موشک سایوز-FG یک نسخه بهبودیافته از خانواده موشکهای سایوز است که از سال ۲۰۰۱ تا ۲۰۱۹ به عنوان اصلیترین پرتابگر برای مأموریتهای سرنشیندار به ایستگاه فضایی بینالمللی (ISS) استفاده شد. موشک با ارتقای موتورهای مرحله اول و دوم (RD-107A و RD-108A) نسبت به سایوز-U، کارایی بالاتر و ایمنی بیشتری ارائه داد و در مجموع ۷۰ پرتاب انجام داد. سایوز-FG بخشی از خانواده R-7 است که ریشه در موشکهای بالستیک بینقارهای شوروی دارد و توسط مرکز فضایی پیشرفت در سامارا روسیه ساخته میشد. این موشک با قابلیت حمل فضاپیماهای سایوز TMA، TMA-M و MS، تنها وسیله پرتاب سرنشیندار روسیه در دوره پس از بازنشستگی شاتل فضایی آمریکا بود و نقش کلیدی در حفظ حضور مداوم انسان در مدار داشت. آخرین پرتاب آن در ۲۵ سپتامبر ۲۰۱۹ با مأموریت سایوز MS-15 انجام شد و پس از آن با سایوز-۲ جایگزین گردید.
موشک سایوز-FG چیست؟
موشک سایوز-FG یک پرتابگر متوسط سهمرحلهای با چهار بوستر جانبی است که از سوخت کراسین (RP-1) و اکسیژن مایع (LOX) استفاده میکند و ارتفاع آن حدود ۴۹.۵ متر و قطر حداکثر ۱۰.۳ متر است. این موشک با وزن پرتاب حدود ۳۱۰ تن، قادر به حمل محموله تا ۸۳۰۰ کیلوگرم به مدار پایین زمین (LEO) است و طراحی آن بر پایه خانواده R-7 با بیش از ۱۹۰۰ پرتاب موفق در تاریخ است. سایوز-FG به عنوان نسخه انتقالی بین سایوز-U قدیمی و سایوز-۲ دیجیتال ساخته شد و موتورهای بهبودیافته آن تزریقکنندههای تکجزئی داشتند. موشک سایوز-FG برای پرتاب از پایگاه بایکونور قزاقستان طراحی شده بود و با سیستم فرار اضطراری (LAS) برای حفاظت از فضانوردان مجهز بود. سایوز-FG نماد قابلیت اطمینان خانواده سایوز است که بیش از ۶۰ سال در خدمت فضانوردی بوده است.
چرا سایوز-FG یکی از مطمئنترین موشکهای تاریخ است؟
موشک سایوز-FG با نرخ موفقیت ۹۸.۶ درصد (۶۹ موفقیت از ۷۰ پرتاب) یکی از مطمئنترین پرتابگرهای تاریخ فضانوردی به شمار میرود. تنها شکست آن در اکتبر ۲۰۱۸ به دلیل سنسور معیوب در جدا شدن بوستر بود که سیستم فرار اضطراری آن فضانوردان را نجات داد. قابلیت اطمینان نتیجه طراحی ساده، افزونگی سیستمها و بیش از ۱۹۰۰ پرتاب خانواده R-7 است که تجربه عملیاتی عظیمی فراهم کرده است. در دوره خدمت موشک سایوز-FG، هیچ حادثه مرگباری برای سرنشینان رخ نداد و سیستم ایمنی آن در شکست ۲۰۱۸ با موفقیت عمل کرد. این رکورد آن را به گزینه اصلی برای مأموریتهای سرنشیندار ISS تبدیل کرد.
جایگاه سایوز-FG در خانواده موشکهای سایوز
موشک سایوز-FG جایگاه انتقالی در خانواده سایوز دارد که از R-7 اولیه (۱۹۵۷) تا سایوز-۲ مدرن تکامل یافته است. این نسخه پس از سایوز-U (با بیش از ۷۸۶ پرتاب) آمد و با موتورهای RD-107A/108A بهبودیافته، پلی بین سیستمهای آنالوگ قدیمی و دیجیتال سایوز-۲ بود. سایوز-FG برای مأموریتهای سرنشیندار بهینه شد و از ۲۰۰۲ تا ۲۰۱۹ همه پرتابهای انسانی روسیه را انجام داد. در خانواده سایوز، FG پس از U و قبل از سایوز-۲ قرار میگیرد و ارتقاهای آن مانند تزریقکنندههای جدید بعداً در سایوز-۲ استفاده شد. این جایگاه آن را به یکی از موفقترین نسخههای خانواده تبدیل کرد.
