آزمایشگاه های شناور در فضا
پرتاب موفقیت آمیز کاوشگر «پژوهش» حامل دومین موجود زنده، ایران را یک گام دیگر به اعزام انسان به فضا نزدیک تر کرد. امروزه کاوشگرها بستر توسعه فناوری فضایی شناخته می شوند و کاربردهای وسیعی در عرصه مطالعات فضایی دارند. ساخت کاوشگرها و پرتاب آن ها به فضا به فناوری های پیچیده ای نیازمند است که مستلزم دقت فراوان در عملکرد صحیح اجزای تشکیل دهنده است و محققان کشورمان با تلاش شبانه روزی موفق شده اند فناوری ساخت این تجهیزات مهم فضایی را بومی سازی و حتی با این کاوشگرها با موفقیت موجود زنده به فضا پرتاب و بازیابی کنند و بدین ترتیب نام ایران را به عنوان ششمین کشور توانمند در پرتاب کاوشگر حامل موجود زنده به ثبت برسانند.
کاوشگر فضایی عبارت است از یک محموله علمی ـ پژوهشی که به وسیله یک پرتاب کننده به فضا ارسال می شود و ضمن ارسال و مخابره نتایج، در بازگشت به زمین، بازیابی و نتایج آزمایش های علمی و تحقیقاتی از آن استخراج می شود. امروزه کاوشگرها به عنوان بستر توسعه فناوری فضایی شناخته می شوند و با در نظر گرفتن هزینه کم، کاربرد وسیعی در عرصه مطالعات فضایی دارند. در ابتدا از کاوشگر ها برای بررسی و مطالعه رفتار حیوانات کوچک در فضا، حمل دوربین های عکاسی به ارتفاع بالا، حمل فشارسنج و دماسنج برای اندازه گیری شرایط جوی، کاوش در زمینه های مختلف علمی مانند تابش، بسامد شهاب سنگ های خرد، ساختمان اتمسفر، اطلاعات ورود مجدد موشک و ... استفاده می شد. اکنون استفاده از این نوع کاوشگرها اهمیت خاصی دارد زیرا این سیستم ها محدوده ارتفاعی ۵۰ تا ۲۰۰ کیلومتری سطح زمین را کاوش می کنند که هواپیماها، بالون ها و فضاپیماها نمی توانند برای مدت طولانی به تحقیق و بررسی آن ها بپردازند.
بخش های تشکیل دهنده کاوشگر
کاوشگرها به طور عمده از 2 بخش حامل (پرتاب کننده) یا سیستم پیشرانش و محموله تشکیل می شوند. وظیفه حامل تأمین نیروی رانش کافی برای رسیدن محموله به ارتفاع مورد نظر است. محموله کاوشگر که یک وسیله فضایی زیرمداری محسوب می شود با کمک نیروی موتور در یک مسیر به شکل U وارونه قرار می گیرد. این محموله بعد از خروج از جو غلیظ و جدا شدن از حامل تا ارتفاع اوج بالا می رود و تا پیش از بازگشت به جو شرایط بی وزنی را تجربه می کند. اطلاعات علمی این کاوشگرها به وسیله ارتباطات تله متری جمع آوری و به مراکز زمینی ارسال می شود. در بسیاری از موارد، محموله با چتر نجات به زمین باز می گردد تا بتوان مجدد از آن استفاده کرد.
محموله سهم عمده ای در اجرای مأموریت تحقیقاتی کاوشگر دارد. این بخش شامل وسایل و تجهیزات مربوط به آزمایش، ارسال اطلاعات، کنترل و نظارت بر مراحل مختلف پرواز است. بسته به اهداف مأموریت برای کاوشگر، محموله به ماژول های آزمایشگر مناسب مجهز می شود. محموله ها می توانند کاربردهای گوناگونی داشته باشند. شایان ذکر است که مأموریت کاوشگرها صلح آمیزاست و می توان آن ها را به ۶ گروه عمده به شرح زیر تقسیم کرد:
مطالعات اتمسفر و لایه های بالای جو: مطالعات هواشناسی و داده برداری از لایه های مختلف اتمسفر، بررسی شفق قطبی و ...
اقلیم فضا:برای بررسی پرتوهای کیهانی، پرتو ایکس، ماورای بنفش، مادون قرمز و ...
کیهان شناسی و اخترفیزیک: رصد خورشید، بررسی کسوف و ...
مطالعات زیست فضایی: پرتاب موجودات زنده (گربه، موش صحرایی، میمون و ... )
توسعه زیرساخت های فضایی: فناوری ورود به جو، بازیابی، کنترل و ناوبری و ...
