موشک بالستیک ۱۳۰۰۰ کیلومتری؛ گامی به‌سوی موشک اتمی فراقاره‌ای ایران

اساس این فناوری بر قوانین ترمودینامیک و انتقال حرارت استوار است. موادی مانند رزین‌های فنولیک، کامپوزیت‌های کربن-فنولیک و سایر مواد سایشی، هنگام قرار گرفتن در معرض شار حرارتی شدید، دچار تجزیه کنترل‌شده می‌شوند. این فرآیند گرماگیر بوده و باعث کاهش انتقال حرارت به سازه اصلی می‌شود.

به همین دلیل سپرهای فداشونده دهه‌هاست که در کپسول‌های فضایی، وسایل ورود مجدد و کلاهک‌های بالستیک مورد استفاده قرار می‌گیرند.در سامانه‌های پیشرفته، سپر فداشونده تنها بخش حفاظت حرارتی نیست.

در نقاط حساس مانند دماغه و لبه‌های آیرودینامیکی، از مواد فوق‌دما (Ultra High Temperature Ceramics یا UHTC) و کامپوزیت‌های کربنی استفاده می‌شود. این مواد وظیفه متفاوتی دارند؛ آن‌ها به جای مصرف شدن، شکل آیرودینامیکی و استحکام سازه را در دماهای بسیار بالا حفظ می‌کنند.

به همین دلیل در بسیاری از طراحی‌ها، سپرهای فداشونده و مواد فوق‌دما مکمل یکدیگر هستند و نه جایگزین هم.در سال‌های اخیر، وسایل گلاید هایپرسونیک (HGV) نیز توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. این سامانه‌ها پس از ورود به جو، برخلاف کلاهک‌های بالستیک معمولی، قادر به سرش (Glide) و انجام مانور هستند. همین ویژگی باعث می‌شود زمان بیشتری را در محیط گرم جو سپری کنند و در نتیجه چالش‌های حرارتی آن‌ها پیچیده‌تر از کلاهک‌های بالستیک کلاسیک باشد.

به همین دلیل طراحی حفاظت حرارتی برای HGVها معمولاً نیازمند ترکیبی از سپرهای سایشی، مواد فوق‌دما و راهکارهای پیشرفته آیرودینامیکی است.

موشک فتاح ۲ به یک سرجنگی گلایدکننده (HGV) مجهز است. همچنین منابع رسمی داخلی از قابلیت گلاید، مانورپذیری و تغییر مسیر این سرجنگی سخن گفته‌اند. بنابراین می‌توان گفت که طبق توصیف رسمی منتشر شده، مکانیزم اعلام‌شده برای فتاح ۲ با مفهوم HGV همخوانی دارد.موضوع مهم دیگر، ارتباط فناوری فضایی و فناوری ورود مجدد است. بازگرداندن سالم یک کپسول فضایی از جو زمین بدون بهره‌گیری از سامانه‌های حفاظت حرارتی امکان‌پذیر نیست.

به همین دلیل، موفقیت در بازگردانی محموله‌ها یا کپسول‌های فضایی نشان‌دهنده دستیابی به بخشی از دانش ورود مجدد، تحلیل گرمایش آیرودینامیکی و طراحی سپرهای حرارتی است. در نهایت، اگر کشوری به فناوری سپرهای فداشونده، مواد مقاوم دمای بالا و طراحی وسایل ورود مجدد دست یافته باشد، بخش مهمی از مسئله بقای کلاهک در مرحله ورود مجدد به جو را حل کرده است. به همین دلیل، سپرهای فداشونده همچنان یکی از مهم‌ترین فناوری‌های هوافضایی به شمار می‌روند؛ فناوری‌ای که از کپسول‌های فضایی گرفته تا کلاهک‌های برد بلند، نقش حیاتی در عبور از جهنم حرارتی ورود مجدد به جو ایفا می‌کند.

نکته مهم این است که در یک کلاهک بالستیک بدون مانور، مشابه آنچه برای کلاهک‌های قاره‌پیما در نظر گرفته می‌شود، ترکیب سپر حرارتی فداشونده و مواد مقاوم دمای بالا می‌تواند عامل اصلی بقای کلاهک در مرحله ورود مجدد باشد. سپر فداشونده با جذب و دفع بخش عمده انرژی حرارتی از طریق سایش و تجزیه کنترل‌شده، بار حرارتی وارد بر سازه را کاهش می‌دهد؛ در حالی که مواد فوق‌دما و کامپوزیت‌های پیشرفته مورد استفاده در وسایل هایپرسونیک، شکل آیرودینامیکی و استحکام نقاط حساس سازه را حفظ می‌کنند.

