشكهاي بر كوتاه مفايهم "راكت " و "موشك " جنبههاي ديگري هم دارند. در حوزهي موشكهاي كوتاهبرد (عموما غيربالستيك) به موشكهايي كه پس از پرتاب، غيرقابل هدايت باشند كماكان "راكت " و به آنهايي كه پس از پرتاب قابل هدايت باشند "موشك " ميگويند. به علت وجو استفاده از مفهوم اولي است كه بسياري، اعتقادي به استفاده از عبارت راكت در مورد تسليحاتي همچون كاتيوشا و يا آرپيجي7 ندارند. عموما مفهوم دوم بيشتر ميان شرقيها -خصوصا در ميان نظاميها- رايج است. اما غربيها هم به كرات از اين عبارات با مفهوم دوم آن استفاده ميكنند. البته اين دو مفهومالبته اين دو مفهوم، تناقضي با هم ندارند. ميتوان اينگونه ميان آنها جمع بست كه در حوزهي بالستيك، به موشكهايي كه به عنوان وسيلهي حمل ماهواره، بار يا انسان به مدار زمين و ي خارج از مدار (فضاي ميان سيارهاي) مورد استفاده قرار ميگيرند، ماهوارهبر يا پرتابگر و به آنهايي كه براي مقاصد نظامي و حمل سرجنگي به كار ميروند موشك ميگويند؛ در حوزهي غيربالستيك، به موشكهاي غير قابل هدايت "راكت " و به آنهايي كه پس از پرتاب قابل هدايت و كنترلاند موشك يا "موشك هدايت شونده " ميگويند.
براي موتورهاي موشكي سه نوع سوخت مختلف وجود دارد؛ كه عبارتند از سوخت جامد، سوخت مايع و سوخت هيبريدي. هريك از اين موتورها ويژگيهايي دارند كه آنها را از ديگري متمايز ميكند و بسته به خواصشان ميتوان از آنها در كاربردهاي مختلف استفاده كرد. به عنوان مثال براي يك موشك ضد تانك بهترين نوع موتور، موتور سوخت جامد است.
موتورهاي سوخت مايع (12)
در اين موتورهاي از پيشرانههاي (سوختها يا اكسيدكننده ها) مايع استفاده ميشود. در زير به چند نوع از آنها ميپردازيم:
" پيشرانههاي سرمازا: به سوخت يا اكسيدكنندهاي كه در دماي بسيار پايين نگهداري ميشود، پيشرانه سرمازا ميگويند. اكسيژن در منفي 2/147 درجهي سانتيگراد و هيدروژن مايع در منفي 217 درجه به جوش ميآيد. موتورهاي سرمازا به محفظهها و منافذ خاصي نياز دارند تا به گازهاي حاصل از تبخير مايعهاي تبخيرشونده اجازه فرار دهند. سوخت و اكسيدكنندهي سرمازا به شكل مايع از باكها به محفظهي احتراق پمپ ميشوند؛ جايي كه با هم تركيب شده و سپس به وسيلهي جرقه يا شعله، احتراق صورت ميگيرد. با احتراق سوخت، گازهاي داغ حاصل از اين فرايند با سرعت فراوان به سمت انتها و بيرون موتور (از طريق نازلها) به جريان ميافتند. اين عمل منجر به ايجاد نيروي پيشران ميشود.
در حالت گاز، دو مادهي اكسيژن و هيدروژن داراي چگالي بسيار كمي هستند. بنابراين براي حمل آنها درون موشك نيازمند محفظهاي بسيار بزرگي هستيم. به همين منظور با سرد كردن و تبديل آنها به مايع به ميزان زيادي از حجمشان ميكاهند تا بتوان مقادير زيادي از آنها را در مخازن موشك حمل كرد.
سوختهاي سرمازا تمايل زيادي به بازگشت به حالت گازي دارند؛ مگر آنكه در دماي بسيار پايين (13) نگهداري شوند. اين مساله در موشكهاي با كاربرد نظامي - كه بايستي مدتها آماده به ظليك نگهداري شوند- به ميزان زيادي بر هزينهها ميافزايد ؛ اما بازده زياد تركيب اكسيژن مايع و هيدروژن مايع (كه ارزشي قابل توجه براي طراحان دارد) باعث ميشود هنگامي كه مدت زمان نگهداري خيلي بالا نيست، از هزينههاي نگهداري سوخت در دماي بسيار پايين اغماض شود.
