رمزگشایی از مهمترین پروژه فضایی شهید طهرانی مقدم

به گزارش حلقه وصل، چند روز قبل، همزمان با هفتمین سالگرد شهادت سردار حسن طهرانی مقدم که طلایه‌دار مجاهدت‌های خستگی ناپذیر در عرصه قدرت موشکی کشور بود دستخطی (بدون ذکر تاریخ) از وی خطاب به رهبر انقلاب و فرماندهی معظم کل قوا در رسانه ها منتشر شد که در انتهای آن، خبر از دستیابی به موشکی فوق سریع و موشک ماهواره‌بر داده شده بود.

هر چند یک عمر زندگی در گمنامی، با شهادتی که صدای آن را صدها هزار نفر شنیدند، در ظاهر به پایان رسید اما همرزمان سردار طهرانی مقدم بعدها اعلام کردند که آخرین پروژه‌ای که مرد شماره یک موشکی ایران در آن به شهادت رسید، مربوط به یک موشک ماهواره‌بر سوخت جامد بود.

اندکی بعد، در برنامه تلویزیونی ثریا نیز اعلام شد که موشک مذکور با نام «قائم»، موشکی چهار مرحله سوخت جامد است که مرحله اول آن دارای ارتفاع 20 و قطر 3.5 متر بوده است. همچنین اعلام شد که آزمایش های عملکرد مراحل موشک فوق به طور جداگانه در زمان حیات شهید طهرانی مقدم یعنی تا پیش از 20 آبان 1390 به انجام رسیده است.

در روزهای اخیر، در جریان پخش یک مستند تلویزیونی مربوط به فعالیت های شهید طهرانی مقدم نیز تصویری از یک موتور سوخت جامد با قطر بزرگ به نمایش در آمد که به نظر می رسد که این موتور مربوط به یکی از مراحل موشک قائم باشد.

این تصویر -که شهید طهرانی مقدم را در حال صحبت با نیروهای درگیر پروژه نشان می‌دهد- اثبات کننده وضعیت پیشرفت بالای پروژه موشک مذکور تا پیش از شهادت وی است. به این بهانه پس از مروری بر ویژگی های سوخت‌های جامد موشکی و تاریخچه راکت‌ها و موشک‌های سوخت جامد در ایران، به بررسی مختصات قابل برداشت از موتور سوخت جامد تصویر مذکور خواهیم پرداخت.

تصویر منتشر شده از یک موتور سوخت جامد تحت مدیریت شهید طهرانی مقدم

* ویژگی‌های موشک سوخت جامد

موتورهای راکتی دسته مهمی از پیشرانه‌های هوافضایی هستند که «سوخت» و «اکسید کننده» را در داخل بدنه موشک حمل می‌کنند. در مقابل، موتورهایی مانند جت، اکسید کننده را از هوای داخل جو زمین تأمین می‌کنند. از این رو کارایی آنها محدود به فضای داخل جو با غلظت کافی است. اما موشک ها می‌توانند در جو رقیق و حتی خارج از جو نیز به کار خود ادامه دهند. در موتورهای راکتی، سوخت مایع و سوخت جامد دو دسته اصلی و اختصاص دهنده تقریباً نزدیک به 100 درصد کاربردهای عملیاتی به خود هستند.

پیشران های سوخت مایع دارای اجزاء متعددی شامل مخزن سوخت، مخزن حاوی اکسید کننده (به جای اکسیژنی که باید از هوا برای اشتعال تأمین می شد)، پمپ ها، لوله ها و شیرهایی برای انتقال این مواد به محفظه احتراق و یک نازل که با شکل خاص خود باعث بیشتر شدن نیروی رانش تولیدی می شود تشکیل شده اند.

این اجزاء متعدد علاوه صرف هزینه و زمان بیشتر در زمان طراحی و توسعه، وزن بالاتری هم به موشک تحمیل کرده و برای رسیدن به قابلیت اطمینان مورد نیاز در زمان عملیات هم نیازمند صرف هزینه و زمان کافی در مراحل طراحی تا تولید هستند.

