به نقل از فارس، وقتی یک کلاهک قاره پیما پس از طی هزاران کیلومتر مسیر به سمت هدف بازمی گردد، با یکی از شدیدترین محیط های حرارتی قابل تصور در مهندسی هوافضا روبه رو می شود. در مرحله ورود مجدد، سرعت کلاهک به چندین برابر سرعت صوت می رسد و هوای مقابل آن به شدت فشرده و گرم می شود. در نتیجه، در ناحیه جلوی کلاهک دما به چند هزار درجه سانتی گراد می رسد و شرایطی ایجاد می شود که بدون سامانه های حفاظت حرارتی، نابودی سازه اجتناب ناپذیر خواهد بود.

برای درک بهتر این موضوع می توان مسیر یک کلاهک قاره پیما مانند کلاهک موشک هواسونگ-17 را در نظر گرفت. پس از پایان کار موتور های موشک، کلاهک در خارج از جو مسیر خود را ادامه می دهد. سپس در مرحله نهایی مأموریت، با سرعت بسیار بالا وارد لایه های متراکم جو زمین می شود. در این لحظه شدیدترین بار های حرارتی و آیرودینامیکی به کلاهک وارد می شود و بقای آن تا رسیدن به هدف کاملاً به عملکرد سامانه حفاظت حرارتی وابسته است.

راه حل کلاسیک و اثبات شده برای عبور از این محیط خشن، استفاده از سپر های حرارتی فداشونده (Ablative Heat Shield) است. برخلاف تصور عمومی، این سپر ها گرما را دفع نمی کنند؛ بلکه با مصرف تدریجی خود، انرژی حرارتی را جذب می کنند. لایه های بیرونی سپر در اثر حرارت تجزیه، ذوب یا تبخیر می شوند و در این فرایند بخش بزرگی از انرژی گرمایی را با خود حمل می کنند. به همین دلیل، دمای لایه های داخلی و محموله اصلی در محدوده قابل تحمل باقی می ماند( به تصویر اصلی خبر توجه کنید).

اساس این فناوری بر قوانین ترمودینامیک و انتقال حرارت استوار است. موادی مانند رزین های فنولیک، کامپوزیت های کربن-فنولیک و سایر مواد سایشی، هنگام قرار گرفتن در معرض شار حرارتی شدید، دچار تجزیه کنترل شده می شوند. این فرآیند گرماگیر بوده و باعث کاهش انتقال حرارت به سازه اصلی می شود. به همین دلیل سپر های فداشونده دهه هاست که در کپسول های فضایی، وسایل ورود مجدد و کلاهک های بالستیک مورد استفاده قرار می گیرند.

در سامانه های پیشرفته، سپر فداشونده تنها بخش حفاظت حرارتی نیست. در نقاط حساس مانند دماغه و لبه های آیرودینامیکی، از مواد فوق دما (Ultra High Temperature Ceramics یا UHTC) و کامپوزیت های کربنی استفاده می شود. این مواد وظیفه متفاوتی دارند؛ آنها به جای مصرف شدن، شکل آیرودینامیکی و استحکام سازه را در دما های بسیار بالا حفظ می کنند. به همین دلیل در بسیاری از طراحی ها، سپر های فداشونده و مواد فوق دما مکمل یکدیگر هستند و نه جایگزین هم.

در سال های اخیر، وسایل گلاید هایپرسونیک (HGV) نیز توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. این سامانه ها پس از ورود به جو، برخلاف کلاهک های بالستیک معمولی، قادر به سرش (Glide) و انجام مانور هستند. همین ویژگی باعث می شود زمان بیشتری را در محیط گرم جو سپری کنند و در نتیجه چالش های حرارتی آنها پیچیده تر از کلاهک های بالستیک کلاسیک باشد. به همین دلیل طراحی حفاظت حرارتی برای HGV ها معمولاً نیازمند ترکیبی از سپر های سایشی، مواد فوق دما و راهکار های پیشرفته آیرودینامیکی است.

