«کاوشگر پژوهش»

تهیه شده توسط پژوهشگاه سامانه‌های فضانوردی

«کاوشگر پژوهش» در یک نگاه

به دنبال موفقیت کاوشگر پیشگام در ارسال اولین میمون فضایی ایران به فضا در بهمن‌ماه 1391 و در راستای تحققِ بخشی از برنامة اعزام انسان به فضا، کارشناسان و پژوهشگران «پژوهشکده سامانه‌های فضانوردی» با امید و انگیزة دوچندان، آماده‌سازی کپسول فضایی دیگری را برای ارسال دومین میمون فضایی ایران به فضا، در دستور کار قرار دادند. این محمولة‌ سرنشین‌دار که «کاوشگر پژوهش» نام دارد پس از بهبود و توسعة زیرسامانه‌های کاوشگر پیشین و افزایش قابلیت اطمینان آن، برای پرتاب با یک حامل سوخت مایع در مورخ شنبه 23 آذرماه 1392 آماده شد. مطابق برنامه‌ریزی، «کاوشگر پژوهش» در این روز در پایگاه پرتاب‌های فضایی ایران واقع در سمنان، روی سکوی پرتاب مستقر شد و همان‌طور که انتظار می‌رفت دومین میمون فضایی ایران را به فضای زیرمداری ارسال کرد و پس از مدت زمان حدود 15 دقیقه سالم به زمین بازگرداند. در پرتو عنایات الهی، با موفقیت «کاوشگر پژوهش» در این مأموریت، گام بلند دیگری در دستیابی به فناوری‌های فضانوردی برداشته شد.
بارزترین تفاوت میان «کاوشگر پژوهش» و پیشگام، استفاده از حامل سوخت مایع بود که زمینة‌ انجام این مأموریت را با شتاب برخاست کمتری فراهم کرد. «سامانة ضربه‌گیر فرود»، دیگر فناوری ارتقایافته در «کاوشگر پژوهش» بود که با به‌کارگیری آن، ضربة واردشده به موجود زنده در لحظة برخورد به زمین کاهش چشمگیری یافت. دستیابی به این فناوری‌ها گام مؤثری در راه نزدیک شدن به شرایط مطلوب برای انجام مأموریت‌های فضایی سرنشین‌دار است.
برنامه‌ریزی «کاوشگر پژوهش» به نحوی بود که بعد از جدا شدن از پرتابگر و اوج‌گیری تا ارتفاع 120 کیلومتری از سطح زمین و مواجهه با شرایط بی‌وزنی، پس از حدود 15 دقیقه سالم به زمین بازگردد. در تمامی این مراحل داده‌های ثبت‌شده توسط حسگرهای علائم حیاتی موجود زنده و پارامترهای محیطی کپسول زیستی در رایانة پرواز ثبت و هم‌زمان به ایستگاه‌های زمینی مخابره شد تا وضعیت عمومی موجود زنده در طول پرتاب پایش شود. در این پرتاب، داده‌برداری صوتی با حسگر و تجهیزات داده‌برداری بسیار دقیق برای نخستین بار صورت پذیرفت. «کاوشگر پژوهش» با برخورداری از محموله‌ای به وزن 320 کیلوگرم، به زیرسامانه‌های مهم و اساسی برای پشتیبانی حیات موجود زنده و تجهیزات حساس برای ارائة خدمات الکترونیکی و مخابراتی مجهز شده بود. در مسیر بازگشت، محمولة علمی ـ پژوهشی کاوشگر که میمون فضانورد ایرانی را در خود جای داده بود، پس از جدایش دماغه و بخشی از سامانة جدایش حامل با وزنی حدود 290 کیلوگرم به همراه تمامی داده‌های به دست آمده از تحقیقات و کاوش‌های فضایی مورد نظر، به کمک سامانة بازیابی بر زمین فرود آمد.

