پژوهشگران چینی با انتقاد از طراحی تک‌موتوره ماه‌نشین ناسا اعلام کردند که سامانه چندموتوره جدید چین ایمنی و قابلیت اطمینان بیشتری برای مأموریت‌های ماه دارد.
به گزارش سرویس هوافضای تکناک، رقابت فضایی میان ایالات متحده و چین در سال‌های اخیر از مرحله نمایش توانایی‌های فناورانه عبور کرده و به نبردی بر سر ایمنی، پایداری و قابلیت اطمینان مأموریت‌های سرنشین‌دار ماه تبدیل شده است. اکنون پژوهشگران چینی در مطالعه‌ای تازه، یکی از مهم‌ترین بخش‌های معماری فرود و برخاست ماه‌نشین ناسا را زیر ذره‌بین برده‌اند و معتقد هستند اتکای این سامانه به یک موتور اصلی می‌تواند در شرایط بحرانی به یک نقطه ضعف جدی تبدیل شود.
این مطالعه که در ماه مارس در نشریه علمی Chinese Space Science and Technology منتشر شده است، طراحی سامانه فرود و صعود ماه‌نشین ناسا را از منظر ایمنی بررسی می‌کند. نویسندگان این پژوهش استدلال کرده‌اند که استفاده از یک موتور اصلی برای انجام مراحل حیاتی مأموریت، سطح ریسک را افزایش می‌دهد و در صورت بروز نقص فنی، هیچ گزینه پشتیبانی برای نجات مأموریت یا خدمه باقی نمی‌ماند.
در معماری فعلی برنامه‌های ماه ناسا، موتور اصلی ماه‌نشین نقش حیاتی در تمامی مراحل حساس ایفا می‌کند. این موتور در هنگام فرود، کاهش ارتفاع فضاپیما از مدار ماه تا سطح را مدیریت می‌کند و پس از پایان مأموریت نیز تنها وسیله بازگرداندن فضانوردان از سطح ماه به مدار به حساب می‌آید. به همین دلیل هرگونه خرابی در این سامانه می‌تواند مأموریت را با شکست کامل مواجه کند.
پژوهشگران چینی در مقابل به طراحی ماه‌نشین سرنشین‌دار کشور خود اشاره کرده‌اند که از رویکرد متفاوتی بهره می‌برد. این فضاپیما که توسط یک تیم تحقیقاتی وابسته به آزمایشگاه ملی مستقر در شانگهای توسعه یافته است، به جای یک موتور بزرگ از چهار موتور با رانش متغیر استفاده می‌کند. مجموع توان این موتورها بیش از ۳۰ کیلونیوتن اعلام شده است.
به گفته محققان، مزیت اصلی این طراحی در افزونگی یا Redundancy نهفته است. اگر یکی از چهار موتور در حین مأموریت به طور کامل از کار بیفتد، سه موتور باقی‌مانده همچنان قادر خواهند بود نیروی رانشی نزدیک به موتور اصلی فضاپیمای Orion ناسا تولید کنند. چنین قابلیتی احتمال موفقیت مأموریت و ایمنی خدمه را در شرایط بحرانی افزایش می‌دهد.
همچنین این پژوهش به یک لایه حفاظتی دیگر در طراحی ماه‌نشین چین اشاره می‌کند. مهندسان چینی علاوه بر موتورهای اصلی، شش پیشران کوچک کنترل مداری را نیز در نظر گرفته‌اند. در سناریویی که همه موتورهای اصلی از کار بیفتند، این پیشران‌ها می‌توانند از سطح ماه فعال شوند و امکان یک برخاست اضطراری را فراهم کنند.