این ترکیب باعث می‌شود کلاهک بتواند در برابر گرمایش شدید ورود مجدد مقاومت کرده و بدون ذوب شدن یا متلاشی شدن ناشی از حرارت، تا رسیدن به هدف به مسیر خود ادامه دهد. به همین دلیل، استفاده هم‌زمان از سپرهای فداشونده و مواد مقاوم دمای بالا، یکی از اصول بنیادین طراحی وسایل ورود مجدد و کلاهک‌های برد بلند محسوب می‌شود.ترکیب سپر فداشونده و مواد مقاوم دمای بالا از نوع مورد استفاده در سامانه‌های هایپرسونیک، یک راهکار اثبات‌شده برای محافظت از کلاهک در مرحله ورود مجدد به جو محسوب می‌شود. با توجه به دستاوردهای ایران در حوزه حفاظت حرارتی، وسایل ورود مجدد به جو زمین در فعالیت‌های فضایی و کلاهک‌های هایپرسونیک، می‌توان گفت بخش مهمی از چالش حرارتی چنین مأموریتی قابل مدیریت است.

این صحبت صرفاً نظری نیست؛ بلکه با موفقیت بازیابی کپسول زیستی ۵۰۰ کیلوگرمی ایران در آذر ۱۴۰۲ که مجهز به «سامانه سپر حرارتی و سامانه فناشونده» بود ، پرتاب و بازگشت موفق کپسول‌های زیستی پیشین مانند «میمون فضایی» در سال ۱۳۹۲ و همچنین طراحی نسل جدید کپسول‌های بازگشت‌پذیر برای آزمایش‌های زیستی مداری و کاوشگر پیشگام به‌صورت عملی به اثبات رسیده است.

بنابراین از دیدگاه رفع مشکل حرارت زیاد، فناوری‌های موجود می‌توانند از ذوب شدن یا متلاشی شدن یک کلاهک بالستیک بدون مانور در شرایطی مشابه کلاهک‌های قاره‌پیما مانند هواسانگ ۱۷ جلوگیری کنند. در واقع با استفاده از سپر فداشونده و متریال کلاهک هایپرسونیک. البته از منظر علمی باید توجه داشت که میان بازگشت یک کپسول فضایی زیرمداری و ورود مجدد یک کلاهک قاره‌پیما تفاوت قابل توجهی وجود دارد. کلاهک‌های قاره‌پیما با سرعت بسیار بیشتری وارد جو می‌شوند و در نتیجه با بارهای حرارتی و آیرودینامیکی شدیدتری مواجه هستند.

بنابراین موفقیت در بازگردانی کپسول‌های فضایی به‌تنهایی به معنای اثبات کامل عملکرد در شرایط یک کلاهک قاره‌پیما نیست.با این حال، این دستاوردها نشان‌دهنده دستیابی به بخش مهمی از دانش طراحی سپرهای فداشونده، تحلیل گرمایش ورود مجدد، مواد مقاوم دمای بالا و فناوری وسایل بازگشت‌پذیر هستند.

از این رو می‌توان گفت که در صورت برخورداری از طراحی مناسب و انجام آزمون‌های لازم، بخش مهمی از چالش حرارتی مربوط به بقای یک کلاهک بالستیک بدون مانور در مرحله ورود مجدد به جو قابل مدیریت است. با توجه به سوابق و دستاوردهای اعلام‌شده ایران در حوزه فناوری‌های ورود مجدد، حفاظت حرارتی و سامانه‌های هایپرسونیک، می‌توان ارزیابی کرد که زیرساخت‌های علمی و فنی لازم برای توسعه سپرهای فداشونده متناسب با مأموریت‌های پیشرفته مانند هواسونگ-۱۷ حد قابل توجهی فراهم شده است.

توان پیشرانش معادل موشک اتمی شوروی با فناوری بومی

در تحلیل رانش موتورهای موشکی باید میان نوع مرحله، نوع سوخت، بوستر بودن و محیط کاری موتور تفاوت قائل شد. نصب یک موتور روی بوستر به‌خودی‌خود باعث کاهش رانش نمی‌شود؛ عامل اصلی تغییر رانش، فشار محیط و طراحی نازل است.مرحله اول موشک در جو متراکم کار می‌کند و نازل آن برای شرایط سطح دریا بهینه می‌شود، در حالی که مراحل بالاتر در جو رقیق یا خلأ فعالیت دارند و معمولاً از نازل‌های با نسبت انبساط بزرگ‌تر استفاده می‌کنند تا بازده بیشتری به دست آورند. به همین دلیل یک موتور معمولاً در خلأ رانش بیشتری نسبت به سطح دریا تولید می‌کند.این اصل هم برای موتورهای سوخت جامد و هم برای موتورهای سوخت مایع برقرار است.

با کاهش فشار محیط، عملکرد نازل در هر دو نوع موتور بهبود می‌یابد. با این حال موتورهای مایع به دلیل امکان طراحی پیشرفته‌تر، کنترل رانش و در برخی موارد نازل‌های قابل تنظیم، معمولاً در مراحل بالاتر و شرایط خلأ بازده بیشتری دارند. در مقابل، مزیت اصلی موتورهای جامد سادگی، آمادگی سریع و قابلیت نگهداری طولانی‌مدت است.برای مثال، اگر مرحله اول ۱۱۰۰ کیلونیوتن رانش داشته باشد و چهار بوستر کمکی نیز هر کدام ۱۱۰۰ کیلونیوتن رانش تولید کنند، رانش کل سامانه به حدود ۵۵۰۰ کیلونیوتن می‌رسد. این نشان می‌دهد که بوسترها برای افزایش رانش کل به کار می‌روند و صرف قرار گرفتن موتور روی بوستر موجب افت رانش نمی‌شود.