نيروي پيشران بر واحد وزن هيدروژن مايع به ميزان 40 درصد بيشتر از ديگر پيشرانههاي موشكي است. وزن آن نيز بسيار پايين است. هر ليتر هيدروژن مايع وزني معادل 21/59 كيلوگرم بر هر متر مكعب است؛ اما اين مقدار براي اكسيژن مايع خيلي بيشتر است؛ يعني هر متر مكعب 21/1184 كيلوگرم.
" پيشرانهي خود مشتعل: به زوج پيشرانهاي كه به محض برخورد به هم محترق ميشوند، سوختهاي خودمشتعل ميگويند. چنين پيشرانهاي براي احتراق نيازي به جرقه يا شعله ندارد. اين نوع پيشرانهها -به ويژه اكسيدكنندهي آنها- معمولا خورنده و بسيار سمي هستند، به همين جهت نياز به محفظهها و نگهدارندههاي خاصي دارند. اين نوع سوختها در دماي عادي به صورت مايع هستند و به همين جهت نيازمند به انمكانات پيچيدهي نگهداري و ذخيرهي مورد نياز در موتورهاي سرمازا نيستند.
احتراق آسان اين نوع سوخت آن را براي استفاده در سامانهي مانوردهي و كنترل فضاپيماهاي سرنشيندار و بدون سرنشين جذاب ميسازد. به عنوان نمونه مي توان از زوج مونومتيل هيدرازين (14) (به عنوان سوخت) و تتروكسيد نيتروژن (15) (به عنوان اكسيدكننده) نام برد. هيدرازين مادهاي بسيار خطرناك است و بويي شبيه به ماهي دارد. سوختهاي خودمشتعل در مرحلهي دوم موشك دلتا به كار رفتهاند. شاتل فضايي هم از اين نوع پيشرانه در سامانههاي مانوردهي مداري (16) و سامانهي كنترل عرضي (17) خود استفاده ميكند. ضربهي ويژهي اين پيشرانه در سامانههاي ماودهي مداري بين 260 تا 280 ثانيه و سامانهي كنترل عرضي 313 ثانيه است.
" سوخت منفرد : به سوختي كه براي احتراق نيازي به اكسيدكننده ندارد، سوخت منفرد ميگويند. به علت چنين خاصيتي، اين نوع سوختها بسيار ناپايدار و در نتيجه خطرناك هستند. از اين نوع سوخت بيشتر در كنترل موشك در نخستين مرحله و تغيير جهت آن استفاده ميشود.
مزايا و معايب موتور سوخت مايع
مزاياي سوخت مايع عبارتند از انرژي بيشتر بر واحد جرم سوخت، نيروي پيشران متغير و امكان راهاندازي دوباره. علاوه بر آن وجود منابع نامحدود مواد اوليهاي همچون اكسيژن و هيدروژن، توليد اكسيدكننده و سوخت اين نوع موتورها را راحت ميكند. معايب اين نوع موتورها شامل نياز به ساختار بسيار پيچيده، نياز به پمپهاي با سرعت دوران و دبي زياد و همچنين در حالت موشك نظامي، سخت و هزينهبر بودن نگهداري موشكها هنگامي كه پر از سوخت و آمادهي پرتابند.
نوعي سوخت نفتي كه از مشتقات كروسين، مشابه آنچه در بخاريهاي نفتي مورد استفاده قرار ميگيرد، هم به عنوان پيشرانه در موتورهاي سوخت مايع مورد استفاده واقع ميشود. اين نفت- كه اصطلاحا نفت موشك خوانده ميشود -به شدت تصفيه شده است و عنوان آرپي-1 (18) را به خود اختصاص داده است. از اين نوع سوخت به همراه اكسيژن مايع براي ايجاد نيروي پيشران در مرحلهي اول راكتهاي دلتا و اطلس سنتائور استفاده شده است. اين سوخت همچنين توليد نيروي پيشران مرحلهي نخست موشكهاي ساترين-1 بي و ساترين 5 را بر عهده داشته است. ضربهي ويژهي آرپي-1 به ميزان قابل ملاحظهاي كمتر از سوختهاي سرمازا - مانند هيدروژن مايع- است.