ساختار کلی موشک سایوز-FG شامل چهار بوستر جانبی (مرحله اول)، هسته مرکزی (مرحله دوم) و مرحله سوم است که بدنه آن از آلیاژهای آلومینیوم سبک ساخته شده و ارتفاع کل ۴۹.۵ متر با قطر ۱۰.۳ متر در پایه است. طراحی بدنه به شکل خوشهای با بوسترهای مخروطی اطراف هسته، توزیع وزن بهینه و پایداری آیرودینامیکی فراهم میکند. فیرینگ محموله با قطر ۳.۷ متر برای حفاظت از فضاپیما استفاده میشود. بدنه با رنگ سفید و سبز برای کاهش حرارت خورشیدی پوشش داده میشود.
مرحله اول سایوز-FG و بوسترهای جانبی
مرحله اول موشک سایوز-FG شامل چهار بوستر جانبی است که هر کدام با موتور RD-107A مجهز شده و در لحظه پرتاب همزمان با هسته روشن میشوند. این بوسترها حدود ۱۱۸ ثانیه میسوزند و رانش اولیه حدود ۸۳۹ کیلونیوتن در هر کدام فراهم میکنند تا موشک از جاذبه زمین رها شود. پس از جدایی، هسته مرکزی ادامه میدهد و بوسترها با چتر فرود میآیند. این طراحی خوشهای رانش اولیه بالا و پایداری عالی ایجاد میکند. بوسترها با طول حدود ۱۹ متر و وزن سوخت ۳۹ تن، بخش عمده رانش اولیه را تأمین میکنند.
مرحله دوم و موتور RD-108
مرحله دوم موشک سایوز-FG هسته مرکزی است که با موتور RD-108A کار میکند و چهار محفظه اصلی بدون ورنیه دارد و رانش دریایی ۷۹۲ کیلونیوتن و در خلأ ۹۹۰ کیلونیوتن تولید میکند. این مرحله حدود ۲۸۶ ثانیه میسوزد و موشک را به ارتفاع بالا میرساند. RD-108A با تزریقکنندههای بهبودیافته، کارایی بالاتر و لرزش کمتر دارد و نقش کلیدی در رسیدن به سرعت مداری دارد. هسته مرکزی با طول حدود ۲۸ متر و وزن سوخت ۹۰ تن، رانش مداوم فراهم میکند. این مرحله با سیستم جدایی گرم، مرحله سوم را فعال میکند. RD-108A با فشار محفظه مشابه RD-107، هماهنگی کامل با بوسترها دارد.
مرحله سوم و رساندن محموله به مدار
مرحله سوم سایوز-FG با موتور RD-0110 کار میکند که رانش خلأ ۲۹۸ کیلونیوتن دارد و برای رساندن دقیق محموله به مدار پایین زمین استفاده میشود. این مرحله پس از جدایی مرحله دوم روشن میشود و تزریق نهایی به مدار را انجام میدهد. در مأموریتهای سرنشیندار، مرحله سوم فضاپیما سایوز را به مدار ISS میرساند و دقت آن ضروری است. مرحله سوم با زمان سوزش حدود ۲۵۰ ثانیه، سرعت نهایی مداری را فراهم میکند. این مرحله با وزن سوخت حدود ۲۵ تن، محموله را به ارتفاع ۲۰۰ کیلومتر میرساند.
موتور RD-107 و نقش آن در پرتاب
موتور RD-107 یکی از اجزای کلیدی خانواده موشکهای R-7 است که برای اولین بار در دهه ۱۹۵۰ توسعه یافت. در نسخه سایوز-FG، از موتور بهبودیافته RD-107A استفاده شد که تفاوت اصلی آن در طراحی سر تزریقکننده بود. در موتورهای قدیمیتر مانند RD-107، از حدود ۲۶۰ تزریقکننده دوجزئی استفاده میشد، اما در RD-107A بیش از ۱۰۰۰ تزریقکننده تکجزئی به کار گرفته شد. تغییر باعث اختلاط بهتر سوخت و اکسیدکننده، احتراق کاملتر، کاهش ارتعاشات فرکانس بالا در محفظه احتراق و افزایش ضربه ویژه (specific impulse) به میزان حدود ۵ ثانیه (معادل ۵ درصد بهبود) گردید.