مطالعات جاذبه صفر ...
کاوشگرها از مزایای گوناگونی همچون سادگی، هزینه کم، دسترسی آسان و ماهیت بهره برداری آموزشی و پژوهشی برخوردارند. به دلیل اهمیت کاوشگرها ، مراکز متعددی در جهان برای ساخت و پرتاب کاوشگرها به وجود آمده اند.امروزه کشورهای زیادی از جمله سوئد، فرانسه، ایتالیا، اسپانیا، سوئیس، انگلستان، کانادا، هند، ژاپن، کره جنوبی و آمریکا در زمینه ساخت ، پرتاب و به کارگیری کاوشگرها تلاش می کنند.
سوخت کاوشگرها
دکتر رضا کلانتری نژاد دکترای مکانیک و عضو هیئت علمی پژوهشکده سامانه های فضانوردی ایران درباره سوخت کاوشگرها به خراسان می گوید: خود کاوشگرها اصالتاً فاقد موتور هستند اما روی موتورهایی سوار می شوند که می توانند سوخت مایع یا جامد داشته باشند. به عبارت دیگر، خود کاوشگر محموله است و وسیله ای که محموله را به فضا پرتاب می کند حامل است که ممکن است سوخت مایع یاجامد داشته باشد.هر یک از این سوخت ها، کاربردهای خاصی دارد.آزمایش راکت های سوخت جامد اغلب راحت تر و ارزان تر است اما مشکل راکت های سوخت جامد، کنترل پذیری پایین است یعنی شتاب بیشتری به سیستم اعمال می کنند و مدت سوختن آن ها چندان تحت کنترل نیست، اما ایمنی آن ها هم برای انجام کارهای کوچک بیشتر است.راکت های سوخت مایع، طبیعتاً سیستم های پیچیده تری دارند، گران قیمت اند و برخورداری از پروفایل پروازی مشخص و کنترل شتاب از مزیت های آن هاست. هنگامی که یک موتور سوخت جامد شروع به سوختن می کند دیگر فرآیند سوختن قابل کنترل نیست و تا انتها می سوزد ولی در سوخت مایع قابلیت کنترل مقدار سوزش سوخت وجود دارد.
ایران درجمع 6 کشور صاحب فناوری پرتاب موجود زنده
تعداد کشورهایی که در دنیا توانایی پرتاب کاوشگر به فضا را دارند محدود و کمتر از ۱۰کشور است. در حال حاضر، ایران نیز به جمع این ۱۰ کشور پیوسته است. در حوزه پرتاب موجود زنده به فضا نیز می توان گفت کشور ما در جمع 6کشور برتردنیا قرار گرفته است.
جنس کاوشگرها
براساس نوع ماموریت کاوشگر، جنس آن نیز متفاوت خواهد بود اما اغلب سازه کاوشگرها ازآلیاژهای آلومینیم، کامپوزیت ها و در مواردی که به استحکام بالا نیاز است، از قطعات فولادی ساخته می شود. اما چون تجهیزات فضایی نیازمند کاهش وزن و افزایش راندمان و پاسخ دهی سازه است، رویکرد کلی اغلب در راستای استفاده از سازه هایی است که جنس ووزن کمتر و قابلیت حمل بار بیشتری داشته باشند.
یک دهه سابقه پرتاب محموله های فضایی
سابقه پرتاب کاوشگرهای فضایی در کشور محدود به 10سال اخیر است. نخستین کاوشگر در قالب طرح «آزمایشگاه فضایی» در پژوهشکده سامانه های فضانوردی (پژوهشگاه هوافضای سابق) طراحی ، ساخته و آزمایش شد. به گزارش سایت پژوهشکده سامانه های فضانوردی ایران،پژوهشگران و کارشناسان این مرکز از سال ۱۳۸۱، فعالیت های مطالعاتی و آزمایشی خود را با هدف دستیابی به فناوری ساخت و توسعه کاوشگرهای فضایی آغاز كردند و توانستند موفقیت های بی نظیری را برای جامعۀ علمی كشور به ارمغان آورند. از مهم ترینِ این فعالیت ها، انجام مطالعات زیست فضایی در راستای ارسال حیات به فضاست.در فاصله سال های ۱۳۸۱تا ۱۳۸۹نیز طرح آزمایشگاه فضایی در قالب توافق نامه ای حمایت شد. از سال ۱۳۸۹به بعد نیز به دلیل اهمیت و جایگاه این طرح در میان پروژه های ملی، این برنامه تحت عنوان «طراحی، ساخت و پرتاب كاوشگرهای فضایی همراه با محفظه زیستی حامل موجود زنده» با نظارت و سرپرستی سازمان فضایی ایران ادامه یافته است.در حال حاضر، عمده ترین تلاش های این گروه روی توسعه زیرساخت های علمی و فناورانه لازم برای حضور فعال فضانوردان ایرانی در فضا تمرکز یافته است. دستاورد این فعالیت ها تاکنون، آزمایش 8 کاوشگر فضایی است كه در فاصله سال های ۱۳۸۵ تا ۱۳۹2، به فضا پرتاب شده اند. این کاوشگرها با توجه به ویژگی های گوناگونی که از نظر هندسه، ارتفاع، مأموریت و نوع حامل دارند در قالب چندین کلاس A (کاوشگر ۱)، B (کاوشگرهای ۲ و ۳)، C (کاوشگرهای ۴، ۵، ۶ و پیشگام) و کلاس D (کاوشگر پژوهش)تولید و آزمایش شدند.