شکل گرافیکی از اجزاء داخل یک پیشران راکتی سوخت مایع

پیشران های سوخت جامد بسیار ساده تر بوده و سوخت و اکسیده کننده به صورت یک ماده خمیری در زمان تولید با هم مخلوط شده و پس از گرمادهی در زمان کافی که به آن «فرایند پخت» نیز گفته می شود، آماده عملیات تا مدت زمان طولانی هستند.

اگر این فرایند به درستی انجام نشود، سوخت جامد که به آن «گرین» نیز گفته می شود، در برابر ضربه، مقاومت کافی نداشته و در اثر نقل و انتقال یا گذر زمان طولانی انبارداری دچار ترک شده یا حتی تکه تکه می شود.

در این موشک ها، فرایند احتراق در فضای خالی در همان محفظه ای که سوخت قرار دارد به انجام رسیده و گازهای حاصله با عبور از نازل باعث حرکت موشک می شوند. بنابراین در اینجا از اجزا و قطعات مختلف موجود در پیشران های سوخت مایع خبری نخواهد بود.

شکل گرافیکی از اجزاء داخل یک پیشران راکتی سوخت جامد

اما یک پیچیدگی فناورانه دیگر در موشک های سوخت جامد، عایق حرارتی بخش خروجی (Nozzle) پیشران است که باید در طول مدت سوختن سوخت توانایی مقاومت در برابر بارهای حرارتی بسیار بالای به وجود آمده ناشی از عبور جریان گاز بسیار داغ حاصل از احتراق با سرعت بالا را داشته باشد که ذرات فلزی کوچک موجود در سوخت جامد نظیر پودر آلومینیوم نیز درون آن وجود دارد.

در نهایت بخش خروجی این موشک ها با استفاده از پوشش های چند لایه پیچیده ای متشکل از فلز، کامپوزیت و سرامیک های عایق حرارتی تولید شدند.

در تصویر زیر، بخش های مختلف سازنده خروجی یک پیشران سوخت جامد نمایش داده شده که بخش 1 پوسته چهارخانه درونی، 2 پوشش محافظ از ترموپلاستیک، 3 ورقه گرافیتی، 4 عایق سرامیکی، 5 عایق پلاسمایی، 6 المان های مقاومتی و 7 پوشش بیرونی بخش خروجی موتور است.

سرعت سوزش سوخت های جامد با توجه به شکل ریخته‌گری سوخت، متفاوت اما برای هر نوعی ثابت است و از این رو به طور کلی یک پیشران سوخت جامد سریعتر از سوخت مایع به پایان می رسد.

همچنین فرایند سوزش سوخت جامد تقریباً در همه نمونه‌های ساخته شده در دنیا قابل کنترل یا متوقف کردن نیست، درحالیکه در پیشران سوخت مایع از طریق شیرها روی جریان سوخت و اکسید کننده، کنترل وجود دارد و حتی از لحاظ نظری، به راحتی امکان خاموش کردن پیشران هم وجود دارد.

یکی از دشواری های طراحی موشک سوخت جامد، رسیدن به شیوه مطلوب تولید نیروی پیشران در طی زمان است. این امر با طراحی شکل فضای خالی سوخت ممکن می شود.

چند نمونه از شکل های فضای خالی سوخت جامد و نمودار رانش تولیدی بر حسب زمان

مسأله عایق حرارتی بدنه محفظه احتراق نیز با استفاده از خود گرین های جدید به عنوان عایق حرارتی حل شد. برای این منظور لایه سوخت قرار گرفته بر روی دیواره‌های محفظه احتراق وظیفه دفاع از دیواره در برابر حرارت بسیار بالای به وجود آمده در حین سوزش سوخت را بر عهده گرفته و دیواره تنها در لحظات نهایی سوزش سوخت تحت تأثیر این حرارت بالا قرار می‌گیرد. در نهایت شکل پیشران سوخت جامد به نمونه های نظیر تصویر زیر تبدیل شد.

