موشکهای فضایی

مقدمه

موشکهای فضایی مانند موشکهای آتش بازی عمل می‌کنند. سوخت با ماده‌ای به نام اکسنده که حاوی گاز تسریع کننده احتراق یعنی اکسیژن است، ترکیب می‌شود. آنگاه این ترکیب که یک پیشران محسوب می‌شود، می‌سوزد و گازهای داغی را تولید می‌کند، این گازها منبسط شده ، از طریق یک دماغه خارج و باعث می‌شوند موشک به طرف بالا حرکت کند. این واکنش برای اولین بار در قرن هفدهم توسط دانشمند انگلیسی ، اسحاق نیوتن ، در قانون سوم حرکتش بیان شد. او اظهار داشت که برای هر عملی (خروج گازها در اینجا) عکس العملی است مساوی و مخالف جهت آن (در اینجا ، حرکت موشک).

نیرویی که یک موشک را به طرف جلو حرکت می‌دهد، نیروی پیشران نامیده می‌شود. قدرت نیروی پیشران به سرعت خارج شدن گاز خروجی بستگی دارد. نیروی پیشران به موشک شتاب داده ، باعث افزایش سرعت آن می‌شود. مقدار شتاب نیز بستگی به جرم موشک دارد. هر چه موشک سنگینتر باشد، برای رسیدن به فضا ، به نیروی پیشران بیشتری نیاز است. تا وقتی که موتورهای موشک ، روشن و در حال تولید نیروی پیشران هستند، شتاب فضا پیما نیز هر لحظه زیادتر می‌شود.

موتور موشک یا از پیشران مایع استفاده می‌کند یا جامد ، اما بعضی اوقات ، یک موشک کامل ممکن است. در مراحل مختلف از هر دو نوع پیشران استفاده کند. کارشناسان موشکهایی را پیشنهاد کرده‌اند که از انرژی اتمی به عنوان سوخت استفاده می‌کنند، چرا که آنها از نظر مصرف انرژی بسیار مقرون به صرفه‌اند. اما ترس از خطر استفاده از سوخت اتمی مانع استفاده از این موشکها شده است.

موشکهایی با سوخت پیشران جامد

سوختهای پیشران از یک نوع سوخت و یک اکسنده تشکیل شده‌اند. برای روشن شدن موشک ، کافی است یک جرقه کوچک سوخت پیشران آنرا آتش بزند. سوخت آتش گرفته تا آخرین قطره می‌سوزد. گازهای حاصل از سوخت پیشران را از طریق دماغه انتهایی موشک خارج می‌شوند. اولین موشکها را احتمالا در قرن یازدهم میلادی در کشور چین ساخته‌اند. آنها موشکهایی بودند که از سوخت پیشران جامد استفاده می‌کردند. سوخت موشک یک نوع باروت بود که از مخلوطی از نیترات پتاسیم ، زغال چوب و سولفور تشکیل شده بود.

موشکهایی که از سوخت پیشران جامد استفاده می کنند، اغلب به عنوان موشکهای تقویت کننده‌ای استفاده می‌شوند که نیروی اولیه موشکهای بزرگتر را تأمین می‌کنند. موشکهای بزرگتر خود از سوخت پیشران مایع استفاده می‌کنند. بزرگترین موشکهای مصرف کننده سوخت جامد با 45 متر ارتفاع جزء موشکهای تقویت کننده شاتل فضایی ایالات متحده محسوب می‌شوند. آنها حاوی 586500 کیلوگرم (2/1 میلیون پوند) سوخت پیشران هستند که بطور متوسط 13 میلیون تن (5/3 میلیون پوند نیرو) نیروی پیشران را تولید می‌کنند.

این موشکها را طوری طراحی کرده‌اند که بعد از اتمام سوخت و افتادن در دریا ، از دریا بیرون کشیده شده ، دوباره برای مأموریتهای بعدی سوختگیری می‌شوند. ساخت موشکهایی که از سوخت جامد استفاده می‌کنند چندان دشوار نیست. آنها مقدار زیادی نیروی پیشران را در یک مدت زمان کم تولید می‌کنند. تنها ایراد این نوع موشکها این است که بعد از روشن شدن به راحتی خاموش نمی شوند. به عبارت دیگر ، نمی‌توان آن را به آسانی تحت کنترل درآورد.

نیروی پیش برنده

شاتل فضایی ایالات متحده از موشکهای تقویت کننده عظیم الجثه‌ای برخوردار است که از سوخت پیشران جامد استفاده می کنند. این پیشران از پر کلرات آمونیم به عنوان اکسنده و پودر آلومینیوم به عنوان سوخت تشکیل شده است.

