اعزام اولین مأموریت عملیاتی و باسرنشین شرکت SpaceX

بامداد دوشنبه، بیست‌وششم آبان‌ماه به وقت ایران، کپسول «کرو دراگون» (Crew Dragon)، حامل سه فضانورد ناسا و یک فضانورد از سازمان فضایی ژاپن (ژاکسا)، رهسپار ایستگاه فضایی بین‌المللی شد تا نخستین مأموریت عملیاتی و سرنشین‌دار این کپسول را به مقصد ایستگاه فضایی بین‌المللی با موفقیت به ثمر برساند. این دومین مأموریت سرنشین‌دار شرکت SpaceX به فضا، و ۶۵مین باری بود که این شرکت موفق به فرود آوردن موشک حامل مأموریت شد. شرکتی که گرچه کمتر از بیست سال از زمان تأسیس آن می‌گذرد، اما به موفقیت‌های چشمگیری دست پیدا کرده که بخشی در انحصار دولت‌های توسعه‌یافته‌اند، و بخشی مختص همین شرکت‌.

چهار سرنشین اولین مأموریت عملیاتی فضاپیمای گرو دراگون به مقصد ایستگاه فضایی بین‌المللی. عکس از اسپیس اکس.

در این مقاله نگاهی داریم به زمینه‌های تأسیس و پیشرفت شرکت SpaceX، و بصیرت‌هایی که جاه‌طلبی‌ها و دستاوردهای مدیران آن، رو به آینده‌ی صنعت فضا گشوده‌اند.

در اوایل سال ۲۰۰۲، ایلان ماسک، مالک SpaceX، بر آن شد تا از محل سرمایه‌ حاصل از فروش وبسایت Paypal، به یک آرزوی شخصی جامه عمل بپوشاند: ارسال یک گلخانه‌ی ریزمقیاس، حاوی بذر تعدادی گیاه و ژل‌های مغذی، به مریخ؛ با هدف استقرار حیات در سیاره‌ی سرخ – دست‌کم به مدتی کوتاه. اما مانع اصلی این اقدام، نه ساخت گلخانه یا تأسیسات میزبان آن برای فرود بر مریخ، بلکه یافتن موشکی برای حمل این محموله به آن نقطه بود. ماسک که تمایلی نداشت عوارضی را که شرکت‌های موشکی آمریکایی بر محصولات خود وضع کرده بودند، بپردازد، در تلاش برای جلب همتایان روسی، سه سفر به این کشور داشت – که در نهایت نتیجه‌ای نداشت. وضع در روسیه نیز چندان تفاوتی نمی‌کرد: صرفنظر از جا و مکان، فناوری‌های راهبردی لازم برای انتقال محموله‌ها به فضا در انحصار شرکت‌هایی بود که آورده‌های مالی‌شان را نه مناسبات یک بازار رقابتی، بلکه قراردادهایی نامتوازن تأمین می‌کرد.

ایلان ماسک، مالک و بنیانگذار شرکت
عکس از: JD Lasica

از همین رو اولویت اهداف ماسک، از انتقال محموله به مریخ، به عادی‌سازی و به‌صرفه‌سازی ساخت موشک‌های حمل محموله به مدار زمین تغییر کرد. طبق محاسبات سردستی او در مسیر بازگشت از روسیه، بهای تهیه مواد خام ساخت یک موشک، تنها ۳ درصد از قیمت فروش موشک را شکل داده.

اندکی پیش از این تحولات، تام مولر، مدیر واحد سوخت و احتراق شرکت هوافضای TRW، که سرپرستی پروژه‌ی طراحی و ساخت یک موشک هیدروژن‌سوز منحصربفرد را به عهده داشت، از بیم درز ایده‌های مهندسی‌اش در این شرکت چندمنظوره،تصمیم گرفت تا ایده‌هایش را خود پیاده کند و در صحرای موهاوی کالیفرنیا به بوته‌ی آزمون بسپارد. یکی از این ایده‌ها، ایده‌ی ساخت بزرگ‌ترین موشک آماتوری مایع‌سوز (به وزن تنها ۳۶ کیلوگرم) بود، که آن را در انباری متعلق به یکی از دوستانش پی می‌گرفت.