یکی از مهمترین تفاوت‌های موشک‌های سوخت مایع و جامد مدت زمان آماده شدن موشک برای پرتاب است. پیشران سوخت جامد معمولاً در مرحله ساخت در کارخانه در داخل بدنه موشک جاگذاری می شود و پس از آن تا سالها آماده استفاده است. در نتیجه مدت زمان لازم برای فعالیت های پیش از شلیک یک موشک سوخت جامد معمولاً در حد کمتر از 15 دقیقه است.

یک نمونه سوخت جامد در حال ریخته‌گری و پس از قالب گیری

اما در موشک سوخت مایع، سوخت و اکسید کننده پیش از پرتاب باید به داخل مخازن تزریق شوند که فرایندی بسیار زمان بر است. نکته مهم اینجاست که به دلیل خورندگی بالای این سوخت‌ها، مدت زمان باقی ماندن سوخت در مخازن نهایتاً تا چند ماه خواهد بود بنابراین نمی‌توان یک موشک سوخت مایع را سالها آماده شلیک نگه‌داشت. پس از آن باید سوخت و اکسید کننده تخلیه شده و در صورت لزوم مخازن شسته شوند و وجود اجزای مکانیکی هم نیاز به برخی بازدیدهای دوره ای را وجود می آورد. همچنین موشک سوخت مایعی که سوخت داخل آن تزریق شده، امکان حمل و نقل و جابجایی دشواری نیز دارد.

موتورهای راکتی سوخت جامد معمولاً شتاب بسیار بالاتری را در زمان کوتاه تر در دسترس قرار می‌دهند اما توان تولیدی پیشران سوخت مایع بیشتر است، از این رو در موشک‌های بزرگ و سنگین عموماً یا فقط از این نوع استفاده می شود یا در صورت چند مرحله ای بودن موشک، در مرحله اول و یا به عنوان شتاب دهنده کمکی (بوستر) از پیشران سوخت جامد استفاده می شود.

از جهت سهولت نگهداری هم موتور راکتی سوخت جامد طول مدت انبارداری بسیار بیشتری داشته، حمل و نقل آن ساده تر از موتورهای سوخت مایع بوده و اطمینان پذیری بیشتری را به وجود می آورند. این موشک ها بدون نیاز به بازبینی های مفصل از بابت پیشران می توانند تا سال ها در انبار یا سکوی پرتاب مستقر بوده و آماده به کار باشند.

لازم به ذکر است صرف نظر از سوخت مایع یا جامد بودن، نیازهای یک مأموریت فضایی که رساندن محموله به سرعت بسیار بالایی برای قرارگیری در مدار زمین است یا نیاز یک موشک دوربرد در رده قاره پیما این است که تا حد امکان از حمل اجزائی که دیگر کارایی ندارند پرهیز کند.

با توجه به حجم و وزن بالای مخازن و بدنه موشک‌ها و خالی شدن آنها در طی پرواز، با ساخت موشک‌ها به صورت چند مرحله ای می توان از حمل مخازن و بخشی از بدنه که سوختی داخل آن وجود ندارد پرهیز کرد تا بقیه مراحل موشک به سرعت بالاتری دست یابند.

* سوخت جامدها در ایران

در سال 1363 تولید راکت‌های  کالیبر 122 میلیمتری سوخت جامد ساخت شوروی (معروف به کاتیوشا و گراد) توسط صنعت «حدید» وزارت سپاه و به صورت بومی شروع شده بود. راکت های کوچکتر 107 میلیمتری سوخت جامد نیز در همین دوران به تولید رسید.

اما اولین تلاش‌های کشور در زمینه طراحی راکت های جدید و دوربردتر سوخت جامد در سال‌های آخر جنگ تحمیلی به نتیجه رسید که به توسعه راکت های سوخت جامد ایران-130 (که بعدها به خانواده راکت های نازعات منجر شد)، عقاب و شاهین-1 و 2 باز می‌گردد.

یک گونه راکت سوخت جامد با برد 170 کیلومتر نیز در اوائل سال 1367 و پیش از پایان جنگ آزمایش شد که مشخص نشده گونه بهبود یافته ایران-130 بوده یا اولین نمونه های زلزال.