کاوشگر پژوهش در یک نگاه
به دنبال موفقیت کاوشگر پیشگام در ارسال اولین میمون فضایی ایران به فضا در بهمن ماه ۱۳۹۱ و در راستای تحققِ بخشی از برنامه اعزام انسان به فضا، کارشناسان و پژوهشگران «پژوهشکده سامانه های فضانوردی» با امید و انگیزه دوچندان، آماده سازی کپسول فضایی دیگری را برای ارسال دومین میمون به فضا، در دستور کار قرار دادند.مطابق برنامه ریزی،این کاوشگر با نام «کاوشگر پژوهش» در آذر 92 دومین میمون فضایی ایران را به فضای زیرمداری ارسال کرد و پس از مدت زمان حدود ۱۵ دقیقه سالم به زمین بازگرداند. برنامه ریزی «کاوشگر پژوهش» به نحوی بود که بعد از جدا شدن از پرتابگر و اوج گیری تا ارتفاع ۱۲۰ کیلومتری از سطح زمین و مواجهه با شرایط بی وزنی، پس از حدود ۱۵ دقیقه سالم به زمین بازگردد.در تمامی این مراحل داده های ثبت شده توسط حسگرهای علایم حیاتی موجود زنده و پارامترهای محیطی کپسول زیستی در رایانه پرواز ثبت و هم زمان به ایستگاه های زمینی مخابره شد تا وضعیت عمومی موجود زنده در طول پرتاب پایش شود. کاوشگر پژوهش با برخورداری از محموله ای به وزن ۳۲۰ کیلوگرم، به زیرسامانه های مهم و اساسی برای پشتیبانی حیات موجود زنده و تجهیزات حساس برای ارائه خدمات الکترونیکی و مخابراتی مجهز شده بود. در مسیر بازگشت، محموله علمی ـ پژوهشی کاوشگر که میمون فضانورد ایرانی را در خود جای داده بود، پس از جدا شدن دماغه و بخشی از سامانه جداکننده حامل با وزنی حدود ۲۹۰ کیلوگرم به همراه تمام داده های به دست آمده از تحقیقات و کاوش های فضایی مورد نظر، به کمک سامانه بازیابی بر زمین فرود آمد.
آماده سازی کاوشگر پژوهش
ماه ها پیش از پرتاب «کاوشگر پژوهش»، به موازات فرآیند طراحی و ساخت کاوشگر و پس از آن، براساس برنامه ای دقیق، آزمایش های مختلفی انجام شد تا اطمینان کافی درباره عملکرد مناسب هریک از زیرسامانه ها ایجاد شود. برای انجام این آزمایش ها، از دانش متخصصان ایرانی و مجهزترین تجهیزات آزمایشگاهی موجود در صنایع و دانشگاه های کشور استفاده شد. حدود 2 هفته پیش از پرتاب، آزمایش های یکپارچه سازی و سازگاری سامانه ها به منظور اطمینان از هماهنگی عملکرد تمامی زیرسامانه های محموله کاوشگر در کنار حامل به انجام رسید.هم زمان با طراحی کاوشگر، فعالیت های متعددی نیز برای سازگارسازی موجود زنده با شرایط پروازی انجام شد که از مهم ترین اقدامات این مأموریت بود. گروه فیزیولوژی پژوهشکده سامانه های فضانوردی به موازات گروه فنی، با انتخاب 3 میمون از نژاد رزوس با نام های «ترنج»، «ترنگ» و «فرگام»، آموزش آن ها را با به کارگیری محیط های شبیه ساز فضایی و با هدف تحمل شرایط پرواز (شامل شتاب، ارتعاش و شوک) و حساسیت زدایی نسبت به این شرایط آغاز کرد.