ضربهي ويژهي موتورهاي آرال10- كه گفته ميشود نخستين موتور سوخت مايع بوده است- 444 ثانيه بود. موتورهاي جي-2 (19) كه در مراحل دوم و سوم ساترن 5 و مرحلهي دوم ساترن 1 بي به كار گرفته شد، هم از همين تركيب پيشرانه براي توليد نيروي پيشران استفاده ميكردند.
پاداش دستيابي به فناوري استفاده از هيدروژن مايع بسيار چشمگير و قابل توجه است؛ دستيابي راحتتر به فضا. استفاده از هيدروژن مايع يعني امكان انجام يك ماموريت مشخص با وزن سوختي بسيار كمتر و در نتيجه با وزن وسيلهي نقليهي بسيار كمتر. اين مساله در انجام مأموريتهاي فضايي امري حياتي است.
موتورهاي سوخت جامد:
اين موتورها اصولا از محفظههايي تشكيل شدهاند كه از پيشرانهي جامد -كه به صورت تركيبي از سوخت و اكسيدكننده است- در ان قرار ميگيرد. چون بيشتر بخش موشكهاي سوخت جامد را موتور آنها تشكيل ميدهد در بسياري از منابع و مراجع، موتور سوخت جامد را با عنوان "راكت سوخت جامد " بيان مينمايند؛ حال آنكه تمام موشك، موتور آن نيست و بخشهاي هدايت و كنترل و محمولهي آن نيز جزء موشك است.
موشكهاي سوخت جامد، سادهترين و در عين حال قديميترين مدل موشكهاي موجود است. اين موشكها ريشه در تاريخ چين باستان دارند. اين موشكها شامل يك محفظهي سادهي استوانهاي -كه معمولا از جنس فولادند- و مقداري مواد شيميايي جامد در درون آن تشكيل شده اند. اين مواد به محض دريافت اولين جرقه به سرعت واكنش نشان داده و فرآيند احتراق در آنها بسيار سريع روي ميدهد.
مزايا و معايب موتورهاي سوخت جامد
مزيت موتورهاي سوخت جامد آن است كه سوخت آنها بسيار پايدار و غيرخورنده هستند. اين مسئله امكان ذخيرهسازي آنها را براي مدتهاي طولاني فراهم ميسازد. چگالي سوختهاي جامد زياد است و فرآيند احتراق در آنها بسيار سريع روي ميدهد. اين مواد در مقابل شوك، ارتعاش و شتاب متغير تقريبا غيرحساس هستند. نيازي به پمپاژ پيشرانه ندارند؛ بنابراين موتورهاي سوخت جامد بسيار سادهتر از نوع موتورهاي سوخت مايع هستند.
عيب اين نوع سوخت آن است كه هنگامي كه مشتعل شوند تا آخرين مولكول خواهند سوخت و نميتوان شدت و ضعف آن را كم و زياد كرد يا آن را خاموش كرد و يا حتي دوباره روشن ساخت. مساحت سطح مواد احتراق عاملي مهم در تعييم ميزان نيروي پيشران است. از طرف ديگر، شكاف يا ترك در ميان مادهي احتراق جامد، منجر به نفوذ هواي بيشتر در ميان مواد شده و بر سرعت احتراق ميافزايد. اگر تعداد اين شكافها زياد باشد ممكن است فشار درون محفظهي احتراق بيش از حد بالا رود و در نتيجه موشك منفجر شود. فرايند ساخت سوخت جامد كاري دقيق و پرهزينه است. ابعاد موشكهاي سوخت جامد طيف وسيعي را در برميگيرد و از موشكهاي ضدتانك كوچك همچون تاو تا بوسترهاي سوخت جامد فضاپيماي شاتل با 33 متر طول را -كه در پهلوهاي تانك سوخت مركزي نارنجي رنگ قرار گرفته است- در بر ميگيرد.