در سال‌های پس از جنگ، علاوه بر پیگیری توسعه راکت‌های نازعات، راکت‌های زلزال نیز با برد بیش از 100 تا چند صد کیلومتر توسعه یافتند. این راکت‌ها بعدها بستر توسعه بیش از 6 نمونه از راکت‌های کاوشگر فضایی ایران نیز شدند. البته یکی از پایه‌های موشک فاتح-110، نسل‌های آخر راکت زلزال بوده است. همچنین به مرور، در انواع تولیدات ایرانی به جای سوخت جامد مرکب با پایه PPG از سوخت جامد مرکب پیشرفته HTPB در تمامی تولیدات استفاده شد.

در سال 1384 اخبار دیگری در زمینه آزمایش کاملاً موفق پیشران سوخت جامد برای موشک های بالستیک دوربرد ایرانی اعلام شد. اما با خبر آزمایش موفق موشک بالستیک سجیل-1 در 22 آبان سال 1387، جلوه‌های جدیدی از پیشرفت صنعت موشکی کشورمان در زمینه موشک‌های سوخت جامد بر همگان اثبات شد.

موشک سجیل دارای 2 مرحله بوده که هر دوی آنها از سوخت جامد پیشرفته مرکب بهره می برند و موشک را به برد 2000 کیلومتر می رسانند.

آزمایش موشک دو مرحله ای سوخت جامد سجیل

این موشک نیز با تلاش‌ها و پیگیری های مجدانه سردار حسن طهرانی مقدم به عنوان فرمانده موشکی سپاه -که بعدها مسئولیت جهاد خودکفایی کل سپاه نیز بر عهده ایشان قرار داده شد- و نیز مسئولان و متخصصان وزارت دفاع و پشتیبانی نیروهای مسلح به ثمر نشست.

در 30 اردیبهشت ماه 1388 خبر آزمایش کاملاً موفق موشک سجیل-2 توسط رئیس جمهور وقت اعلام شد که بازتاب‌های بسیار گسترده ای در رسانه های جهانی داشت. این آزمایش پس از رزمایشی موشکی به نام «بیت المقدس» انجام شده و پس از آن وزیر دفاع وقت خبر از شروع تولید این موشک داد.

به گفته وی، سجیل-2 در مقایسه با نمونه قبلی، از سامانه ناوبری جدید و حسگرهای پیچیده و دقیق تری برخوردار بوده که سبب افزایش قابل توجه دقت عملکرد آن نسبت به سجیل-1 گردیده است.

سجیل-2 همانند نمونه قبلی از 2 مرحله پیشران سوخت جامد مرکب برخوردار بوده اما با بهبود سکوی پرتاب و سامانه نشانه روی، سرعت عمل این موشک در مراحل پیش از پرتاب نیز افزایش یافته است.

کارشناسان فنی خارجی در آن زمان سجیل را موشکی معرفی کردند که کار ردیابی آن برای ماهواره‌ها و رادارهای آمریکایی و اسرائیلی دشوار خواهد بود.

به گفته امیر دریابان شمخانی دبیر شورای عالی امنیت ملی و وزیر اسبق دفاع، برنامه تولید موشک سجیل در دهه 1370 و تحت عنوان «پروژه عاشورا» شروع آغاز شده بود. سرعت موشک سجیل توسط مسئولان دفاعی کشور حدود 12 ماخ و میزان ارتفاع اوج آن حدود 800 کیلومتر در بیشترین برد اعلام شده است.

همچنین وزیر دفاع سابق کشورمان صحبت از موشک ضدکشتی دوربرد بالستیک که سرجنگی آن به سرعت 14 تا 15 ماخ می رسد کرد که این موشک نیز ممکن است نمونه ای از سجیل یا گونه ای مشتق شده از آن باشد.

* ویژگی‌های موتور سوخت جامد محرمانه سپاه

موتور سوخت جامدی که تصویر آن در روزهای اخیر منتشر شده به دلایلی تا به امروز محرمانه مانده است. در تابستان سال 1398 نیز برخی کارشناسان و دنبال‌کنندگان فعالیت‌های موشکی ایران در فضای مجازی، سر و صدای زیادی در مورد رصد تحرکات آزمایش پیشران سوخت جامد در مرکز توسعه موشکی سپاه در شاهرود به راه انداختند.