موشکهای با سوخت مایع

اکثر موشکهایی که از آنها در پروازهای فضایی استفاده می‌شود، از سوخت پیشران مایع بهره می برند. سوخت و اکسنده که در مخزنهای جداگانه‌ای نگهداری می‌شوند، هر دو مایع هستند. پمپهای قدرتمندی آنها را به محفظه احتراق می‌برند؛ در آنجا آنها باهم ترکیب شده ، شروع به تولید گازهای خروجی می‌کنند. گازهای مذکور نیز به نوبه خود از دماغه انتهایی موشک خارج می‌شوند. بعضی از موشکها از یک ماده قابل اشتعال سریع برای شروع احتراق استفاده می‌کنند. سوخت پیشران سایر موشکها هگام ترکیب سوخت و اکسنده شروع به احتراق می‌کند.

فرآیند احتراق پیشران مایع

اکسنده و سوخت باهم ترکیب می‌شوند و در محفظه احتراق شروع به سوختن می‌کنند. سپس گازهای خروجی حاصل از فرآیند احتراق از دماغه خارج و به عنوان نیروی پیشران ، موشک را به طرف جلو حرکت می‌دهند.

برای سفر به فضا ، یک موشک چند مرحله‌ای مورد نیاز است. هر کدام از این مراحل یک موشک جداگانه محسوب می‌شود که هم دارای منبع سوخت است و هم موتور. بسته به وزن محموله ماهواه ، از موشکهای تقویت کننده‌ای در کنار مراحل مختلف موشک برای افزایش نیروی موتورها استفاده می‌شود. مرحله اول ، کل موشک را از زمین بلند می‌کند و به محض اتمام سوخت از بقیه موشک جدا شده، به زمین سقوط می‌کند. آنگاه موتور مرحله دوم روشن می‌شود. بخاطر وزن سبکتر موشک در این مرحله ، شتاب موشک نیز بیشتر می‌شود؛ این سیر صعودی شتاب با جدا شدن هر مرحله از موشک ادامه می‌یابد. مرحله پایانی موشک قسمت حامل ماهواره را به فضا و به طرف مقصدش حمل می کند.مراحل مختلف یک موشک

اجزای اصلی موشک

بدنه موشک

قطعات بدنه موشک شامل اسکلت که الحاق کننده یا محافظ و نگهدارنده سایر قسمتهای موشک می‌باشد و در واقع اتصال قسمتهای مختلف موشک و استواری آن در حین پرواز در هوا به این قسمت متکی است. شاسی ، خود از بخشهای دیگر به نام بدنه اصلی موشک (Missils Main Body) با بالها و بالچه‌ها تشکیل شده است. سیستم هدایت ، موشک را به سوی هدف یا محوطه آن سوق می‌دهد.

وقتی موشک به شعاع مشخصی از هدف رسید، سرجنگی که قسمت از موشک و حاوی مقدار مشخصی از مواد منفجره می‌باشد ، منفجر و باعث انهدام و صدمه زدن به هدف می‌شود. بدنه اصلی موشک معمولا به شکل لوله از جنس محکم و از فلز سبک مانند آلومینیوم با دیگر فلز است که در مقابل درجه حرارت زیاد و فشارهای بالا (که در حین پرواز در هوا به موشک وارد می‌شود.) مقاوم باشد، ساخته می‌شود.

بالهای موشک (Wings)

بالها در اطراف و بیرون بدنه اصلی قرار گرفته‌اند و نیروی اصلی جهت پرواز در هواست تامین می‌نماید. لبه جلویی بالها به لبه مقاوم ، لبه عقبی آن به لبه فرار (Trailing EDGE) و بالای آن تیپ (TIP) گفته می‌شود.

بالکهای موشک (FINS)

بالکها کوچکتر از بالها بوده و بطور معمول در قسمت عقب موشک قرار می‌گیرند، ولی در بعضی از موشکها در قسمت جلو بدنه طراحی شده است. هدف از به کارگیری بالک ، متعادل نگهداشتن موشک و تامین پدیداری آن (انطباق محور موشک با زاویه حرکت) ، در مسیر پرواز می‌باشد به همین علت به بالکها ، تثبیت کننده نیز اطلاق می‌شود.