در اين تصوير موتورهاي سوخت جامد و سوخت مايع شاتل فضايي به طور همزمان قابل مشاهده است و به همين جهت به خوبي ميتوان بيشتر تفاوتهاي ظاهري اين موتورهاي سوخت جامد و مايع را، در آن مشاهده كرد. شعله سفيد مايل به زرد ناشي از احتراق موتور سوخت جامد و شعلههاي شفاف و كمرنگ حاصل از احتراق سوخت مايع ـ كه در مخزن نارنجي رنگ ذخيره شده.
موتورهاي سوخت جامد شاتل فضايي، بزرگترين موتورهاي سوخت جامد توليدشده تا كنون، هستند. وزن سوخت هر يك از اين موشكها 453600 كيلوگرم است. يكي از چهار بخش مركزي اين موشك بخشي است كه مواد احتراق جامد را در خود جاي داده است. بالاترين بخش موشك، شكلي ستارهاي دارد. در مركز مواد جامد، كانالي ايجاد شده است كه از بالا تا دوسوم طول موشك امتداد دارد. اين شكاف ستارهاي، از دوسوم به بعد به تدريج تا انتهاي موشك به صورت استوانه در ميآيد. انتهاي هر يك از اين چهار بخش، به بخش بعدي متصل ميشود. هنگامي كه جرقهي موتور زده ميشود هر چهار بخش با هم شروع به احتراق ميكنند. از آنجايي كه بخش ستارهاي شكل، سطح در تماس با هواي بيشتري دارد و نيز ضخيمتر از سه بخش ديگر است، نيروي پيشران موشك در لحظات ابتدايي بيشتر است و به مرور با بالا رفتن از ميزان نيروي پيشران كاسته ميشود.
جنس اكسيدكنندهي موتورهاي سوخت جامد شاتل فضايي از جنس پركلريدآمونيوم (20) است كه 93/69 درصد كل مخلوط را به خود اختصاص ميدهد. سوخت هم از نوعي آلومينيومي پودر شده با (16 درصد وزن كل) و نوعي اكسيدكنندهي آهن (07/0 درصد) به عنوان كاتاليزور است. مادهاي كه به عنوان چسبانندهي مواد مختلف به هم مورد استفاده قرار گرفته است، اكريلونيتريل اسيد آكريليك پلي بوتادين (21) است. اين ماده خود به تنهايي 04/12 درصد كل وزن سوخت جامد را به خود اختصاص ميدهد. علاوه بر اين ماده، از آپوكسي كورينگ (22) (96/1درصد) هم استفاده ميشود. هم آپوكسي و هم ديگر مواد چسبنده هنگام احتراق همراه با مواد احتراق ميسوزند و نيرو ايجاد ميكنند. ضربهي ويژهي سوخت جامد شاتل فضايي 242 ثانيه در سطح دريا و در خلأ 6/268 ثانيه است.
موتورهاي هيبريدي
اين موتورها از مزاياي هر دو موشك سوخت جامد و سوخت مايع بهره ميبرند. طرح پايهي اين موشكها بر اساس لولهي سادهايست كه از مواد جامد (معمولا سوخت) پر شده است (تا اينجا شبيه به موتور سوخت جامد) و در بالاي اين لوله تانكي حاوي مواد شيميايي تكميلكنندهي احتراق مواد جامد (معمولا اكسيدكننده) قرار گرفته است. اين دو مادهي شيميايي از نوع خود مشتعل هستند و به همين جهت به محض تزريق مادهي شيميايي مايع يا اكسيدكننده به درون لولهي حاوي سوخت جامد و برقراري تماس بين اين دو مواد، فرايند احتراق صورت ميگيرد و نيروي پيشران ايجاد مي شود. بدينگونه با كم و زياد كردن ميزان تزريق مايع اكسيدكننده به لولهي سوخت جامد، امكان كم و زياد كردن نيروي پيشران فراهم ميشود. حتي ميتوان نيروي پيشران توليدي را با قطع كردن تزريق مايع به طور كامل به صفر رساند. (موتورا را خاموش كرد) و يا با تزريق دوباره مايع، آن را دوباره روشن كرد. مزيت ديگر اين نوع موتورها آن است كه نيروي توليدي اين نوع موشكها بر واحد وزن بيشتر از انواع سوخت جامد است. ديگر مزايا عبارتند از: مدت ماندگاري زياد، پيچيدگي و وزن كمتر موتور در مقايسه با موتورهاي سوخت مايع.