ماسک به مجرد اطلاع از فعالیت‌های مولر، او را در انبار کارش ملاقات کرد، و توجه‌ او را با سؤالی وسوسه‌کننده برانگیخت: ”می‌تونی از این بزرگ‌ترش رو بسازی؟“ آن موشک هرگز به مرحله آزمایش نرسید، اما بهانه‌ای شد برای پیوستن مولر به شرکت تازه‌تأسیس ماسک، و ساخت موشک‌هایی از آن بزرگ‌تر.

تام مولر در کنار سه نسخه از موتور موشکی ِ مرلین / SpaceX

تحویل یک ایده

به موجب تأسیس SpaceX، ماسک سیاست ادغام عمودی مراحل تولید را در پیش گرفت؛ یعنی تولید ۸۵ درصد از سخت‌افزار مورد نیاز در محل، و هماهنگ‌سازی واحدهای سخت‌افزاری از طریق راهبردی موسوم به تلفیق پودمانی. در این راهبرد، به جای تولید محصولی پیچیده ولی تک‌منظوره، واحدهایی تک‌منظوره ولی ساده تولید می‌شوند و با تلفیق‌ آنها، چند محصول پیچیده و چندمنظوره به دست خواهد آمد؛ اقدامی که تنها تحت یک مدیریت واحد، و یک خط تولید خودکفا میسر است.

نمونه‌ی عکس این راهبرد را می‌توان در طراحی موشک پرکاربرد اطلس-۵ مشاهده کرد؛ موشکی محصول شرکت مادرتخصصی ULA، که از پرتاب کاوشگرهای بین‌سیاره‌ای گرفته تا ماهواره‌های جاسوسی را در کارنامه‌ی خود دارد. این موشک، عملاً تلفیقی از سه موشک با طراحی متفاوت است؛ مرحله‌ی اول آن را موتورهای روسی ِ RD-۱۸۰ شکل داده با سوختی از نفت سفیدِ فوق‌رقیق (موسوم به RP۱)؛ مرحله دوم آن موشکی‌ست با سوخت هیدروژن مایع، و بعضاً یک یا چند موشک جامدسوز نیز با هدف افزایش قدرت پیشرانشی موشک به بدنه‌ی آن ضمیمه می‌شوند.

موشک اطلس-۵ با چنین طراحی نامتمرکزی، هزینه‌های هر پرتاب را تا چیزی در حدود ۳۸۰ میلیون دلار افزایش داده؛ حال‌آنکه در یک طراحی متمرکزتر، آنچنانکه بعدها در طراحی موشک پرکاربرد فالکون-۹، متعلق به SpaceX پیاده شد، هزینه هر پرتاب به تنها ۵۷ میلیون دلار کاهش یافت.

موشک فالکون-۹، نمونه‌ی تکامل‌یافته‌تر موشک فالکون-۱ است؛ موشکی برخوردار از یک موتور مایع‌سوز مرلین، حاصل نبوغ مولر. موتورهای مایع‌سوز، به دلیل فرآیند پیچیده‌ی انتقال و تلفیق همزمان سوخت و مایع اکسیدکننده، معمولاً مملوءند از لوله‌ها و سوپاپ‌هایی که به آنها ظاهری پیچیده و سرسام‌آور داده. موتور مرلین، نخستین موتور موشک مایع‌سوزی‌ست که طی نیم‌قرن گذشته در خاک ایالات متحده طراحی و تولید شده است، و اولین موتور موشکی ِ مایع‌سوز ساخت بخش خصوصی.

در طراحی موتور مرلین، دو نبوغ مهندسی دیده می‌شود که به کاهش هزینه‌ی تمام‌شده‌ی ساخت موتور نیز کمک کرده. یکی سیستم تزریق سوخت به محفظه‌ی احتراق، که بر خلاف معمول موتورهای مایع‌سوز، نه پاششی، بلکه متمرکز است (بدعتی که به ثبات بیشتر فرآیند احتراق نیز کمک خواهد کرد)؛ و استفاده از رزین آغشته به فیبرهای سیلیکونی به عنوان پوشش داخلی نازل موشک. این پوشش جان‌سخت، به مجرد فعالیت موتور موشک، آهسته می‌سوزد و ورق‌ورق از آن جدا می‌شود تا با دفع تدریجی حرارت موتور، امکان دوام فعالیت موتور تا حداکثر ۱۶۰ ثانیه فراهم باشد – زمانی کافی برای انتقال موشک به ارتفاع ۹۰ کیلومتری؛ موضعی که مرحله دوم موشک آغازبه‌کار خواهد کرد و کلاهک را در مدار زمین قرار خواهد داد.