نمونه‌ای از این رویکرد در R-7 Semyorka دیده می‌شود که از یک هسته مرکزی و چهار بوستر جانبی استفاده می‌کرد. این طراحی نشان می‌دهد که عملکرد موتور بیش از هر چیز به تطابق نازل با محیط کاری وابسته است، نه محل نصب آن.در نتیجه، اگر یک موتور طراحی‌شده برای سطح دریا با رانش ۱۱۰۰ کیلونیوتن روی بوستری که در همان شرایط جوی کار می‌کند نصب شود، رانش آن تقریباً همان مقدار باقی خواهد ماند.

کاهش رانش زمانی رخ می‌دهد که طراحی نازل با شرایط محیطی موتور سازگار نباشد، نه صرفاً به دلیل بوستر بودن موتور.برآوردهای فنی نشان می‌دهد که رانش مرحله اول ماهواره‌بر سیمرغ حدود ۱۳۹۳ کیلونیوتن است؛ اما برای داشتن یک رویکرد محافظه‌کارانه در تحلیل‌ها، عدد ۱۱۰۰ کیلونیوتن را ملاک محاسبات قرار می‌دهیم. از سوی دیگر، با فرض عدم دستیابی ایران به فناوری کوچک‌سازی کلاهک هسته‌ای، وزن کلاهک یک موشک بالستیک قاره‌پیمای احتمالی، مشابه کلاهک‌های نسل اول شوروی ( R-7 Semyorka) ، حدود ۵ تن در نظر گرفته می‌شود. اگر موشک را به چهار بوستر جانبی (که هر یک ۱۱۰۰ کیلونیوتن رانش تولید می‌کنند) مجهز کنیم، مجموع نیروی پیشران در لحظه برخاست (شامل رانش مرحله مرکزی به‌علاوه ۴ بوستر) به ۵۵۰۰ کیلونیوتن خواهد رسید. بر اساس اصول مهندسی هوافضا، این میزان رانش برای پرتاب یک موشک بالستیک سنگین با «وزن کل برخاست» (وزن لحظه پرواز) حدود ۲۸۵ تن کاملاً کافی است و می‌تواند محموله‌ای شامل همان کلاهک ۵ تنی را با موفقیت حمل و پرتاب نماید.

از منظر علمی، کشوری که ماهواره‌برِ دو یا سه‌مرحله‌ای می‌سازد، همه‌ی فناوری پایه‌ی ساخت موشک قاره‌پیما (ICBM) را در اختیار دارد، چون هر دو در اصول پیشرانش، جدایش مراحل، هدایت اینرسی و آیرودینامیک یکی هستند.

ایران با پرتاب‌گرهایی مثل قاصد، قائم ۱۰۰، ذوالجناح، سیمرغ و سفیر این توانمندی را نشان داده است. تفاوتِ ماهواره‌بر با قاره‌پیما در کلاهک (مدارگرد در برابر کلاهک جنگی)، دقت (چند کیلومتر در برابر چندصد متر) و آمادگی عملیاتی است، که همگی چالش‌های مهندسی‌اند، نه موانع علمی. بنابراین، تبدیل ماهواره‌بر به قاره‌پیما یک تصمیم راهبردی است، نه یک جهش فناورانه‌ی جدید.

ناوبری اینرسی (INS)؛ دقتی که برای بازدارندگی کافی است

ساختار هدایت موشک‌های بالستیک دوربرد از سه لایه اصلی تشکیل شده: لایه اول، فاز میانی با سیستم ناوبری اینرسی (INS) است که بیش از ۹۰٪ مسیر را پوشش می‌دهد. این سیستم کاملاً مستقل است اما خطای آن برای برد ۱۳ هزار کیلومتر به ۵ تا ۱۰ کیلومتر می‌رسد که برای اهداف شهری قابل قبول است. لایه دوم، تصحیح میانی با ناوبری نجومی (دقت ۱۰۰ تا ۳۰۰ متر، مستقل و ضد پارازیت) یا ماهواره‌ای (سیستم چینی «بیدو» با دقت چند متر اما وابسته به چین) است. لایه سوم، جستجوگر راداری/تصویری در فاز پایانی (۵۰ تا ۱۰۰ کیلومتری هدف) است که با تصویربرداری سه‌بعدی، دقت را به زیر ۱۰ متر می‌رساند. برای بازدارندگی هسته‌ای (مثل تهدید محو واشنگتن)، همان لایه اول با دقت ۲.۵ کیلومتر کافی است و نیازی به دقت نقطه‌ای نیست.