تجهيزات و امكانات مورد نياز اين موتورها كمتر از نصف موتورهاي سوخت مايع است. ضمن اينكه اين نوع موتورها نسبت به موتورهاي سوخت جامد حساسيت كمتري دارند. موتورهاي هيبريدي ميزان نيروي پيشران توليدي را با استفاده از سنجشگرهايي كه ميزان تزريق اكسيدكننده را ميسنجند، اندازهگيري ميكنند. در مقايسه با موتورهاي سوخت مايع، نيروي پيشران توليدي بر واحد وزن اين نوع موتورها كمتر است و نكتهي آخر آن كه اين نوع موتورها هنوز در مرحلهي تكامل قرار دارند و هنوز به صورت واقعي مورد استفاده قرار نگرفتهاند.
سامانهي هدايت
سامانهي هدايت موشكها را ميتوان با خلبان هواپيماهاي سرنشيندار مقايسه كرد. هر سامانهي كنترل شامل زيرسامانهي كنترل وضعيت و زيرساماني كنترل مسير پرواز است. اولي به منظور قرار دادن موشك در وضعيت مورد نظر و دومي به منظور كنترل موشك در مسير مورد نظر ميباشد. اين كار با غلطاندن، تاب دادن يا گردش دادن موشك، انجام ميشود. زيرسامانهي كنترل وضعيت شبيه به خلبان خودكار هواپيماست و كار آن دفع نوساناتي است كه ممكن است موشك را از مسير پروازي اصلي خود منحرف سازد. كار زيرسامانهي كنترل مسير هم تعيين مسير مناسب براي رسيدن موشك به هدف و توليد فرامين مورد نياز سازوكار كنترل وضعيت براي دستيابي به مسير مورد نظر است.
اساس كار سامانهي هدايت بر مبناي قانون بازخورد (23) قرار گرفته است. واحد كنترل در صورت دريافت خطا اقدام به ارسال فرامين اصلاحكنندهي خطا ميكند. واحد كنترل همچنين كار پايدارسازي موشك در هنگام اجراي مانورهاي غلت، تاب و گردش را انجام ميدهد. فرامين هدايت و پايدارسازي با يكديگر تركيب شده و در نتيجه به صورت فرمان اصلاحي بر روي سطوح كنترل موشك اعمال ميشود.
قلب سامانهي مكانيابي موشك از تعدادي شتابسنج تشكيل شده است كه قادر به سنجش هرگونه تغيير در حركت موشك هستند. يك شتابسنج همان گونه كه از نامش پيداست وسيلهاي است كه شتاب را اندازهگيري ميكند. اساس كار اين ابزار بسيار ساده استو به طور مثال يك پاندول كه قادر به نوسان در محور عرضي است، ميتواند براي اندازهگيري شتاب موشك در محورهاي جلويي و عقبي موشك مورد استفاده قرار بگيرد.
هنگامي كه موشك شتاب رو به جلو ميگيرد، پاندول به سوي عقب متمايل ميشود. ميزان جابهجايي موشك از مكان اوليهي خود تابعي از قدر مطلق نيروي شتاب است. همانطور كه ميدانيم با توجه به قانون دوم نيوتن نيرو و شتاب با هم رابطهي مستقيم دارند.
معمولا سه انتگرالگير كار محاسبهي فاصلهي طي شده در سه جهت مختلف را به صورت پيوسته انجام ميدهند. انتگرلگيرها ابزارهايي هستند كه به شتاب حساس بوده و با دو بار انتگرالگيري فواصل را محاسبه ميكنند. اين فواصل اندازهگيري شده سپس با فواصل مد نظر مقايسه ميشوند و آنگاه در صورت اختلاف فرامين مورد نياز براي اصلاح صادر ميشود.