آزمایش یک موتور موشکی مرلین / SpaceX

با وجود این طراحی نبوغ‌آمیز و حتی چند مرحله تست موفق موتور مرلین، سه پرتاب نخست موشک فالکون-۱ در سال‌های ۲۰۰۶، ۲۰۰۷، و ۲۰۰۸ به شکست انجامید. اولین پرتاب موفق این موشک در ۲۸ سپتامبر ۲۰۰۸، به معنی استقرار نخستین موشک مایع‌سوز بخش خصوصی در مدار زمین بود.

فالکون-۱ تنها یک پرتاب موفق دیگر را به ثمر رساند، که حاصلش استقرار ماهواره‌ای از مالزی در مدار زمین بود – اولین مشتری SpaceX از بخش خصوصی، با قراردادی ۸ میلیون دلاری. مبلغ این قرارداد، ۵.۵ میلیون دلار از کف قیمت پیشنهادی رقبای SpaceX پایین‌تر بود، و راه را برای جلب توجه مشتری‌های بیشتری از بخش خصوصی هموارتر کرد.

سپس نوبت به موشک فالکون-۹ رسید؛ موشکی با ۹ موتور مرلین در بخش اول خود؛ و برخوردار از این توانایی راهبردی که در صورت ازکارافتادگی یا حتی انفجار حداکثر دو موتور، موشک همچنان به مسیر خود ادامه بدهد. از زمان ساخت موشک‌های غول‌آسای ساترن (در چارچوب برنامه‌ی آپولو) در دهه ۶۰ میلادی، این نخستین باری بود که نوید چنین توانایی‌ای برای یک موشک داده می‌شد. هر دو مرحله‌ی موشک فالکون-۹، از سوخت RP۱ و اکسیژن مایع استفاده می‌کنند و لذا نیاز به استفاده از دو گونه موتور در هر یک از این مراحل نیست. هر دو مرحله از آلیاژی یکسان از آلومینیوم و لیتیوم ساخته می‌شوند؛ و این‌ها همه مسیر پرتابی صرفه‌جویانه‌تر را هموار می‌کرد.

این صرفه‌جویی البته به قیمت امنیت موشک تمام نشد. موتورهای مرلین آنچنان امن ساخته شدند که در جریان یک آزمایش، وقتی مهره‌ای فولادی در مسیر لوله‌های انتقال سوخت قرار داده شد – اتفاقی که یک موتور فعال موشک را نابود خواهد کرد – موتور مرلین همچنان به فعالیت خود ادامه داد. این در حالی‌ست که این موتور با نیروی پیشرانش ۱۴۰ هزار پوند، بیشترین نسبت نیروی پیشرانشی به جرم موشک را در بین تمام موتورهای موشکی تولیدشده تا به امروز دارد. به علاوه، رایانه‌های موشک نیز تحت سیستم‌عامل لینوکس فعالیت می‌کنند که در صورت بروز تهدیدی برای سیستم، همچنان قادرند اوامر درست را منتقل کنند.

فالکون-۹ با چنین طراحی منسجمی، تا به امروز از مجموع ۹۲ پرتاب، تنها یک شکست و یک شکست جزئی را از سر گذرانده. طبق برآوردهای ناسا و نیروی هوایی ایالات متحده، هزینه‌ی ساخت هر موشک فالکون-۹ از صفر تا صد، ۴۴۰ میلیون دلار است. چنانچه ناسا متولی این کار می‌بود، برآورد می‌شود هزینه‌ی کار، سه برابر این مقدار می‌شد.

