انتقال انسان به مریخ پیچیدهترین دستاورد مهندسی تاریخ بشریت محسوب میشود. در میان چالشهای متعدد مانند سامانههای فرود و زیستگاههای سطحی، انتخاب سامانه پیشرانش حیاتیترین تصمیم مهندسان است. تقابل موشکهای شیمیاییِ اثباتشده با فناوری پیشرفته پیشرانش حرارتی هستهای (NTP)، تمام پارامترهای سفر از جمله مدت زمان حضور در اعماق فضا و میزان ریسک فضانوردان را تغییر میدهد.
بررسیهای اخیر ناسا و آکادمیهای ملی علوم نشان میدهد مسیر رسیدن به سیاره سرخ نیازمند اتخاذ رویکردی نوین در مدیریت انرژی و سوخت است؛ رویکردی که دو فلسفه متفاوت پیشرانشی را برای سفرهای سرنشیندار روبهروی هم قرار میدهد.
چالش بنیادین فاصله و همترازی مداری
مقیاس عظیم سفر زمین تا مریخ، تعیینکننده تمام معادلات مرتبط با پیشرانش است. بر اساس موقعیت نسبی مدار این دو سیاره، فاصله آنها در یک دوره همنهشتیِ تقریباً 26 ماهه بین 55 تا 400 میلیون کیلومتر نوسان میکند. این تغییر فاصله باعث میشود الزامات پرتاب در هر پنجره زمانی کاملاً متفاوت باشد.
عملکرد سامانه پیشرانش بر اساس مجموع تغییر سرعت (∆V) در یک سفر رفتوبرگشت ارزیابی میشود. میزان انرژی مورد نیاز وابستگی شدیدی به مدت اقامت خدمه و سرعت مورد نظر برای طی مسیر دارد. به همین دلیل، گزارش سال 2021 آکادمیهای ملی با عنوان «پیشرانش هستهای فضایی برای اکتشاف انسانی مریخ»، سامانههای پیشرانش در فضا را یک فناوری کاملاً حیاتی معرفی میکند؛ چرا که مأموریتهای سرنشیندار از نظر جرم پرتاب و مدت زمان سفر، دشواریهای بیسابقهای دارند.
دو رویکرد متفاوت برای سفر به مریخ
معماران مأموریتهای فضایی سفرهای سرنشیندار را به دو دسته کلی تقسیم میکنند که انتخاب سوخت و موتور در هرکدام متفاوت است:
مأموریتهای مقارنه (اقامت طولانیمدت)
این مأموریتها کمترین نیاز به تغییر سرعت (∆V) را دارند. زمان سفر در هر مسیر حدود 180 تا 210 روز طول میکشد، اما خدمه باید حدود 500 روز یا بیشتر را روی سطح مریخ بگذرانند. کل زمان این مأموریت به 900 روز میرسد. این روش انرژی کمتری میطلبد، اما فضانوردان را تقریباً به مدت دو سال و نیم از زمین دور نگه میدارد.
مأموریتهای مقابله (اقامت کوتاه)
در این سناریو، برای کوتاهتر شدن زمان کل مأموریت (400 تا 750 روز) و اقامت حدود 30 تا 90 روزه روی مریخ، فداکاری بزرگی در مصرف انرژی انجام میشود. این مسیر نیازمند سوخت بسیار بیشتر و پرتابهای مکرر برای انتقال قطعات به مدار مونتاژ است. یکی از پیچیدگیهای این روش، عبور مسیر طولانی سفر از داخل مدار زمین و نزدیک شدن به مدار زهره برای جبران نامناسبی همترازی سیارات است که چالشهای حرارتی و پرتویی شدیدی را به همراه دارد. ناسا مأموریت مقابله سال 2039 را بهعنوان مبنای ارزیابی خود انتخاب کرده است.
پیشرانش شیمیایی؛ قدرت اثباتشده در برابر معادله سنگین جرم
موتورهای شیمیایی گزینهای کاملاً آزمودهشده و قابلاتکا در سفرهای فضایی هستند و در طراحیهای فعلی نقش کلیدی بازی میکنند. برای مثال، مقالات علمی مؤسسه هوانوردی و فضانوردی آمریکا (AIAA) به بررسی موشکهای قدرتمند مانند استارشیپ اسپیسایکس پرداختهاند. این سامانهها رانش بسیار بالایی تولید میکنند، اما با محدودیتهای جبرانناپذیر فیزیکی روبهرو هستند.
در مأموریتهای مقابله که نیازمند سرعت خروج بالاتری هستند، تقاضا برای سوخت و تعداد پرتابها بهشدت افزایش مییابد. علاوه بر این، محدودیت پنجرههای زمانی 26 ماهه برای ترک زمین، چالش زمانبندی را به یک کابوس لجستیکی تبدیل میکند. موشکهای شیمیایی برای غلبه بر این مشکلات به اعداد خیرهکنندهای در حجم و قدرت رانش نیاز دارند که هزینه و ریسک پرواز را بالا میبرد.
آیا پیشرانش حرارتی هستهای نقش راهبردی خواهد داشت؟
برای جبران پاشنه آشیل موشکهای شیمیایی، فناوری پیشرانش حرارتی هستهای (NTP) بهعنوان یک گزینه پیشرفته مطرح میشود. با تکیه بر راکتورهای هستهای فوقسبک و کارآمد، این موتورها میتوانند راندمان سوخت (Impulse مشخص) را بهطرز چشمگیری افزایش دهند. خروجی بالاترِ NTP به این معناست که یک سفینه میتواند با سوخت بسیار کمتر، سرعت بیشتری برای سفرهای سریعتر (مانند مأموریتهای کوتاهمدت مقابله) تولید کند و در نهایت، پرتابگرها را از بار سنگین جرم سوخت رها سازد. این تغییر پارادایم میتواند انقلابهایی در طراحی وسیله نقلیه مریخی ایجاد کند و تابآوری مأموریت را در برابر تاخیرهای پیشبینینشده بالا ببرد.