هرگاه اهداف در فواصل دور دست واقع شده باشند، برخي روشهاي هدايت بايد مورد استفاده قرار گيرند. دقت در فواصل طولاني فقط با دقت زياد در محاسبات و جامع بودن اين محاسبات در طول مسير پروازي به دست ميآيد.
" هدايت اينرسيايي : سادهترين اصل براي هدايت، قانون اينرسي است. توپ فوتبالي را در نظر بگيريد كه به سوي دروازهاي شوت شده است. اگر درست هدفگيري شده باشد و شدت ضربه هم مناسب باشد طبيعي است كه در صورت برخورد نكردن به چيزي يا شخصي وارد دروازه شود. اما اگر هدفگيري از ابتدا درست نباشد، لازم است فردي در ميانهي مسير، جهت حركت توپ را اصلاح كند. اين كار در موشكها توسط سامانهي هدايت موشك انجام ميشود. سامانهي هدايت اينرسيايي كار وارد كردن نيروي لازم در ميانهي مسير براي اصلاح مسير حركت را بر عهده دارد. موشكهاي با هدايت اينرسيايي، همچنيني اطلاعات برنامهريزي شدهي پيش از پرئواز را دريافت ميكنند. پس از پرتاب، هيچگونه ارتباط الكترومغناطيسي هم ميان موشك و سايت پرتاب وجود ندارد؛ اما با اين وجود، موشك قادر است با استفاده از سامانهي هدايت اينرسيايي به شكل شگفتآوري مسير خود را اصلاح كند. تمام شتابهاي حين پرواز به طور پيوسته توسط مجموعه سنجيده ميشوند و سامانهي كنترل وضعيت موشك فرامين اصلاحي مورد نظر را به منظور حفظ مسير صحيح توليد كرده و به سطوح فرامين ابلاغ ميكند. در فواصل زياد دقت اين سامانه كاهش مييابد. در ميان تمامي روشهاي هدايت كنوني در موشكهاي برد بلند، اين روش كمترين دقت را دارد.
" هدايت با استفاده از نقاط مرجع آسماني: سامانهي هدايت آسماني، سامانهاي است كه با استفاده از ستارههاي ثابت شده در آسمان به عنوان نقاط مرجع، مسير مد نظر را طي ميكنند. اين سامانه بر مبناي اطلاعات موجود از مكان ستارهها يا ديگر اجرام آسماني كه مكانشان براي ما در هر لحظه كاملا مشهود است، عمل ميكند. براي موشكهاي برد بلند استفاده از ستاره ها يا خورشيد به عنوان نقاط مرجع در مكانيابي و هدايت موشك، فوقالعاده توصيه ميشود. زيرا اين روش به هيچ عنوان وابسه به برد و ميزان فاصله نيست. اين كار با يافتن مكان دقيق ستارههاي مرجع در هر لحظه و تعيين زاويهي سمت و بد آن نسبت به زيمن، توسط تلسكوپهاي اتوماتيك و تبديل آنها به جداول مكانيابي ستارهاي و مقايسهي اين جداول با مسير مدنظر و مكان لحظهاي موشك توسط رايانهي دروني موشك صورت ميگيرد. رايانهي دروني موشك با استفاده از جداول مرجع در صورت مشاهدهي اختلاف ميان مسير مورد نظر با آنچه پيموده ميشود، فرامين اصلاحي لازم را صادر ميكند. موشك بايد علاوه بر حمل تمامي اين ابزارها با خود، بايستس مسير پرواز خود را از فراز ابرها انتخاب كند تا همواره قادر به مشاهدهي ستارهها باشد. اگر پرواز موشك در روز انجام ميشود بايد مسير پرواز از وراي جو انتخاب شود تا از مشاهده ي دائمي ستارهها مطمئن بود. تمامي موشكهاي قارهپيما و نيز موشكهاي بالستيك زير دريايي كنوني، از اين روش براي هدايت خود استفاده ميكنند.