پرتاب یک فروند موشک فالکون-9 از پایگاه فضایی کیپ‌کاناورال فلوریدا / ناسا

با این حال، بخش اعظم دستاوردهای SpaceX مدیون همکاری تنگاتنگ این شرکت با ناسا، و استفاده از تجارب ارزنده‌ی این سازمان کهنه‌کار فضایی است. از جمله، شرکت SpaceX در طراحی عایق حرارتی کپسول «دراگون»، که به عنوان پلتفرمی برای انتقال محموله و مایحتاج زیستی فضانوردان به ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) طراحی شد، از دانش پژوهشگران مرکز فضایی ایمز ناسا در تولید ماده‌‌ای موسوم به PICA بهره برد. هر عایق ساخته‌شده از این ماده، قادر است حرارت صدهابار ورود به جو زمین را تاب بیاورد.

اما تولید و بهره‌برداری از فالکون-۹، خط پایان رؤیاهای ماسک نبود. در حال حاضر، هزینه ارسال هر یک کیلوگرم محموله به فضا با این موشک، چیزی در حدود ۵۰۰۰ دلار است. رؤیای ماسک، رساندن این هزینه به تنها ۲۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم محموله است. این کار فقط از طریق «چندبارمصرف» کردن موشک امکان‌پذیر خواهد بود؛ یعنی استفاده مجدد از مراحل موشک، در پرتاب‌های بعدی آن. به باور ماسک، اگر SpaceX در انجام چنین کاری که نخستین بار در سال ۲۰۱۱ علنی شد ناکام می‌ماند، مأموریت این شرکت را می‌بایست شکست‌خورده دانست.

اما کمتر از پنج سال پس از اعلام اولیه‌ی این برنامه، رؤیای بازیابی مرحله اول موشک فالکون-۹ محقق شد. در اوایل زمستان ۱۳۹۴، SpaceX موفق شد مرحله‌ی اول یکی از موشک‌های فالکون-۹ را پس از انتقال ۱۱ ماهواره مخابراتی به مدار زمین، در یکی از سکوهای پرتاب بلااستفاده‌ی پایگاه فضایی کیپ‌‌کاناورال فلوریدا فرود بیاورد – با استفاده از همان ۹ موتور مرلین، این‌بار در نقش ترمز. کمتر از یک ماه بعد، همین مرحله از موشک، برای پرتاب ماهواره‌ی تحقیقاتی Jason-۳ (ساخت ناسا) با موفقیت استفاده شد. از آنجاکه این ماهواره در مداری مرتفع‌تر از یازده ماهواره‌ی مخابراتی پیشین مستقر می‌شد، می‌بایست مرحله اول موشک را بر نقطه‌ای دورتر از سکوی پرتاب فرود آورد – نقطه‌ای که عملاً در اقیانوس واقع می‌شد.

از همین‌رو SpaceX اقدام به طراحی سکوهای شناوری کرده تا میزبان مراحل اول موشک فالکون-۹ در چارچوب چنین مأموریت‌هایی باشد. اما فرود بر این سکوها نخست با سه شکست پیاپی همراه بود. تا اینکه در بیستم فرودین‌ماه ۹۵، اولین فرود موفقیت‌آمیز مرحله‌ی اول این موشک بر سکویی شناور بر اقیانوس آرام با موفقیت رقم خورد.

فرود موفق مرحله اول موشک-۹ بر سکوی اقیانوسی – عکس از فیلم منتشرشده توسط SpaceX

بیشترین دفعاتی که تاکنون مرحله‌ی اول یک موشک فالکون-۹ مورد استفاده مجدد قرار گرفته، پنج بار است. اما در چارچوب رؤیای ایلان ماسک، آمار این دفعات بایستی به ۱۰۰ برسد؛ که در اینصورت هزینه‌ی هربار پرتاب فالکون-۹ به تنها ۲۰۰هزار دلار کاهش خواهد یافت – البته چنانچه بتوان مرحله دوم موشک، و پوسته‌های کلاهک آن را نیز بازیابی کرد.

با این‌حال موشک موفق فالکون-۹، تنها برگ برنده SpaceX نیست. این شرکت در سال ۲۰۱۸، موفق شد اولین نمونه‌ی موشک سنگین‌وزن خود، موسوم به «فالکون هِوی»، متشکل از مراحل اصلی سه موشک فالکون-۹ را با موفقیت به فضا پرتاب کند، و یک محموله‌ی آزمایشی (یک دستگاه خودروی تسلا رودستر، متعلق به شخص ایلان ماسک) را در مدار خورشید قرار بدهد. SpaceX از آن پس دو فروند از این موشک را نیز با موفقیت به فضا پرتاب کرده.