سیستم هدایت و کنترل موشک (Guidance and control system)

سیستم هدایت یکی از بخشهای عمده موشک است و کار هدایت موشک از محل روانه‌ سازی و پرتاب تا بخشی از مسیر و یا هدف را به عهده دارد. بعضی از موشکها از هدایتهای مختلفی ، در قسمتهای مسیر استفاده می‌کنند. سیستمهای هدایت جهت انجام وظایف مربوط ، دارای قسمتهای زیر می‌باشد

هدایت حساسه

این قسمت به انواع مختلف انرژی نظیر حرارت ، روشنایی ، امواج الکترومغناطیسی ، صدا و یا حرکت مکانیکی را تشخیص می‌دهند. این وسایل (حساسه‌ها) انرژی دریافتی را تجزیه و تحلیل کرده و به شکلی بکارگیری در می‌آورند و آنها را به قسمتهای مربوطه نظیر شتاب ‌سنجها به کامپیوتر ارجاع می‌دهند.

کامپیوتر

اطلاعات را از حساسه‌ها دریافت و آنها را پردازش می‌نمایند. خروجی به نحوی است که قابل دریافت و واکنش مناسب بوسیله قسمتهای کنترل باشد. این قسمت در واقع مغز موشک تلقی می‌شود. زیرا اطلاعات لازم برای قسمتهای داخلی و سطوح کنترل از این بخش صادر می‌شود.

کلاهک یا سرجنگی

سرجنگی که به آن کلاهک جنگی گفته می‌شود، از مهمترین بخشهای موشک بوده و هدف از طراحی موشک یا راکت ، (به عنوان تسلیحات نظامی) در واقع رساندن این قسمت به هدف و یا نزدیک آن است که با انجام عمل هدف آسیب یا منهدم می‌شود. اغلب محل قرار گرفتن این بخش جلو مورد نظر است. در صورتی که وقتی بحث کلاهک جنگی در اینگونه سلاحها باشد، محلی غیر از دماغه موشک مورد نظر است.

این بخش در موشک‌ها اکتشافی یا عملی شامل تجهیزاتی است که برای مثال به منظور جمع‌آوری اطلاعات جوی ، عکسبرداری جمع‌آوری اطلاعات علمی و سرانجام عملیاتی نظیر قرار دادن ماهواره در مدار زمین می‌باشد که به علت اهمیت این بخش شاخه علمی به نام «بالستیک انتهایی» بوجود آمده و موضع آن طراحی سرجنگی‌های مختلفی با توجه به اهداف متفاوت است.

انواع سرجنگی متعارف

•سرجنگی انفجاری

•سرجنگی متلاشی یا ترکشی

•سرجنگی با خرج شکل‌دار

پیشران (موتور)

موتور یکی از بخشهای عمده موشک است که نسبت به سایر قسمت‌ها هزینه و دقت زیادی صرف تکمیل آن شده است. کار این قسمت ایجاد نیروی محرکه لازم (برای اینکه موشک مسافت مشخصی را طی نماید) می‌باشد. انواع موتور موشکها با توجه به سوخت و مکانیزم طراحی و ساختشان به قسمتهای مختلف تقسیم می‌شود.

تعداد زیادی از موتورهای موشک برای تولید نیرو اکسیژن مصرف می‌کنند این اکسیژن ممکن است مستقیما از اتمسفر که پرواز می‌کنند دریافت کنند و یا از اکسیژن تحت فشار که با خود حمل می‌کنند و یا از اکسیژن مواد سوختی (سوخت جامد) دریافت می‌کنند. این عامل سبب می‌شود که موشکها در خارج از جو نیز حرکت کنند.

موشک هوابه‌هوا یا ای‌ای‌ام (AAM: Air to Air Missile) موشک هدایت‌شونده‌ای است که از یک هواپیما برای نابود کردن هواپیمای دیگر استفاده می‌شود.

پیشینه

استفاده از انواع راکت در زمان جنگ جهانی دوم بصورت همه‌گیر درآمد. به تدریج راکتها در هواپیماها هم استفاده شدند. اما از آنجا که این راکتها امکان تغییر مسیر پس از شلیک را نداشتند، فقط جهت انهدام اهداف زمینی از آنها استفاده می‌شد. اما به دلیل گستردگی زیاد نبردهای هوایی در جنگ جهانی دوم، کلیه ارتشهای درگیر به اهمیت استفاده از نوعی سلاح پیشرفته‌تر با قابلیت رهگیری اهداف هوایی پی‌بردند. پس از پایان جنگ بزرگ ایالات متحده در زمینه ساخت موشکهای هوا به هوا سرمایه‌گذاری زیادی کرد و اولین نسل این موشکها را تولید نمود. امروزه نیز به دلیل تولید گسترده این نوع موشک توسط ایالات متحده، موشکهای ساخت این کشور به عنوان استاندارد جهت کشورهای عضو ناتو و ارتشهای اروپایی و البته بسیاری دیگر از ارتشهای دنیا پذیرفته شده‌است.