" هدايت راديويي: اين روش با استفاده از مثلثات و تعدادي فرستندهي راديويي انجام ميشود؛ يكي از راههاي هدايت موشك در ميانهي مسير است. اين روش با ظهور روش هدايت اينرسايي از دههي 60 به اين سو، كنار گذاشته شد. در آمريكا در ابتداي دههي 80 بار ديگر توجهها به اين سمت جلب شد؛ اما با پيدايش سامانهي هدايت جهاني (جيپياس) بار ديگر كنار گذاشته شد. سامانهي هدايت راديويي فرامين خود را باي هدايت موشك، از طريق فرستندهاي كه بر روي پرتابكنندهي موشك يا جايي نزديك به آن، به سوي موشك ميفرستند. فرامين ارسالي در هنگام پرتاب و پس از آن به خوبي به تمامي سامانههايي كه قادر به دريافت اواج راديويي هستند هشدار ميدهد كه به رودي حادثهاي موشكي در حال رخ دادن است. اين مسئله منجر به كاهش اثرگذاري اين روش ميشود. ضمن اينكه اين روش آسيبپذيرترين روش در برابر تدابير متقابل الكترونيكي (جمينگ) است.
بسيار بعيد است كه از سامانهي مكان يابي جهاني (جيپياس) (24) و يا رقيب روسي آن سامانهي ماهوارهاي مكانيابي جهاني (گلوناس) (25) به منظور هدايت موشكهاي بالستيك دوربرد استفاده شود. بهترين گيرنده هاي نظامي جيپياس، قادر به تعيين مكان خود با دقت چند ده سانتيمتر هستند. حال آنكه براي هدايت يك موشك بالستيك با برد كمتر از 3500 كيلومتر به دقتي حداقل ده برابر اين مقدار نياز است. با اين وجود، اين سامانه ابزار مناسبي براي در مسير قرار دادن موشك پس از شليك و نيز افزايش دقت وسيلهي بازگشتي در مراجعت از جو تا خوردن به هدف است.
بخش بازگشتكننده به جو (آر- وي) (26)
پس از اتمام مرحلهي پرتاب كه با اتمام سوخت موشك صورت ميگيرد، موشك پايدار شده و مسير كاملا مشخصي را ميپيمايد و به طور معمول بخش بازگشتپذير به جو يا آروي از موشك جدا شده و به سوي هدف رها ميشود.
شكل ظاهري بخش بازگشتي موشك، شدت، مدت و مسير پروازي آن را، مشخص ميسازد. همچنين ميزان بارگذاري و مقدار افزايش دماي بخش بازگشتي هم به شدت وابسته به شكل ظاهري آن است. شكل ظاهري "آروي " ها عموما به دو دسته تقسيم ميشود: ليفتينگ و بالستيك. از نظر كاربردي، شكل ليفتينگ مزاياي زيادي نسبت به ديگر شكلها دارد. اولين مزيت آن كاهش بارگذاري سرجنگي است. مزيت بعدي قدرت انتخاب بيشتر در مكان فرود است. سرجنگي با شكل ليفتينگ قادر به انحراف دادن به مسير پروازي خود به منظور رد گم كردن در مقابل سامانههاي ضد موشكي است. در صورتي كه شكل بالستيك يا كروي فقط امكان پيمودن يك مسير را براي موشك فراهم ميسازد. مشكل اصلي شكل ليفتينگ آن است كه براي طراحي چنين پيكرهبندي و نيز امكان كنترل و هدايت سرجنگي داراي اين شكل، بايد هزينههاي فراواني پرداخت. چنين كاري بسيار پيچيده و پر دردسر است. از كار افتادن سامانهي كنترل چنين سرجنگي، منجر به ناپايدار شدن آن و در نتيجه خطاي فراوان در برخورد با هدف ميشود.
در مسير بازگشت به جو دماي سرجنگي به شدت بالا ميرود كه اين مسئله ميتواند منجر به انفجار آن شود، بدون آنكه به هدف خود اصابت كند. در حين بازگشت به جو بخش بيروني آروي به وسيلهي سامانهي حفاظت گرمايي (27) در برابر گرماي زياد حاصل از اصطكاك محافظت ميشود. دو راه عمده براي محافظت آروي عبارتند از:
" محافظت با استفاده از فرسايش مادهي محافظ پوستهي رويهي آنها.