سناریوی پروازی کاوشگر پژوهش
توالی درست وقایع پرتاب برای حامل و محموله کاوشگر، مستلزم برنامه ریزی و زمان بندی دقیق زیرسامانه صدور فرامین است. مسیر پرواز کاوشگر پژوهش با تفاوت اندکی در زمان وقایع (ناشی از تفاوت در زمان سوختن سوخت)، مشابه مسیر کاوشگر پیشگام بود. بعد از شمارش معکوس و جدا شدن کاوشگر از سکوی پرتاب، زمان صفر زیرسامانه صدور فرامین آغاز شد. با گذشت ۲۲ ثانیه از لحظه پرتاب، کاوشگر در ارتفاع حدود ۵ کیلومتری به سرعت مافوق صوت رسید و ۱۵ ثانیه بعد، ناحیه بیشینه فشار دینامیکی را در ارتفاع حدود ۱۰ کیلومتری پشت سر گذاشت. اینجا ناحیه ای است که تنش های مکانیکی به دلیل ترکیب سرعت و مقاومت ناشی از جو زمین، به بیشترین مقدار خود می رسد.پس از آن طبق سناریوی پروازی، فرآیند سوختن در موتور به پایان رسید و کاهش شتاب کاوشگر آغاز شد. در این مرحله است که کاوشگر در ارتفاع حدود ۳۲ کیلومتری از سطح زمین با سرعتی معادل ۵/۴ برابر سرعت صوت، فضا را می پیماید. کاوشگر به صعود خود ادامه داد تا طبق زمان بندی انجام شده، در خارج از جو غلیظ و پیش از رسیدن به نقطه اوج، سیستم های جداکننده عمل کرد و با ارسال فرمان الکتریکی، به ترتیب دماغه کاوشگر و حامل از محموله جدا شد.پس از این مراحل، محموله استوانه ای حامل موجود زنده از ارتفاع ۱۰۰ کیلومتر عبور کرد و پس از گذشت ۱۰۰ ثانیه تا ارتفاع ۱۲۰ کیلومتر اوج گرفت. در تمام این مدت و پیش از بازگشت دوباره به جو غلیظ، کاوشگر با شرایط بی وزنی مواجه است و باید بتواند سرنشین زنده خود را به سلامت به زمین بازگرداند که این امر با موفقیت کامل محقق شد. در تمامی این مراحل، داده های ثبت شده توسط حسگرهای علایم حیاتی موجود زنده و حسگرهای علایم محیطی کپسول زیستی در رایانه پرواز ثبت و هم زمان به ایستگاه های زمینی ارسال می شد.
فرود آرام کاوشگر پژوهش
کاوشگر در مسیر بازگشت و بعد از ورود به جو غلیظ، به کمک سطوح ایرودینامیکی پایدارکننده خود که روی بدنه آن نصب شده است حول وضعیت قائم، پایدار و برای بازیابی مهیا می شود. با توجه به طراحی ایرودینامیکی و دینامیکی کاوشگر، موجود زنده در مسیر بازگشت به زمین، در وضعیت نخستین خود هنگام پرتاب قرار می گیرد و در این وضعیت، توانایی بیشتری برای تحمل شتاب و شوک های ناشی از ورود به جو خواهد داشت.همچنین حین ورود به جو، گرمایش ایرودینامیکی، گرم شدن بیش از اندازه کاوشگر را به دنبال خواهد داشت؛ از این رو، ضروری بود برای ممانعت از انتقال حرارت و آسیب دیدن کاوشگر و سرنشین آن، از عایق های حرارتی (سپر حرارتی) مناسب استفاده شود.حرارت تولیدشده دمای بدنه را به ۸۰۰ درجه سانتی گراد می رساند ولی سپر حرارتی و پوشش های به کار گرفته شده روی بدنه کاوشگر و باله ها، به راحتی این دما را تحمل و از انتقال آن به درون کپسول جلوگیری کرد.