هر بوستر جانبی سایوز-FG مجهز به یک موتور RD-107A است که چهار محفظه احتراق اصلی و دو ورنیه (برای کنترل جهت) دارد، اما همه توسط یک توربوپمپ تغذیه میشوند. رانش هر موتور در سطح دریا حدود ۸۳۹ کیلونیوتن است. چهار بوستر با هم رانش اولیه حدود ۴۱۵۰ کیلونیوتن فراهم میکنند که موشک را از سکوی پرتاب بلند میکند.
نقش RD-107A در پرتاب حیاتی است زیرا مرحله اول بیشترین رانش را تأمین میکند و موشک را تا ارتفاع حدود ۵۰ کیلومتری و سرعت ماخ ۵ میرساند. بهبود در این موتور اجازه داد ظرفیت حمل محموله سایوز-FG نسبت به سایوز-U حدود ۲۵۰ تا ۳۰۰ کیلوگرم افزایش یابد. موتورها با سوخت کربن و اکسیژن مایع کار میکنند و زمان سوختن مرحله اول حدود ۱۲۰ ثانیه است. پس از جدایش بوسترها، مرحله مرکزی با موتور مشابه RD-108A ادامه میدهد.
سیستم هدایت و کنترل پرواز موشک سایوز-FG
سیستم هدایت و کنترل سایوز-FG بر پایه سیستم آنالوگ قدیمی توسعهیافته در دهه ۱۹۶۰ بود که توسط دفتر طراحی ویژه پولیسویت (Polisvit Special Design Bureau) در اوکراین ساخته شده بود. سیستم شامل کامپیوترهای آنالوگ، ژیروسکوپها و سنسورهای مکانیکی بود که مسیر پرواز را کنترل میکرد. برخلاف سایوز-۲ که از سیستم دیجیتال کامل استفاده میکند، سایوز-FG سیستم آنالوگ را حفظ کرد تا قابلیت اطمینان برای مأموریتهای سرنشیندار حداکثر شود. این سیستم اجازه تنظیم مسیر در حین پرواز را محدود میکرد و نیاز به چرخاندن سکوی پرتاب برای تنظیم آزیموت داشت.
سیستم هدایت شامل تشخیص خودکار خطاها مانند جدایش زودرس مراحل یا کاهش فشار محفظه احتراق بود. در پرتابهای سرنشیندار، این سیستم با سامانه فرار اضطراری (LAS) یکپارچه بود تا در صورت تشخیص خطر، کپسول را جدا کند. محدودیت سیستم آنالوگ یکی از دلایل اصلی بازنشستگی سایوز-FG بود، زیرا سایوز-۲ با کنترل دیجیتال دقت بالاتر، انعطافپذیری بیشتر و امکان استفاده از فیرینگ بزرگتر را فراهم میکند.
سامانههای ایمنی و فرار اضطراری فضانوردان
یکی از برجستهترین ویژگیهای سایوز-FG، سامانه فرار اضطراری (Launch Escape System یا SAS) است که در بالای کپسول سایوز نصب میشود. سامانه شامل موتورهای سوخت جامد قدرتمند است که میتواند کپسول را در عرض چند ثانیه از موشک جدا کند و به فاصله امن برساند. SAS در تمام مراحل پرتاب تا حدود ۱۱۵ ثانیه پس از بلند شدن فعال است. در صورت تشخیص خطر (مانند آتشسوزی، انفجار یا از دست دادن کنترل) توسط سیستم خودکار یا کنترل زمینی، موتورها روشن میشوند و کپسول را با شتاب بالا (تا ۱۴-۱۷ g) دور میکنند.