تقسیم‌بندی کلی

این موشکها براساس نوع سامانه هدایت به دو گروه عمده راداری و حرارتی تقسیم بندی می‌شوند. در نوع راداری از امواج رادار و انعکاس از سمت هواپیمای هدف جهت ردیابی و تعقیب هدف استفاده می‌شود. اما در نوع حرارتی، گرمای گازهای خروجی از موتور هواپیمای هدف توسط یک حسگر فروسرخ رهگیری و موشک را تا برخورد به هدف هدایت می‌کند. در راستای انواع سازوکارهای هدایتی (راداری یا حرارتی) موشکهای متفاوتی در دنیا تولید شده‌است. اما معروفترین آنها که توسط ایالات متحده بطور گسترده تولید و مورد استفاده قرار گرفته‌است به شرح زیر می‌باشد:

موشک AIM۷ Sparrow

این موشک اولین موشک هوا به هوای راداری ساخت ایالات متحده‌است که در جنگ ویتنام بطور گسترده توسط نیروی هوایی آمریکا و بر روی هواپیمای F-۴ Phantom استفاده شد. این موشک نقش بسزایی در برتری هوایی ایالات متحده در جنگ ویتنام داشت. برد عملیاتی این موشک تا ۴۰ مایل می‌باشد. اما نسلهای اولیه آن مانند AIM۷B تنها از فاصله ۱۵ تا ۲۰ مایلی از دقت قابل قبولی برخوردار بودند. مشکل اساسی این نوع موشک نداشتن سامانه رادار مختص خود موشک می‌باشد. از این رو موشک جهت رهگیری و تعقیب هدف از رادار هواپیمای شلیک کننده استفاده می‌کند. به این ترتیب که ابتدا خلبان توسط رادار خود هدف را شناسایی و رادار هواپیما را به اصطلاح روی هدف قفل (Lock) می‌کند. چنانچه تمام شرایط شلیک فراهم باشد، خلبان موشک را رها می‌کند. از این پس حسگر موجود در سر موشک امواج رادار منعکس شده هواپیمای مادر از سمت هدف را تعقیب می‌کند. به همین دلیل خلبان ناگزیر است تا زمان برخورد موشک به هدف، هواپیمای هدف را تعقیب نموده و رادار خود را نیز بر روی آن قفل نگه دارد. از آنجا که رادار به منزله چشم خلبان در آسمان می‌باشد، خلبان در مدت حرکت موشک تا برخورد تقریبا کور بوده و حتی نمی‌تواند از مانورهای فرار استفاده کند. از این رو این موشک ها در عین دقت و کاربرد بسیار، تا حدودی خطرناک نیز هستند. با این وجود این موشک ها همچنان توسط ایالات متحده تولید و استفاده می‌شود. آخرین نسل این موشک AIM۷-F می‌باشد که در جنگ های اخیر آمریکا در عراق و افغانستان بطور گسترده استفاده شد.