این مرکز از سال‌های پیش مورد توجه کارشناسان خارجی بوده و آن را محل آزمایش موشک‌های سوخت جامد رده بزرگ سپاه می‌دانستند. طبق‌ آنچه که در برخی صفحات در فضای مجازی منتشر شده، آثار دستکم 4 آزمایش در تابستان در این مرکز قابل رویت است. نتیجه گیری این افراد این بود که سپاه برنامه موشکی سوخت جامد خود را وارد مرحله جدیدی کرده است.

تصاویر ماهواره ای منتشر شده توسط یک منبع اسرائیلی از محل آزمایش های سوخت جامد سپاه در شاهرود در تابستان 1398

تصویر ماهواره ای از 5 سکوی افقی آزمایش موتورهای سوخت جامد در مرکز فضایی سپاه؛ اثر آزمایش موتور سوخت جامد در یکی از سکوها در این تصویر مشاهده می شود

تصویر منتشر شده از موتور سوخت جامد مربوط به موشک قائم

نکته مهم اینجاست که این اولین تصویر منتشر شده به صورت عمومی از موتوری با سوخت جامد و با قطری بسیار بیشتر از موشک‌های قبلی است. راکت‌های نازعات با قطر 356 و 450 میلیمتر، راکت‌های زلزال و موشک‌های خانواده فاتح با قطر حدود 660 میلیمتر، در رده بعد موشک‌های ذوالفقار و دزفول و سپس موشک سجیل با قطر 1250 میلیمتر بزرگترین راکت‌ها و موشک‌های سوخت جامد ایرانی بودند. اما موتور سوخت جامد تصویر فوق که به نظر قطری در حدود 2500 میلیمتر دارد بسیار بزرگتر از نمونه‌های قبلی است.

موشک سوخت جامد دو مرحله‌ای سجیل با قطر 1.25 متر

مقایسه ابعاد موشک‌های بالستیک و فضایی عمودپرتاب ایرانی (تمام اعداد بر حسب متر هستند)

به علاوه با توجه به طول موتور فوق، این موتور قطعاً مربوط به «مرحله اول موشک قائم» (به دلیل اعلام قبلی ابعاد این مرحله) یا سایر موشک‌های بالستیک شلیک شونده از پرتابگرهای مستقر در خشکی که می‌توانند از آن بهره ببرند نیست زیرا در مرحله اول که موشک در ارتفاع و سرعت صفر قرار دارد و باید از جو غلیظ عبور کند، نیاز به پیشران با قدرت کافی است که معمولاً دارای طول‌ بالای 10 متر هستند. در نتیجه موتور سوخت جامد مشاهده شده در روزهای اخیر مربوط به مراحل بالاتر و احتمالاً مرحله سوم یا چهارم موشک قائم چهار مرحله‌ای است.

نکته دیگر اینجاست که قطر اعلام شده برای مرحله اول موشک چهار مرحله‌ای قائم -یعنی 3.5 متر- با قطر قابل تشخیص موتور فوق اختلاف قابل توجهی دارد. این نشان می‌دهد که موشک جدید دارای تغییر قطر در مراحل خود است.

در نتیجه، ابعاد بزرگ موشک قائم برای حمل و نقل و پرتاب موشک نیز نیاز به خودرو و سکوی پرتاب جدید با مشخصات منحصر به  فرد و متناسب با آن وجود دارد که با توجه به تجربیات کشورمان در توسعه تجهیزات زمینی متناسب با رشد ابعاد موشک ها این موارد نیز قطعاً به صورت بومی قابل تحقق است. تاکنون برای انواع موشک‌های بالستیک و ماهواره‌برها، پرتابگرهای بومی توسعه یافته در معرض دید قرار داده شده‌اند.