پیشینه و اهداف کاوشگرهای سرنشین‌دار

«کاوشگر پژوهش»، جدیدترین دستاورد از طرح کاوشگرهای فضایی ایران است. پیش از این، پژوهشگران و محققان ایرانی توانسته‌اند در بازة سال‌های 1385 تا 1391، 7 کاوشگر تماماً ایرانی را با موفقیت به فضا پرتاب و آزمایش کنند.
پژوهشکده سامانه‌های فضانوردی با تجربة موفق چند ساله در طراحی، ساخت و پرتاب محموله‌های تحقیقاتی در طرح «کاوشگرهای فضایی»، مصمم است با تدوین و اجرای برنامه‌های منظم و علمی، طراحی و ساخت کاوشگرهای فضایی را به عنوان مرحله‌ای اساسی از تحقق برنامة ارسال انسان به فضا ادامه دهد. این برنامه که با ارسال موجودات کوچک به فضا توسط کاوشگر 3 آغاز شده بود، با طراحی و ساخت کاوشگرهای کلاس C برای حامل‌های سوخت جامد شتاب گرفت. در مجموع، از این کلاس 4 محموله (کاوشگرهای 4، 5، 6 و پیشگام) پرتاب شد و از نتایج آن، بستری مناسب برای کسب تجربه، بهبود قابلیت اطمینان و ارتقای روش‌های آموزش و سازگارسازی موجود زنده با شرایط پرتاب فراهم آمد. همچنین، در حوزه‌های مختلف آزمون‌های متعددی صورت گرفت که ارمغان آن، بلوغ و تجربة مورد نیاز برای توسعة «کاوشگر پژوهش»، مطابق با استانداردهای فضایی است.
در گام بعد، به منظور تطبیق بیشتر شرایط پروازی کاوشگر با یک محمولة سرنشین‌دار و به طور مشخص کاهش شتاب مسیر رفت، اولین کاوشگر کلاس D (کاوشگر پژوهش) برای یکپارچه شدن با حامل سوخت مایع طراحی و ساخته شد. این کاوشگر که تفاوت ساختاری و زیرسیستمی چندانی با کاوشگرهای کلاس C ندارد، می‌تواند مأموریت خود را مشابه کاوشگرهای پیشین ولی با شتاب برخاست کمتری به انجام رساند. به این ترتیب، کیفیت پرواز موجود زنده بهبود یافته و استرس ناشی از شتاب موتور کاهش می‌یابد که برای حفظ سلامت موجود زنده اهمیت ویژه‌ای دارد.
با موفقیت مأموریت دو کاوشگر پیشگام و پژوهش، به عنوان تنها محموله‌های کاملاً بومی که قابلیت ارسال موجود زنده به فضای ماورای جو (ارتفاع بالاتر از 100 کیلومتر) را دارند، گام جدیدی برای آغاز تحقیقات زیست‌فضایی در کشور برداشته شد.
گفتنی است که اگر در این مسیر، مأموریت پرتاب به هر دلیلی صد درصد موفقیت‌آمیز نباشد، پژوهشگران و محققان ایرانی از تجربیات آن خواهند آموخت و به یاری این آموخته‌های جدید، کوششی مضاعف را سرلوحة خود قرار خواهند داد، چراکه در عرصة پژوهش و تولید علم، «هر شکست، روزنه‌ای است به سوی موفقیت».

چالش‌های پیش رو در مأموریت کاوشگر پژوهش

ارسال موجود زنده به فضای زیرمداری با به‌کارگیری کاوشگرها و برآوردن اهداف اصلی در مطالعات زیست‌فضایی، نیازمند توانمندی‌های خاص و فناوری‌های جدیدی است که دستیابی به هریک از آنها با چالش‌های متعددی روبه‌روست. در کنار چالش‌های مهندسی و فنی انتخاب حیوان به عنوان موجود زندة مناسب برای تحقیقات زیست‌فضایی، آماده‌سازی، آموزش، سازگارسازی و حساسیت‌زدایی آن نیز از مراحل مهمی است که باید هم‌زمان با توسعة فناوری کاوشگرها صورت گیرد. همچنین، طراحی و ساخت یک کپسول زیستی که بتواند شرایط ارسال جاندار به فضای زیرمداری را در محیطی امن و سالم فراهم کند و تحقیقات و مطالعات زیستی موجود زنده را در حین پرتاب میسر سازد، از مهم‌ترین نیازمندی‌های چنین پروژه‌هایی است.
پس از آن، کسب فناوری بازیابی محمولة زیستی از ارتفاعات بالا، رهگیری آن و تعیین موقعیت فرود برای یافتن سریع محموله، و همچنین عملیات و خدمات گستردة لجستیک اهمیت فراوانی دارد. علاوه بر این، تمامی اجزای کاوشگر ـ از زیرسامانه‌های خدماتی مانند تجهیزات الکترونیکی و مخابراتی تا سپر حرارتی و سطوح ایرودینامیکی ـ باید در تمام مراحل پروازی عملکردی مطلوب داشته باشند و اجزای سخت‌افزاری، حسگرها، سامانة صدور فرامین، بخش نرم‌افزاری و ارتباطات بین آنها بی‌‌هیچ عیب و نقصی عمل کند. اگر اختلالی در کارایی هریک از این اجزاء روی دهد، ممکن است اهداف این مأموریت به خطر افتد.
تمامی موارد یادشده توانمندی‌هایی است که پژوهشگران و کارشناسان در کاوشگرهای پیشین، گام به گام به آنها دست یافته‌اند و اینک پرتاب موفق «کاوشگر پژوهش»، مهر تأییدی بر این آموخته‌هاست.

