آیا هواپیما می تواند به فضا پرواز کند؟

فیزیک سفرهای فضایی

سفرهای فضایی همیشه بشریت را مجذوب خود کرده است و اغلب این سوال پیش می آید که آیا یک هواپیما می تواند به فضا پرواز کند؟ در حالی که هواپیماها برای تحمل شرایط شدید فضا ساخته نشده‌اند، اما از نظر آیرودینامیک و نیروی محرکه شباهت‌هایی با فضاپیماها دارند.

برای اینکه یک هواپیما بتواند به فضا برسد و حرکت کند، باید چندین چالش را پشت سر بگذارد. اول از همه، به یک سیستم محرکه نیاز دارد که نیروی رانش کافی برای غلبه بر گرانش زمین ایجاد کند. این هواپیما همچنین باید به یک سیستم پشتیبانی حیات مجهز شود تا خدمه را در محیط بدون هوا و خشن فضا زنده نگه دارد. در نهایت، باید از یکپارچگی ساختاری لازم برای مقاومت در برابر دماها و تشعشعات شدید فضا برخوردار باشد.

نقش درایو

نیروی محرکه یک عامل کلیدی در سفرهای فضایی است، چه با یک موشک معمولی و چه با هواپیما. برای فرار از گرانش زمین و رسیدن به فضا، وسیله نقلیه باید به سرعت معینی برسد که به آن سرعت فرار می گویند. در زمین، این سرعت حدود 11.2 کیلومتر در ثانیه (6.95 مایل در ثانیه) است. هواپیماهای معمولی با موتورهای جت خود قادر به ایجاد نیروی رانش عظیم مورد نیاز برای رسیدن به این سرعت نیستند.

با این حال، طرح های مفهومی مانند موتور اسکرام جت وجود دارد که در مواجهه با این چالش امیدوار کننده است. موتور اسکرام جت یک موتور تنفس هوا بر اساس احتراق مافوق صوت است و می تواند به سرعت 15 ماخ برسد. در حالی که این موتور در حال حاضر برای پرواز در جو آزمایش می شود، به طور بالقوه می تواند برای سفرهای فضایی اصلاح شود.

احتمال دیگر استفاده از موتورهای یونی است که در فضاپیماهایی مانند ماموریت داون ناسا استفاده می شود. نیروی محرکه یونی با یونیزه کردن اتم های یک سوخت و سپس شتاب دادن به آنها با استفاده از میدان الکتریکی کار می کند. اگرچه این روش تنها مقدار کمی نیروی رانش تولید می کند، اما بسیار کارآمد است و می توان آن را در مدت زمان طولانی حفظ کرد. با این حال، هنوز ثابت نشده است که آیا می توان این نوع پیشرانه را برای وسایل نقلیه بزرگتر مانند هواپیما افزایش داد یا خیر.

سیستم های پشتیبانی از زندگی و یکپارچگی ساختاری

فضا خلأ خالی از هوا و اکسیژن است که بقای بشریت را با چالش های متعددی مواجه می کند. برای اینکه یک هواپیما در فضا پرواز کند، باید به یک سیستم پشتیبانی حیات مجهز باشد که هوای قابل تنفس را فراهم می کند و دی اکسید کربن را حذف می کند. همچنین برای جلوگیری از قرار گرفتن خدمه در معرض اثرات مضر خلاء، باید فشار وارد شود.

علاوه بر این، دماها و تشعشعات شدید در فضا می تواند به ساختار خودرو آسیب برساند. فضاپیماها برای محافظت در برابر این خطرات به مواد و محافظ خاصی مجهز شده اند. هواپیمایی که برای سفرهای فضایی در نظر گرفته شده است باید یکپارچگی ساختاری مشابهی داشته باشد تا در برابر سختی های محیط فضایی مقاومت کند.