سپس چترها باز میشوند و کپسول فرود میآید. سامانه چندین بار جان فضانوردان را نجات داد، مانند در پرتاب سایوز T-10-1 در ۱۹۸۳ (آتشسوزی روی سکو) و سایوز MS-10 در ۲۰۱۸ (خرابی سنسور در جدایش بوستر). در MS-10، SAS به طور خودکار فعال شد و فضانوردان نیک هیگ و الکسی اوچینین را نجات داد. این تنها شکست سایوز-FG بود، اما سامانه ایمنی کار کرد. سایر ویژگیهای ایمنی شامل تشخیص خودکار خطاها، جدایش اضطراری مراحل و سیستم فرود بالستیک است. سایوز-FG به دلیل این سامانهها یکی از امنترین موشکهای سرنشیندار تاریخ محسوب میشود.
ظرفیت حمل محموله موشک سایوز-FG
ظرفیت موشک سایوز-FG به مدار پایین زمین (LEO) حدود ۷۲۰۰ کیلوگرم بود، که نسبت به سایوز-U حدود ۳۰۰ کیلوگرم افزایش داشت. برای مأموریتهای سرنشیندار، معمولاً فضاپیمای سایوز (حدود ۷۲۰۰ کیلوگرم) حمل میکرد که شامل کپسول descent، service module و orbital module بود.
برای مأموریتهای بدون سرنشین، مانند پرتاب Progress، ظرفیت مشابه بود. در برخی پرتابها با مرحله بالایی Fregat، ظرفیت به مدارهای بالاتر افزایش مییافت و امکان پرتاب ماهوارههای تجاری مانند Globalstar یا Mars Express فراهم میشد. شرکت Starsem (همکاری اروپایی-روسی) از سایوز-FG/Fregat برای ۱۰ پرتاب تجاری استفاده کرد.
ارتفاع و مدار قابل دستیابی توسط سایوز-FG
سایوز-FG عمدتاً برای مدار پایین زمین (LEO) طراحی شده بود و مدار استاندارد ISS (ارتفاع ۳۵۰-۴۵۰ کیلومتر، شیب ۵۱.۶ درجه) را هدف قرار میداد. زمان رسیدن به مدار حدود ۹ دقیقه پس از پرتاب بود. با مرحله استاندارد، مدارهای دایرهای تا ارتفاع ۴۰۰ کیلومتر قابل دستیابی بود. با استفاده از مرحله بالایی Fregat، مدارهای بالاتر مانند خورشید-همگام (SSO)، انتقال به مدار زمینثابت (GTO) یا حتی مدارهای فرار (مانند مأموریت Mars Express) ممکن میشد.
برای پرتابهای سرنشیندار، پروفایل پرواز معمولاً مدار اولیه ۲۰۰x۲۴۲ کیلومتر بود، سپس فضاپیما خود را به ISS میرساند. سایوز-FG انعطافپذیری خوبی برای مدارهای شیبدار داشت، اما محدودیت سیستم آنالوگ مانع پرتاب به مدارهای خاص بدون تنظیم سکو میشد.
پایگاههای پرتاب موشک سایوز-FG
پرتابهای سایوز-FG عمدتاً از پایگاه بایکونور در قزاقستان انجام میشد. برای مأموریتهای سرنشیندار، از سایت ۱/۵ (معروف به Gagarin’s Start) استفاده میشد که همان سکویی است که یوری گاگارین از آن پرتاب شد. آخرین پرتاب سایوز-FG از این سایت بود. برای پرتابهای بدون سرنشین یا ماهوارهای، سایت ۳۱/۶ در بایکونور استفاده میشد. سایوز-FG از پایگاه پلستسک (Plesetsk) در روسیه شمالی پرتاب نشد، زیرا آن پایگاه برای مدارهای قطبی مناسبتر است و سایوز-FG بیشتر برای مدار ISS (شیب پایین) به کار میرفت.
موشک سایوز-FG در مجموع ۷۰ پرتاب داشت، از اولین پرتاب در ۲۰ می ۲۰۰۱ (Progress M1-6) تا آخرین در ۲۵ سپتامبر ۲۰۱۹ (Soyuz MS-15). از این تعداد، ۶۹ پرتاب موفق بود و تنها یک شکست در ۱۱ اکتبر ۲۰۱۸ با Soyuz MS-10 رخ داد که به دلیل خرابی سنسور در جدایش بوستر بود.
