Nowa technologia ciągu dla nanosatelitów może zwiększyć ich wydajność

Obraz startującej rakiety NASA

W 1964 roku Związek Radziecki wystrzelił statek kosmiczny o nazwie Zond 2 w kierunku Marsa. Jego misją było okrążenie Czerwonej Planety, sfotografowanie powierzchni, poszukiwanie śladów metanu w atmosferze i wypuszczenie statku do lądowania na powierzchni.

Ale kilka miesięcy po premierze kłopotliwy zasilacz Zond 2 uległ awarii. Sowieci stracili kontakt z rzemiosłem i nigdy więcej o nim nie słyszeli. Dziś misja jest w dużej mierze uważana za porażkę – jedną z wielu, jeśli chodzi o Marsa.

Ale Zond 2 miał inny cel. Statek kosmiczny został wyposażony w sześć rewolucyjnych silników do kontroli położenia. Urządzenia te, znane jako silniki odrzutowe plazmy, nigdy nie były używane w kosmosie. Ale podczas różnych testów po uruchomieniu Zond 2 udowodnił, że mogą działać.

Od tego czasu różne statki kosmiczne opierają się na tej formie napędu (i nieco innej formie przy użyciu silników jonowych). Silniki te mają znaczną przewagę nad konwencjonalnymi rakietami chemicznymi, ponieważ są prostsze, lżejsze i bardziej wydajne.

Są również znacznie mniejsze niż stery strumieniowe chemiczne. To sprawia, że ​​są przydatne dla twórców nanosatelitów – coraz powszechniejszych statków kosmicznych o masie poniżej 10 kilogramów, które często są niewiele większe niż kostka Rubika.

Ale silniki plazmowe nie są doskonałe. Przekształcenie pokładowego paliwa w plazmę i kontrolowanie jego przepływu może być trudnym zadaniem, które powoduje marnowanie energii, a czasem nawet uszkodzenie samego silnika. Dlatego znalezienie sposobów na ulepszenie silników plazmowych jest bardzo interesujące dla producentów małych satelitów.

Wchodzi Adam Patel i koledzy z Purdue University w West Lafayette w stanie Indiana. Ci goście wymyślili nowy projekt silnika plazmowego, równie małego jak jego poprzednicy, który ma potencjał, aby być jeszcze bardziej niezawodnym i wydajnym.

Najpierw trochę tła na temat paliwa, na którym opierają się silniki plazmowe. Większość używa stałego propelentu, takiego jak politetrafluoroetylen, inaczej znany jako teflon. Jest łatwy do przechowywania, ale aby można go było używać, należy go odparować, przepuszczając prąd przez powierzchnię.

Para jest następnie zapalana, tworząc rozgorzenie, które zamienia ją w plazmę. Plazma przechodzi następnie przez pole elektromagnetyczne, gdzie doświadcza przyspieszającej siły, która napędza statek kosmiczny w przeciwnym kierunku.

Problem polega na tym, że ta ablacja jest procesem typu „chybiony i chybiony”. Szybkość jest trudna do kontrolowania, co może powodować niejednorodność ciągu. Również powierzchnia teflonowa czasami pęka i wyrzuca zanieczyszczenia w postaci makrocząsteczek, które zakłócają pracę silnika.

Co więcej, zapalnik, który wyzwala proces rozgorzenia, może z czasem ulec uszkodzeniu. Wszystkie te problemy ostatecznie ograniczają wydajność silników plazmowych na paliwo stałe do mniej niż 15%.

Jednym ze sposobów obejścia tego jest przechowywanie propelentu jako gazu i kontrolowanie jego uwalniania za pomocą systemu wtrysku gazu. Zwiększa to sprawność silnika nawet o 70%. Ale te systemy są nieporęczne i złożone, a sam gaz ma znacznie większą objętość niż równoważna masa ciała stałego. To utrudnia wbudowanie w nanosatelitę.

Teraz Patel i spółka twierdzą, że mogą rozwiązać te problemy za pomocą ciekłego paliwa. Twierdzą, że zasilany cieczą impulsowy silnik plazmowy może potencjalnie przezwyciężyć kilka wad związanych z tradycyjnymi urządzeniami z impulsowym strumieniem plazmowym.

Rzeczywiście, zbudowali sprawdzony system mikronapędu zasilany cieczą i przetestowali go w komorze próżniowej. Jako propelent używają pentafenylotrimetylotrisiloksanu (C33H34O2Si3), lepkiej cieczy o niskiej prężności pary, która jest również doskonałym dielektrykiem.

Zespół zaprojektował również nowy niskoenergetyczny układ zapłonowy. Składa się z dwóch elektrod płytowych oddzielonych dielektrykiem. Działa poprzez zwiększenie napięcia na płytkach do wartości progowej, przy której dielektryk paruje i staje się plazmą.

W tym przypadku dielektrykiem jest ciekły gaz pędny. Plazma następnie wchodzi w pola elektromagnetyczne, gdzie przyspiesza.

Zaletą tego rodzaju zapalnika jest to, że napięcie progowe jest zawsze takie samo, a więc ilość energii potrzebnej do rozgorzenia jest zawsze ograniczona. Ogranicza to z czasem potencjalne uszkodzenie zespołu rozgorzenia.

W testach Patel i spółka użyli zapalnika do ponad 1,5 miliona rozgorzeń bez zaobserwowania jakichkolwiek znaczących uszkodzeń urządzenia. Inne projekty mogą czasem zawieść po zaledwie 400 cyklach wypalania.

Patel i spółka zmierzyli prędkość wylotu plazmy z prędkością 32 kilometrów na sekundę. To pozwoliło im obliczyć, że silnik wytwarza przyzwoity ciąg do 5,8 N.

To solidny pierwszy krok w kierunku lepszych systemów mikronapędowych dla nanosatelitów.

Jednak przed nami dalsze prace rozwojowe. Jednym z ważnych zadań będzie zaprojektowanie i zbudowanie prostego systemu podawania płynów, który będzie działał niezawodnie w warunkach zerowej grawitacji. W tych eksperymentach naukowcy wstrzyknęli płyn do zapalnika ręcznie za pomocą strzykawki.

Nietrudno sobie wyobrazić, jak można to zautomatyzować, ale ciecze są notorycznie trudne do kontrolowania w zerowej gramaturze. Tak więc Patel i spółka będą mieli okrojoną pracę nad opracowaniem prostego systemu, na którym mogą polegać producenci satelitów. Ale na tym polega inna opowieść.

Patel i spółka z pewnością mają większe ambicje lub swoje urządzenie. Wyniki tego artykułu dostarczają cennych informacji, które umożliwią opracowanie gotowego do lotu, napędzanego cieczą, impulsowego silnika plazmowego. Ciekawie będzie zobaczyć, jak to robią.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1907.00169 : Impulsowy ster strumieniowy plazmowy zasilany cieczą do napędzania nanosatelitów

ukryć