با کاهش ارتفاع و افزایش نیروهای ایرودینامیکی، از سرعت کاوشگر کاسته شد و در نهایت در ارتفاع ۷ کیلومتری زمین، کاوشگر به سرعت مطمئن برای باز شدن چترها (حدود ۸۰۰ کیلومتر بر ساعت) رسید.در ادامه، نخست چتر ترمزی عمل کرد و سپس چتر اصلی کاوشگر باز شد و کاوشگر به آرامی بر خاک کویر فرود آمد. سامانه بازیابی کاوشگر در مجموع از 4 چتر استفاده می کند که یک چتر بسیار کوچک به عنوان راهنما، یک چتر کوچک ریبونی به عنوان چتر ترمزی، یک چتر متوسط و یک چتر بزرگ هم به عنوان کاهنده های اصلی سرعت به کار می رود. 2 مکانیسم شلیک هم وظیفه پرتاب چترها به بیرون از محفظه را به عهده دارد.با آغاز مرحله بازیابی، گروه های دیده بانی و رهگیری حامل، جمع آوری اطلاعات و تحلیل مسیر کپسول زیستی را آغاز کردند.به گزارش سایت پژوهشکده سامانه های فضانوردی ایران، با رسیدن اولین گروه به نقطه فرود، دومین میمون فضانورد ایران، کاملاً هوشیار و در سلامت کامل از کپسول خارج و برای انجام آزمایش و مراقبت های 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 زیست فضایی برداشته شد.
انتخاب نوع حیوان
متخصصان کشور با بررسی منابع علمی و مرور تجربیات دیگر کشورهای صاحب فناوری، میمون های ماکاک از نژاد رزوس را برای انجام مطالعات زیستی و عملکرد سیستم های فیزیولوژیک در فضا انتخاب کرده اند. انتخاب حیوان مناسب در این مطالعات پیچیده از اهمیت بالایی برخوردار است. موجودی که برای اعزام به فضا انتخاب می شود باید قابلیت تعلیم پذیری و شباهت بالایی به انسان داشته باشد تا بتوان دانش کسب شده را به انسان تعمیم داد.میمون ها از لحاظ فیزیولوژی بسیار به انسان ها نزدیک هستند ، اتصال حسگرهای مختلف روی بدن آن ها برای ثبت و پایش علایم حیاتی و شاخص های فیزیولوژیک در طول ماموریت فضایی راحت تر انجام می شود. همچنین با توجه به شباهت های رفتاری، آناتومی بدن، به ویژه مغز و شباهت های ژنتیکی بالا و همچنین تحمل شرایط آب و هوایی گرم، برای این مطالعه میمون رزوس انتخاب شد. رعایت مسائل اخلاقی و حقوق حیوانات موضوع بسیار مهمی است که در این پروژه و طی مراحل آزمایشگاهی، طبق استانداردهای اخلاقی بین المللی کار با حیوانات آزمایشگاهی، مورد توجه پژوهشگران کشور قرار دارد.
مراحل آماده سازی میمون های فضانورد
قرنطینه سازی
از آن جا که بعضی از بیماری ها بین انسان و میمون مشترک است و میمون انتخاب شده ممکن است دارای بیماری های انگلی و ویروسی مختلفی باشد، برای حفظ ایمنی، میمون ها در مرحله اول قرنطینه و آزمایش های مختلف برای بررسی وجود بیماری های مختلف روی آن ها انجام شد. پس از پایان زمان قرنطینه سازی و اطمینان از سالم بودن، آزمایش های حساسیت زدایی و آماده سازی آن ها برای برنامه فضایی شروع شد.
آزمایش های پزشکی دوره ای
آزمایش های پزشکی مانند آنالیز خونی، اکوکاردیوگرافی و سونوگرافی قلب، ریه و احشای شکمی نیزروی میمون های کاندید اعزام به فضا، به صورت دوره ای (قبل، حین و بعد از آزمایش های سازگاری) انجام می شود.
آزمایش های سازگاری و آماده سازی
اساسی ترین مسئله در مرحله آماده سازی میمون ها، مواجه ساختن جاندار با شرایط شبیه سازی شده پرتاب به منظور انتخاب سازگارترین جاندار است. معیار سازگاری حیوانات، تطابق سریع آن ها با شرایط مکانی جدید است.از جمله این شرایط می توان به عوامل استرس زای ناشی از پرتاب، تغییرات فیزیولوژیکی که باید برای قرار گرفتن در شرایط پرتاب در آن ها ایجاد شود و قدرت و تحمل آن ها اشاره کرد.علایم حیاتی حیوانات مورد مطالعه مانند ضربان قلب، نوار قلب و نرخ تنفس در مراحل مختلف آزمایش های سازگاری اندازه گیری و ثبت می شود. مطالعه فیزیولوژی سیستم قلبی ، عروقی و تنفسی در شرایط استرس های محیطی ناشی از پرتاب بسیار حائز اهمیت است، بنابراین تغییرات هر یک از این شاخص ها، قبل و بعد از سازگاری مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار می گیرد.