موشک فتاح 2 به یک سرجنگی گلایدکننده (HGV) مجهز است. همچنین منابع رسمی داخلی از قابلیت گلاید، مانورپذیری و تغییر مسیر این سرجنگی سخن گفته اند؛ بنابراین می توان گفت که طبق توصیف رسمی منتشر شده، مکانیزم اعلام شده برای فتاح 2 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 بهره گیری از سامانه های حفاظت حرارتی امکان پذیر نیست. به همین دلیل، موفقیت در بازگردانی محموله ها یا کپسول های فضایی نشان دهنده دستیابی به بخشی از دانش ورود مجدد، تحلیل گرمایش آیرودینامیکی و طراحی سپر های حرارتی است.

در نهایت، اگر کشوری به فناوری سپر های 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، سپر های فداشونده همچنان یکی از مهم ترین فناوری های هوافضایی به شمار می روند؛ فناوری ای که از کپسول های فضایی گرفته تا کلاهک های برد بلند، نقش حیاتی در عبور از جهنم حرارتی ورود مجدد به جو ایفا می کند.

نکته مهم این است که در یک کلاهک بالستیک بدون مانور، مشابه آنچه برای کلاهک های قاره پیما در نظر گرفته می شود، ترکیب سپر حرارتی فداشونده و مواد مقاوم دمای بالا می تواند عامل اصلی بقای کلاهک در مرحله ورود مجدد باشد. سپر فداشونده با جذب و دفع بخش عمده انرژی حرارتی از طریق سایش و تجزیه کنترل شده، بار حرارتی وارد بر سازه را کاهش می دهد؛ در حالی که مواد فوق دما و کامپوزیت های پیشرفته مورد استفاده در وسایل هایپرسونیک، شکل آیرودینامیکی و استحکام نقاط حساس سازه را حفظ می کنند.

این ترکیب باعث می شود 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 هم زمان از سپر های فداشونده و مواد مقاوم دمای بالا، یکی از اصول بنیادین طراحی وسایل ورود مجدد و کلاهک های برد بلند محسوب می شود.

ترکیب سپر فداشونده و مواد مقاوم دمای بالا از نوع مورد استفاده در سامانه های هایپرسونیک، یک راهکار اثبات شده برای محافظت از کلاهک در مرحله ورود مجدد به جو محسوب می شود. با توجه به دستاورد های ایران در حوزه حفاظت حرارتی، وسایل ورود مجدد به جو زمین در فعالیت های فضایی و کلاهک های هایپرسونیک، می توان گفت بخش مهمی از چالش حرارتی چنین مأموریتی قابل مدیریت است. این صحبت صرفاً نظری نیست؛ بلکه با موفقیت بازیابی کپسول زیستی 500 کیلوگرمی ایران در آذر 1402 که مجهز به سامانه سپر حرارتی و سامانه فناشونده بود، پرتاب و بازگشت موفق کپسول های زیستی پیشین مانند میمون فضایی در سال 1392 و همچنین طراحی نسل جدید کپسول های بازگشت پذیر برای آزمایش های زیستی مداری و کاوشگر پیشگام به صورت عملی به اثبات رسیده است؛ بنابراین از دیدگاه رفع مشکل حرارت زیاد، فناوری های موجود می توانند از ذوب شدن یا متلاشی شدن یک کلاهک بالستیک بدون مانور در شرایطی مشابه کلاهک های قاره پیما مانند هواسانگ 17 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 قاره پیما تفاوت قابل توجهی وجود دارد. کلاهک های قاره پیما با سرعت بسیار بیشتری وارد جو می شوند و در نتیجه با بار های حرارتی و آیرودینامیکی شدیدتری مواجه هستند؛ بنابراین موفقیت در بازگردانی کپسول های فضایی به تنهایی به معنای اثبات کامل عملکرد در شرایط یک کلاهک قاره پیما نیست.

با این حال، این دستاورد ها نشان دهنده دستیابی به بخش مهمی از دانش طراحی سپر های فداشونده، تحلیل گرمایش ورود مجدد، مواد مقاوم دمای بالا و فناوری وسایل بازگشت پذیر هستند. از این رو می توان گفت که در صورت برخورداری از طراحی مناسب و انجام آزمون های 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 دستاورد های اعلام شده ایران در حوزه فناوری های ورود مجدد، حفاظت حرارتی و سامانه های هایپرسونیک، می توان ارزیابی کرد که زیرساخت های علمی و فنی لازم برای توسعه سپر های فداشونده متناسب با مأموریت های پیشرفته مانند هواسونگ-17 حد قابل توجهی فراهم شده است.