اگرچه بعید به نظر می رسد که یک هواپیمای معمولی به فضا پرواز کند، اما پیشرفت در فناوری و مهندسی می تواند به طور بالقوه این امکان را در آینده فراهم کند. دانشمندان و مهندسان به تحقیق در مورد روش‌های جدید رانش، سیستم‌های پشتیبانی حیات و موادی ادامه می‌دهند که به هواپیما اجازه می‌دهد جو زمین را ترک کند.

چالش های ورود و ورود مجدد به اتمسفر

حتی اگر یک هواپیما بتواند به اعماق فضا برسد، برای ورود مجدد به جو زمین با چالش های بزرگی روبرو خواهد شد. ورود به اتمسفر مرحله مهمی از سفر فضایی است که در آن یک وسیله نقلیه باید گرمای شدید را تحمل کند، سرعت خود را به سرعت کاهش دهد و پایداری خود را حفظ کند.

در هنگام ورود مجدد، یک وسیله نقلیه به سرعتی تا 25 برابر سرعت صوت می رسد و باعث اصطکاک شدید با جو و گرمای شدید می شود. به دلیل طراحی آیرودینامیکی، هواپیماهای معمولی برای تحمل دمای بالایی که در طول این فرآیند ایجاد می شود، مجهز نیستند.

سیستم های حفاظت حرارتی

فضاپیماهایی که برای ورود به جو زمین طراحی شده اند، مانند شاتل فضایی، دارای سیستم های حفاظت حرارتی منحصر به فرد (TPS) برای کاهش اثرات گرما هستند. این سیستم ها اغلب از موادی مانند کاشی های سرامیکی یا کامپوزیت های کربنی مقاوم در برابر حرارت ساخته می شوند. این مواد به طور خاص برای مقاومت در برابر دمای شدید ورود مجدد طراحی شده اند.

برای اینکه هواپیما بتواند با موفقیت وارد جو شود و دوباره وارد اتمسفر شود، باید مجهز به TPS باشد که گرما را دفع کند و هواپیما را از آسیب های ساختاری محافظت کند. TPS باید سبک وزن و در عین حال قوی باشد تا هواپیما حتی تحت نیروهای آیرودینامیکی قوی پایدار و قابل کنترل باقی بماند.

چالش های آیرودینامیکی

در هنگام ورود مجدد، یک وسیله نقلیه باید با نیروهای آیرودینامیکی نیز مقابله کند که می تواند باعث ناپایداری و از دست دادن کنترل شود. شکل و طراحی هواپیما نقش مهمی در کاهش این نیروها و اطمینان از فرود ایمن دارد.

فضاپیماهایی که برای ورود مجدد طراحی شده‌اند، اغلب دارای اشکال منحصربه‌فردی هستند، مانند بدنه صاف یا بدنه شناور، که به حفظ ثبات و کنترل در هنگام فرود کمک می‌کند. این طرح‌ها گرما را به طور یکنواخت در سطح خودرو توزیع می‌کنند و شناوری لازم برای کاهش سرعت پایین آمدن را فراهم می‌کنند.

هواپیمایی که برای سفر فضایی در نظر گرفته شده است باید از نظر آیرودینامیکی هم برای پرواز فضایی و هم برای ورود به جو بهینه شود. باید بتواند بین خلاء فضا و جو متراکم بدون از دست دادن ثبات و کنترل سوئیچ کند.

دیپلم

اگرچه ممکن است خود یک هواپیمای سنتی برای سفر فضایی مناسب نباشد، ایده پرواز هواپیما به فضا کاملاً غیر منطقی نیست. به لطف پیشرفت در سیستم های رانش، فناوری پشتیبانی از حیات و مصالح ساختمانی، این امکان وجود دارد که یک هواپیما روزی جو زمین را ترک کند. با این حال، چالش‌های ورود و ورود مجدد جو باید برطرف شود، که نیازمند راه‌حل‌های نوآورانه مانند سیستم‌های حفاظت حرارتی تخصصی و طراحی‌های آیرودینامیکی است. از آنجایی که دانشمندان و مهندسان همچنان مرزهای اکتشافات فضایی را پیش می برند، امکان وجود یک هواپیما در فضا می تواند به واقعیت تبدیل شود.