کرایوکوپلر ناسا؛ سوخت گیری مداری در یک قدمی واقعیت

کرایوکوپلر ناسا، سوخت‌گیری مداری را در دسترس قرار می‌دهد

فضاپیمایی را تصور کنید که آرام در کنار یک مخزن مداری قرار می‌گیرد و نازلی مانند پمپ بنزین، اما در حرکتی آهسته، به سمت آن پیش می‌آید. نه فضانوردی به بدنه متصل است و نه راهپیمایی فضایی پرخطری در کار است. پس از آزمایش اخیر یک دستگاه تازه با نام مستعار کرایوکوپلر که ناسا با همکاری ال۳هریس توسعه داده، این تصویر بیش از هر زمان دیگری به واقعیت نزدیک شده است.

کرایوکوپلر برای اتصال فضاپیماها به ایستگاه‌های سوخت مداری و انتقال پیشران‌های برودتی مانند هیدروژن مایع و اکسیژن مایع بدون نشتی طراحی شده است. این سیالات باید در دماهایی صدها درجه پایین‌تر از صفر سلسیوس نگهداری شوند، بنابراین هر قطعه باید سرمای شدید و چرخه‌های حرارتی تکرارشونده را تحمل کند. یکی از مدیران پروژه ناسا در مرکز پرواز فضایی مارشال این موضوع را ساده و روشن توضیح داد: «انتقال پیشران‌های برودتی در مدار همچنان یکی از دشوارترین چالش‌های مهندسی پیش روی ماست.»

آزمایش نازلی که می‌تواند طراحی مأموریت‌ها را تغییر دهد

مهندسان، کرایوکوپلر را در مجموعه‌ای فشرده از آزمایش‌های حرارتی و عملیاتی قرار دادند. برای ارزیابی جریان سرد، نیتروژن مایع با دمای منفی ۱۹۶٫۱ درجه سلسیوس را از پیکربندی‌های متصل و جداشده عبور دادند تا واکنش مواد و آب‌بندها هنگام سقوط شدید دما اندازه‌گیری شود. این اثرات انقباض حرارتی اهمیت زیادی دارند. قطعات فلزی و کامپوزیتی با نرخ‌های متفاوتی منقبض می‌شوند و حتی یک ناهماهنگی بسیار کوچک می‌تواند مسیر نشتی ایجاد کند یا باعث گیر کردن اتصال شود.

برای شبیه‌سازی سناریوهای واقعی اتصال در فضا، پژوهشگران نیمی از کوپلر را روی یک میز رباتیک نصب کردند که به عمد ناهماهنگی و حرکت ایجاد می‌کرد. برخوردها و نزدیک‌شدن‌های فضایی به‌ندرت کاملا بی‌نقص هستند. حرکت نسبی، هم‌راستایی ناقص و لرزش، بخشی از شرایط عادی محسوب می‌شوند. این سکوی رباتیک بررسی کرد که آیا کرایوکوپلر می‌تواند این نواقص را تحمل کند و هم‌زمان انتقالی محکم، ایمن و بدون نشتی را حفظ کند یا نه.

برخلاف کوپلرهای زمینی که در موشک‌هایی مانند سامانه پرتاب آرتمیس استفاده می‌شوند و اغلب به اتصال دستی یا دخالت فضانورد نیاز دارند، این دستگاه به‌صورت خودکار کار می‌کند. این انتخاب طراحی، نیاز به فعالیت برون‌وسیله‌ای خطرناک هنگام سوخت‌گیری را حذف می‌کند و زمان عملیات در مدار را کاهش می‌دهد. این واحد برای خلأ سخت، تابش و نوسان‌های شدید حرارتی فضا بهینه‌سازی شده است.

آزمایش‌های فعلی بر کارکردهای اصلی تمرکز دارد. کرایوکوپلر هنوز در مرحله ابتدایی توسعه قرار دارد و مهندسان انتظار دارند برای نیازهای مأموریت‌های خاص، اصلاحات بیشتری روی آن انجام شود. نسخه‌های آینده به ذخیره‌سازی بلندمدت، بهبود عایق‌کاری و یکپارچه‌سازی با معماری‌های سوخت‌گیری مداری مانند انبارهای سوخت فضایی و شبکه‌های وسایل نقلیه قابل استفاده مجدد خواهند پرداخت.

اگر این فناوری در مقیاس عملیاتی توسعه یابد و به فضا پرتاب شود، سوخت‌گیری مداری می‌تواند برنامه‌ریزی مأموریت‌های فضایی را دگرگون کند. فضاپیماها می‌توانند با سوخت کمتر پرتاب شوند، مأموریت‌ها را فراتر از مدار پایین زمین گسترش دهند و از لجستیک دروازه قمری یا سفرهای اعماق فضا پشتیبانی کنند. این فناوری یک گام فنی مهم به سوی زیرساخت پایدار و قابل استفاده مجدد در فضاست.

در حال حاضر، کرایوکوپلر یک نمونه اولیه امیدبخش است. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که فیزیک مسئله قابل مدیریت است. مهندسی آن هنوز به کار بیشتری نیاز دارد. اما تصویر نزدیک‌شدن فضاپیما به یک پمپ در مدار، دیگر فقط داستان علمی‌تخیلی نیست.