با وجود این، پرسش مهمی مطرح می‌شود؛ اگر استفاده از چند موتور مزایای ایمنی بیشتری دارد، چرا همه برنامه‌های فضایی از چنین رویکردی استفاده نمی‌کنند؟
پاسخ این سؤال به یکی از مهم‌ترین چالش‌های مهندسی فضایی یعنی مدیریت جرم بازمی‌گردد. هر موتور اضافی به معنای افزایش وزن فضاپیما است و وزن بیشتر می‌تواند ظرفیت حمل بار، بازده مأموریت و کارایی کلی سامانه را کاهش دهد. به همین دلیل بسیاری از طراحان فضایی میان ایمنی و وزن تعادل برقرار می‌کنند.
تیم چینی برای حل این مشکل از فناوری جدیدی در بخش ذخیره سوخت استفاده کرده است. این فناوری که با نام «مخزن دارای دیواره مشترک» شناخته می‌شود، مخازن سوخت و اکسیدکننده را در یک ساختار یکپارچه ترکیب می‌کند. در طراحی‌های سنتی، هر یک از این مواد در مخزن جداگانه‌ای ذخیره می‌شدند و همین مسئله وزن سازه را افزایش می‌داد.
در طراحی جدید، سوخت و اکسیدکننده توسط یک دیواره مشترک از یکدیگر جدا می‌شوند. این ساختار ضمن کاهش تعداد قطعات و اجزای سازه‌ای، فضای داخلی را نیز بهینه‌تر می‌کند. پژوهشگران اعلام کرده‌اند که این تغییر توانسته است در مقیاس صدها کیلوگرم از وزن سامانه بکاهد.
علاوه بر این، مخزن جدید از مواد کامپوزیتی پیشرفته ساخته شده است. طبق نتایج منتشرشده، این مخزن نسبت به نمونه‌های فلزی سنتی بیش از ۲۰ درصد سبک‌تر است. نکته مهم‌تر آنکه این سازه تنها وظیفه نگهداری سوخت را بر عهده ندارد و بخشی از ساختار باربر فضاپیما نیز محسوب می‌شود. در نتیجه، یک قطعه واحد دو وظیفه مختلف را انجام می‌دهد و بازده جرمی سامانه افزایش پیدا می‌کند.
پژوهشگران برای ارزیابی عملی این فناوری، مجموعه‌ای از آزمایش‌های احتراق داغ یا Hot-Fire Test را اجرا کرده‌اند. این آزمایش‌ها امکان بررسی عملکرد واقعی سامانه در شرایط نزدیک به مأموریت را فراهم می‌کنند.
نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد چهار موتور رانش متغیر توانسته‌اند با دقت بسیار بالا و اختلاف رانشی کمتر از ۱۰۰ نیوتن به صورت هماهنگ عمل کنند. چنین دقتی برای حفظ پایداری ماه‌نشین اهمیت حیاتی دارد، چرا که اختلاف زیاد در رانش موتورهای مختلف می‌تواند باعث چرخش ناخواسته یا حتی واژگونی فضاپیما در مراحل حساس فرود و برخاست شود.
همچنین داده‌های آزمایشی نشان داده‌اند که کنترل فشار در مخزن دارای دیواره مشترک امکان‌پذیر است و چالش‌های فنی ناشی از این طراحی قابل مدیریت هستند. با وجود این، پژوهشگران تأکید می‌کنند پیاده‌سازی چنین سامانه‌ای نیازمند فناوری‌های بسیار پیشرفته در زمینه کنترل خودکار فشار، مدیریت سوخت و هماهنگ‌سازی چند موتور رانش متغیر است.
در شرایطی که برنامه آرتمیس ناسا و برنامه سرنشین‌دار ماه چین هر دو با سرعت در حال پیشرفت هستند، این اختلاف دیدگاه در طراحی سامانه‌های فرود و برخاست می‌تواند به یکی از مهم‌ترین موضوعات فنی نسل آینده اکتشافات ماه تبدیل شود؛ موضوعی که شاید در سال‌های آینده تعیین کند کدام رویکرد ایمنی و کارایی بیشتری را برای حضور انسان در ماه فراهم می‌کند.