آماده‌سازی کاوشگر پژوهش و میمون‌های فضانورد ایرانی «ترنج»، «ترنگ» و «فرگام»

ماه‌ها پیش از پرتاب «کاوشگر پژوهش»، به موازات فرایند طراحی و ساخت کاوشگر و پس از آن، براساس برنامه‌ای دقیق، آزمایش‌های مختلفی انجام ‌شد تا قابلیت اطمینان مورد نظر برای عملکرد مناسب هریک از زیرسامانه‌ها فراهم شود. برای انجام این آزمایش‌ها، از دانش متخصصان ایرانی و مجهزترین تجهیزات آزمایشگاهی موجود در صنایع و دانشگاه‌های کشور استفاده شد. حدود دو هفته پیش از پرتاب، آزمایش‌های یکپارچه‌سازی و سازگاری سامانه‌ها به منظور اطمینان از هماهنگی عملکرد تمامی زیرسامانه‌های محمولة کاوشگر در کنار حامل به انجام رسید.
هم‌زمان با طراحی کاوشگر، فعالیت‌های متعددی نیز برای سازگارسازی موجود زنده با شرایط پروازی انجام پذیرفت که از مهم‌ترین اقدامات این مأموریت بود. تیم فیزیولوژی پژوهشکدة سامانه‌های فضانوردی به موازات تیم فنی، با انتخاب سه میمون از نژاد رزوس با نام‌های «ترنج»، «ترنگ» و «فرگام»، آموزش‌شان را با به‌کارگیری محیط‌های شبیه‌ساز فضایی و با هدف تحمل شرایط پرواز (شامل شتاب، ارتعاش و شوک) و حساسیت‌زدایی نسبت به این شرایط آغاز کردند.

سناریوی پرواز کاوشگر پژوهش

توالی درست وقایع پرتاب برای حامل و محمولة کاوشگر، مستلزم برنامه‌ریزی و زمان‌بندی دقیق زیرسامانة صدور فرامین است. مسیر پرواز «کاوشگر پژوهش» با تفاوت اندکی در زمان وقایع (ناشی از تفاوت در زمان سوزش موتور)، مشابه مسیر کاوشگر پیشگام بود. بعد از شمارش معکوس و جدایش کاوشگر از سکوی پرتاب، زمان صفر زیرسامانة صدور فرامین آغاز شد. با گذشت 22 ثانیه از لحظة پرتاب، کاوشگر در ارتفاع حدود 5 کیلومتری به سرعت مافوق‌صوت رسید و 15 ثانیه بعد، ناحیة بیشینة فشار دینامیکی را در ارتفاع حدود 10 کیلومتری پشت سر گذاشت. اینجا ناحیه‌ای است که تنش‌های مکانیکی به دلیل ترکیب سرعت و مقاومت ناشی از جو زمین، به بیشترین مقدار خود می‌رسد.

پس از آن طبق سناریوی پروازی، سوزش موتور به پایان رسید و کاهش شتاب کاوشگر آغاز شد. در این مرحله است که کاوشگر در ارتفاع حدود 32 کیلومتری از سطح زمین با سرعتی معادل 5/4 برابر سرعت صوت، فضا را می‌پیماید. کاوشگر به صعود خود ادامه داد تا طبق زمان‌بندی تعیین‌شده، در خارج از جو غلیظ و پیش از رسیدن به نقطة اوج، سیستم‌های جدایش عمل کرده و با ارسال فرمان الکتریکی، به ترتیب دماغة کاوشگر و حامل از محموله جدا شدند.
پس از این مراحل، محمولة استوانه‌ای حامل موجود زنده از ارتفاع 100 کیلومتر عبور کرده و پس از گذشت 200 ثانیه تا ارتفاع 120 کیلومتر اوج گرفت. در تمام این مدت و پیش از بازگشت دوباره به جو غلیظ، کاوشگر با شرایط بی‌وزنی مواجه است و باید بتواند سرنشین زندة خود را به سلامت به زمین بازگرداند ـ مهمی که با موفقیت کامل محقق شد. در تمامی این مراحل، داده‌های ثبت‌شده توسط حسگرهای علائم حیاتی موجود زنده و حسگرهای علائم محیطی کپسول زیستی در رایانة پرواز ثبت و هم‌زمان به ایستگاه‌های زمینی ارسال می‌شد.