پرتاب‌ سرنشین‌دار

SpaceX در اثنای پیشبرد قراردادهای متعدد خود با شرکت‌های خصوصی برای اعزام ماهواره‌های تجاری به فضا، قراردادی بلندمدت را با ناسا نیز به امضاء رساند، که در چارچوبش این شرکت موظف است تا ادوات علمی و مایحتاج زیستی فضانوردان ISS را از طریق کپسول فضایی ساخت SpaceX، موسوم به دراگون رهسپار فضا کند. کپسول دراگون نخستین کپسول فضایی چندبارمصرف بود که در خدمت تجهیز ISS  قرار گرفت. این کپسول ۲۱ بار عازم ISS شد، و تنها یک بار مأموریتش به شکست انجامید.

کپسول دراگون، متصل به بازوی روبوتیک ایستگاه فضایی بین‌المللی، آماده‌ی الحاق به ایستگاه می‌شود – عکس از ناسا

اما نسخه‌ی جاه‌طلبانه‌تر این کپسول، «دراگون کرو» است؛ کپسولی با قابلیت میزبانی از حداکثر هفت فضانورد که قرار است نقش کپسول‌های روسی سایوز را در انتقال فضانوردان آمریکایی به ISS پر کند. در صورت عملیاتی‌سازی، هزینه‌ی رزرو هر صندلی این کپسول (خواه برای فضانوردان، و خواه توریست‌های فضایی)، معادل ۲۳ میلیون دلار آمریکا خواهد بود؛ چیزی در حدود ۵۳ میلیون دلار کمتر از آنچه روسیه به ازای اجاره‌ی هر صندلی کپسول سایوز خود به فضانوردان ناسا، دریافت می‌کند.

اولین مأموریت آزمایشی کپسول کرو-دراگون، به صورت بی‌سرنشین در مارس ۲۰۱۹ با موفقیت به ثمر نشست. کمی بیش از یک سال بعد، در ۳۰ مه ۲۰۲۰، اولین مأموریت سرنشین‌دار این کپسول، با شرکت فضانوردان ناسا داگلاس هارلی (فرمانده) و باب دانکن (خلبان پرواز) با موفقیت به مدار زمین پرتاب، و یک روز بعد نیز به ISS ملحق شد. این فضانوردان پس از سپری کردن ۶۳ روز و ۲۳ ساعت در مدار زمین، شامگاه یکشنبه، دوازدهم مرداد با موفقیت در آب‌های خلیج مکزیک فرود آمدند و نوید عصری تازه را برای مأموریت‌های فضایی سرنشین‌دار ایالات متحده؛ و بالاخص شرکت SpaceX دادند.

فضانورد ناسا در کابین کرو دراگون – عکس از SpaceX

رؤیاهای شرکت جاه‌طلب SpaceX هنوز در ابتدای مسیر بلندی‌ست که ایلان ماسک تدارک دیده. فضاپیمای غول‌آسای استارشیپ – فضاپیمایی که تمام محصولات تاکنونی این شرکت، مقدمه‌ای برای ساخت و پرتاب آن محسوب می‌شوند – و قرار است در مأموریت‌های آتی SpaceX به ماه و مریخ مورد استفاده قرار گیرد، هنوز مراحل ابتدایی طراحی خود را طی می‌کند و نمونه‌های اولیه آن تاکنون دو بار در جریان تست‌های زمینی از میان رفته. هنوز مشخص نیست این طرح جاه‌طلبانه چه زمان به مرحله‌ی بهره‌برداری نهایی خواهد رسید، اما کارنامه درخشان شرکت SpaceX حکایت از آن دارد که هر شکست آن، گام بلندی‌ست برای نزدیک‌تر شدن به یک مقصد دوردست – مقصدی که بعضاً هیچ‌گاه به تصور درنمی‌آمده است.

در همین زمینه:

فرود بر آینده: گام‌ بلند شرکت اسپیس‌ایکس در فتح «اقتصاد» فضا