موشک AIM۹ Sidewinder

این موشک در واقع اولین نوع موشک هوا به هوای ساخته شده توسط ایالات متحده‌است. از آنجا که استفاده از رادار درون هواپیما هنوز اجرایی نشده بود، راهکاری که جهت رهگیری و تعقیب اهداف هوایی در این موشک استفاده شد؛ اختلاف دمای بسیار زیاد گازهای خروجی از موتور هواپیما و محیط اطراف بود. به این ترتیب که یک حسگر حرارتی که در واقع یک دوربین فروسرخ میباشد در سر موشک نصب شده که دایما در حال تصویربرداری می‌باشد. به دلیل اختلاف دمای زیاد گازهای خروجی از موتور هواپیماها و محیط اطراف، موقعیت هواپیما بصورت یک توده بسیار روشن در تصاویر این حسگر مشخص است که همین توده روشن به عنوان هدف مورد تعقیب موشک قرار می‌گیرد.از آنجا که این موشک هیچ نوع وابستگی به رادار ندارد، پس از شلیک کاملا مستقل عمل نموده و به اصطلاح شلیک و بعد هیچ می‌باشد. به این ترتیب خلبان پس از شلیک صحیح موشک می‌تواند تغییر مسیر داده و حتی منطقه را ترک کند. نسلهای اولیه این موشک برد عملیاتی حدود ۳ مایل (در بهترین شرایط ۵ مایل) داشتند. اما مدلهای بهینه سازی شده مانند AIM۹-X که در جنگنده پیشرفته F۲۲-Raptor هم استفاده می‌شود تا ۱۵ مایل برد عملیاتی دارند.موشک AIM۱۲۰ Amraam [ویرایش]این موشک مدل پیشرفته‌تر موشک AIM۷ می‌باشد. با پیشرفت تکنولوژی، امکان نصب یک سامانه رادار کامل در یک موشک هوا به هوا ایجاد شد. به این ترتیب این نسل از موشکها دارای یک سامانه راداری کامل و مستقل است. این سامانه پیش از شلیک موشک اطلاعات مربوط به هدف را از رادار هواپیما دریافت می‌کند و هدف را مشخص می‌نماید. بلافاصله پس از شلیک رادار داخلی موشک فعال شده و هدف مشخص شده را بصورت مستقل رهگیری و تعقیب می‌نماید. به این ترتیب مزیت اصلی این موشک قابلیت Fire and Forget بودن آن است. برد عملیاتی این موشک نیز مانند نسل قبلی خود ۴۰ مایل است. اما در مسافتهای بیش از ۲۷مایل از دقت کافی برخوردار نیست.

موشک AIM۵۴ Phoenix

شاید بتوان این موشک را به عنوان بهترین موشک هوا به هوای ساخته شده در دنیا معرفی کرد که با نصب بر روی جنگنده F-۱۴؛ این هواپیما را به یکی از اسطوره‌‎های نبرد هوایی مبدل کرده‌است. این موشک از نظر ساز و کار تفاوتی با موشک AIM۱۲۰ ندارد. اما رادار بسیار قویتر با برد ۱۲۰ مایل و قابلیت هدفگیری و شلیک از فاصله ۶۰ مایلی و البته با دقت برخورد به هدف باورنکردنی ۹۸ درصد، این موشک را به کابوسی برای هواپیماهای در حال جنگ با نیروی دریایی آمریکا و یا ایران بدل کرده‌است. علاوه بر مشخصات باورنکردنی موشک فونیکس، قابلیت منحصر به فرد هواپیمای اف-۱۴ در هدفگیری و شلیک ۶ موشک همزمان به ۶ هدف هوایی متفاوت که در هیچ جنگنده دیگری وجو ندارد نیز باعث شده تا این هواپیما به همراه موشک فونیکس به عنوان سلاح برتر هوایی و یا Top Gun شناخته شود. البته متاسفانه ایالات متحده از سال ۲۰۰۷ هواپیماهای اف-۱۴ خود را از رده خارج ساخته و هم اکنون تنها کشور دارنده این هواپیما در دنیا ایران است. از طرفی تولید موشک فونیکس نیز متوقف گردیده و عملا نیروی هوایی ایران با کمبود این موشک مواجه‌است.

موشک سجیل

در سال ۱۳۶۴ شمسی و در بحران جنگ ایران و عراق، کشور ایران به دلیل کمبود موشک‌های فونیکس قادر به مقابله با هواپیماهای عراقی نبود و از هواپیماهای اف ۱۴ تنها به عنوان رادار پرنده استفاده می‌شد، جهت برطرف شدن این نقص پروژه‌ای در معاونت جهاد خوکفایی نیروی هوایی ارتش جمهوری اسلامی ایران تحت عنوان پروژه سجیل تعریف شد که منظور از این پروژه تبدیل موشک زمین به هوای هاوک به موشک هوا به هوا و سازگار نمودن آن با رادار هواپیمای اف ۱۴ بود که این پروژه در آبان ماه ۱۳۶۵ به نتیجه رسید و تست پرواز آزمایشی موشک سجیل اولین بار توسط سرهنگ خلبان فریدون -علی مازندرانی و سرهنگ محمد عقبایی کابین عقب ایشان انجام شده‌است. ضمنا برای اولین بار در منطقه هوایی بوشهر شلیک موشک سجیل توسط سرهنگ خلبان فریدون علی مازندرانی و کابین عقبی سرهنگ ابراهیم انصارین با موفقیت به سمت هواپیمای عراقی صورت پذیرفت. شلیک بعدی موشک سجیل در عملیات جنگی توسط سرهنگ خلبان اسدا… عادلی در منطقه کرمانشاه صورت پذیرفت