" استفاده از محافظ گرماي تشعشعي
به طور معمول از يكي از اين روشها يا بعضا از هر دو روش به منظور محافظت از بخش بازگشتي استفاده ميشود. اگر سرجنگي شيميايي يا ميكروبي باشد، سرعت بخش بازگشتي پس از ورود به جو، بايد به سرعت كاهش يابد. به گونهاي كه سرعت ان از چندين ماخ تا سرعت هاي زير صوت برسد. بدين منظور ميتوان از چتر يا ديگر ابزارهاي كاهنده ي سرعت استفاده كرد.
تكنسين نيروي هوايي آمريكا در حال قرار دادن "آر وي " موشك پيس كبير درون مخروط نوك موشك.
در تصوير هشت كلاهك آر وي اين موشك به خوبي قابل مشاهده است.
در موشكهاي قارهپيما سرعت بخش بازگشتي، در بازگشت به جو حدود 25 (شك نكنيد! بيست و پنج) ماخ است؛ 25 برابر سرعت صوت، اين سرعت در اثر اصطكاك هوا به شدت كاهش مييابد، به گونهاي كه هنگام رسيدن به سطح زمين حتي ممكن است به يك ماح هم برسد. پس اين مقدار عظيم انرژي جنبشي به كجا ميرود؟ واضح است، بر اثر اصطكاك تبديل به انرژي گرمايي ميشود. بر اثر سرعت بسيار زياد، در جلوي موشك، امواج شوك ايجاد ميشود و بلافاصله پس از آن، بخش قابل توجهي از انرژي جنبشي تبديل به گرما و حرارت ميشود. گرماي ايجاد شده علاوه بر چگالي هواي جو به شكل مخروط نوك موشك و سرعت ان هم وابسته است. اين گرما با ريشهي دوم شعاع مخروط نوك موشك رابطهي عكس و با توان سوم سرعت آن رابطهي مستقيم دارد. اين بدان معناست كه هرچه سرعت كمتر و شعاع مخروط نوك بيشتر باشد، گرماي كمتري توليد ميشود. بنابراين قيافهي پخ بر قيافهي نوكتيز به علت شعاع بيشتر و شكل ليفتينگ بر بالستيك به علت سرعت كمتر، ارجحيت دارد.
بيشترين دمايي كه ممكن است در يك بخش بازگشتي ايجاد شود 11500 درجهي سانتيگراد است. اما اين مقدار در "آروي "هايي كه از پيكرهبندي ليفتينگ استفاده ميكنند، بسيار كمتر از اين مقدار است. به طور نمونه دماي سطح كپسول آپولو حداكثر به 2760 درجه ميرسد. با اين وجود براي اطمينان از نسوختن سرجنگي در بازگشتبه زمين سامانهي محافظت در مقابل گرما الزامي است. انتخاب نوع سامانه به طراحي، حداكثر دمايي كه سرجنگي قادر به تحمل آن است و ويژگيهاي ماموريت وابسته است. سامانههاي محافظ در برابر گرماي بخش بيروني بخش بازگشتي مي تواند از روشهاي فرسايش مادهي واسط، حفاظ تشعشعي گرما، چاه گرما، تعرق و حالت تشعشعي استفاده كند. البته امروزه استفاده از سه روش آخر منسوخ شده است.
نكتهي آخر در مورد "آروي "ها آنكه برخي آروي هاي موشكهاي بالستيك داراي چند سرجنگي هستند كه امكان مقابله توسط ضدموشكها را به شدت كاهش ميدهد؛ از جملهي بخش بازگشتي موشك پيسكيپر را ميتوان نام برد.
نمايي از آزمايش موشك پيس كبير، هر يك از اين خطوط رد و اثر يك سرجنگي است كه دوباره به جو بازگشته است. قدرت انهدامي هر يك از اين سرجنگيها معادل 375 كيلو تيانتي است.
نويسنده:غلامرضا عليزاده
منبع: ماهنامه هوافضا