از طرف دیگر، موشک قائم به سکوی پرتاب بزرگ و ویژه ای هم نیاز دارد. برخی رسانه‌های خارجی تصاویر ماهواره ای از منطقه ای اطراف شاهرود منتشر کرده‌اند که در آن، پایگاه توسعه موشک‌های فضایی سپاه مشاهده می‌شود. در این پایگاه سکوی پرتاب بزرگی مشابه انواع مورد استفاده برای موشک‌های ماهواره‌بر بزرگ خارجی با یک کانال بتنی بزرگ و طولانی جهت هدایت گازهای حاصل از شلیک موشک دیده می‌شود.

سکوی پرتاب در سمت راست و گوشه پائین تصویر فوق مشاهده می شود

تصویر سکوی پرتاب در پایگاه فضایی فوق

باید در نظر داشت تمام مطالب گفته شده در مورد طراحی و ساخت موتور سوخت جامد به علاوه مواردی همچون طراحی نحوه اتصال مراحل، پیچیدگی های فرایند جدایش و مکانیزم های آن، موتورهای ترمزی سوخت جامد در هر مرحله، استارت ایمن موتور هر مرحله و سایر فرایندهای وابسته به پرواز هر مرحله باید 4 مرتبه در طی مأموریت تکرار شوند تا محموله نهایی وظیفه خود را انجام دهد.

این خود از مهمترین جنبه‌های پیچیدگی و دشواری‌های پیرامون پرواز چنین موشکی است. طولانی شدن و تکرار این فرایندها رسیدن به قابلیت اطمینان کافی را به یکی از جنبه‌های مهم عملکرد موشک قائم تبدیل می‌کند.

همچنین در تمامی طول این فرایندها در سرعت‌ها، شتاب‌ها و ارتفاعات مختلف، موشک باید ارتباط دائمی با ایستگاه زمینی داشته و تحت نظارت باشد. بنابراین، پرواز موشک قائم را باید حاصل صحت کار در تمامی موارد پیش گفته دانست. آزمایش های متعدد تابستان سال 1398 نیز مؤید تأکید متخصصان و مدیران پروژه های موشکی سپاه بر رسیدن به قابلیت اطمینان لازم است.

بنا بر اطلاعات موجود، شهید طهرانی مقدم در زمان حیات خود مراحل مختلف این موشک را به طور کامل و موفق آزمایش کرده بود که در ایام نزدیک به آزمایش نهایی، به همراه یاران سخت کوش خود به شهادت رسید.

به گواه متخصصان مختلفی که با شهید طهرانی مقدم کار کرده اند، ایشان با وجود پذیرش ریسک‌های فوق العاده بالا در طی دوران جهاد علمی خود همواره به رعایت مسائل فنی و روش‌های علمی در تحلیل، طراحی و آزمایش تأکید داشته است.

کار روی راکت‌های سوخت جامد در ایران از جایی شروع شد که سوخت جامدهای اولیه به دلیل عدم پایداری شیمیایی از مدت ها قبل از پرتاب قابل قراردادن در راکت نبود بلکه راکت باید در زمان نزدیک به پرتاب آماده سازی می‌شد.

این مسیر اگرچه در ابتدا با سختی‌ها و شکست‌هایی مواجه بود، اما در حدود یک دهه بعد به راکت های سوخت جامد با قابلیت اطمینان بالا و برد چند صد کیلومتر منجر شده و کمی بعد نیز موشک‌های سوخت جامد هدایت شونده دقیق اما کوتاه برد فاتح-110 به ثمر نشست.

در گام بعدی، موشک‌های دوربرد با سوخت جامد و 2 مرحله ای سجیل در یکی از طولانی ترین پروژه های موشکی ایران به ثمر نشست و امروز نیز موشک سوخت جامد چند مرحله‌ای با قابلیت تزریق محموله به مدار 1000 کیلومتری به داشته های علمی و فنی این سرزمین افزوده شده است.

ناگفته پیداست که در صورت عزم جدی مسئولین در حمایت از این راه، به زودی شاهد به ثمر نشستن تلاش های انجام شده در طول 35 سال گذشته از 21 اسفند ماه 1363 یعنی زمان شلیک اولین موشک اسکاد از ایران تا به امروز خواهیم بود.