فرود آرام کاوشگر پژوهش

کاوشگر در مسیر بازگشت و بعد از ورود به جو غلیظ، به کمک سطوح ایرودینامیکی پایدارکنندة خود که روی بدنة آن نصب شده است حول وضعیت قائم پایدار شده و برای بازیابی مهیا می‌شود. با توجه به طراحی ایرودینامیکی و دینامیکی کاوشگر، موجود زنده در مسیر بازگشت به زمین، در وضعیت نخستین خود هنگام پرتاب قرار می‌گیرد. موجود زنده در این وضعیت، توانایی بیشتری برای تحمل شتاب و شوک‌های ناشی از ورود به جو خواهد داشت.

همچنین در حین ورود به جو، گرمایش ایرودینامیکی، گرم شدن بیش از اندازة کاوشگر را به دنبال خواهد داشت؛ از این‌رو، ضروری بود برای ممانعت از انتقال حرارت و آسیب دیدن کاوشگر و سرنشین آن، از عایق‌های حرارتی (سپر حرارتی) مناسب استفاده شود. شایان ذکر است حرارت تولیدشده دمای بدنه را به 800 درجة سانتی‌گراد می‌رساند ولی سپر حرارتی و پوشش‌های به کار گرفته‌شده روی بدنة کاوشگر و بالک‌ها، به‌راحتی این دما را تحمل کرده و از انتقال آن به درون کپسول جلوگیری کرده است.

با کاهش ارتفاع و افزایش نیروهای ایرودینامیکی، از سرعت کاوشگر کاسته شده و در نهایت در ارتفاع 7 کیلومتری زمین، کاوشگر به سرعت مطمئن برای باز شدن چترها (حدود 800 کیلومتر بر ساعت) رسید. در ادامه، نخست چتر ترمزی عمل کرد و سپس چتر اصلی کاوشگر باز ‌شد و کاوشگر به‌آرامی بر خاک کویر فرود آمد. سامانة بازیابی کاوشگر در مجموع از چهار چتر استفاده می‌کند که یک چتر بسیار کوچک به عنوان راهنما، یک چتر کوچک ریبونی به عنوان چتر ترمزی، یک چتر متوسط و یک چتر بزرگ نیز به عنوان کاهنده‌های اصلی سرعت به کار می‌روند. دو مکانیسم شلیک نیز وظیفة پرتاب چترها را به بیرون از محفظه بر عهده دارند.

فرگام، دومین میمون فضانورد ایرانی

با آغاز مرحلة بازیابی، تیم‌های دیده‌بانی، رادار و رهگیری موتور، جمع‌آوری اطلاعات و تحلیل مسیر کپسول زیستی را آغاز کردند. با فرود سالم و موفقیت‌آمیز محموله، آغاز بی‌درنگ عملیات بازیابی و حضور سریع تیم پزشکی در نقطة فرود، اهمیتی دوچندان یافت. تیم عملیات با جمع‌آوری اطلاعات تیم‌های رهگیری و دیده‌بانی، در نهایت براساس اطلاعات زیرسامانة موقعیت‌یاب، محل فرود محموله را تعیین کرده و تیم‌هایی را به همراه بالگرد به نقطة مورد نظر اعزام کرد. با رسیدن اولین تیم به نقطة فرود، دومین میمون فضانورد ایران، کاملاً هوشیار و در سلامت کامل از کپسول خارج شده و برای انجام آزمایش و مراقبت‌های بیشتر، به ایستگاه و از آنجا به محل نگهداری خود منتقل شد.

به این ترتیب با بازگشت سالم میمون و کپسول زیستی، گام بلند دیگری برای دستیابی ایران به فناوری زیست‌فضایی برداشته شد. این دستاورد و افتخار بزرگ که حاصل دسترنج کارشناسان و دانشمندان ایرانی است، هدیه‌ای باشد به رهبر معظم انقلاب و ملت دانش‌پرور و خردورز ایران.

منبع: تارنمای کاوشگرهای فضایی ایران (وابسته به پژوهشگاه سامانه‌های فضانوردی): www.kavoshgar.ari.ac.ir