En ny fremdriftsteknologi til nanosatellitter kan gøre dem mere effektive

Et billede af en raket, der letter NASA

Tilbage i 1964 opsendte Sovjetunionen et rumfartøj kaldet Zond 2 mod Mars. Dens mission var at kredse om den røde planet, fotografere overfladen, lede efter tegn på metan i atmosfæren og frigive et fartøj til at lande på overfladen.

Men flere måneder efter lanceringen svigtede Zond 2s besværlige strømforsyning. Sovjet mistede kontakten med fartøjet og hørte aldrig fra det igen. I dag betragtes missionen stort set som en fiasko - en af ​​mange, hvad angår Mars.

Men Zond 2 havde endnu et mål. Rumfartøjet var udstyret med seks revolutionære thrustere til attitudekontrol. Kendt som plasma jetmotorer, var disse enheder aldrig blevet brugt i rummet. Men under forskellige test efter lanceringen beviste Zond 2, at de kunne fungere.

Siden da har forskellige rumfartøjer været afhængige af denne form for fremdrift (og på en lidt anden form ved brug af ion-thrustere). Disse motorer har betydelige fordele i forhold til konventionelle kemiske raketter, fordi de er enklere, lettere og mere effektive.

De er også væsentligt mindre end kemiske thrustere. Det gør dem nyttige for skaberne af nanosatellitter - det mere og mere almindelige rumfartøj med en masse på mindre end 10 kg, som ofte er lidt større end en Rubiks terning.

Men plasma thrust motorer er ikke perfekte. At omdanne det indbyggede drivmiddel til plasma og kontrollere dets flow kan være en vanskelig forretning, der spilder energi og nogle gange endda beskadiger selve motoren. Så det er af stor interesse for små satellitproducenter at finde måder at forbedre plasmatrykmotorer på.

Indtast Adam Patel og kolleger fra Purdue University i West Lafayette, Indiana. Disse fyre har fundet på et nyt design til en plasma-thruster lige så lille som dens forgængere, der har potentialet til at være endnu mere pålidelig og effektiv.

Først lidt baggrund om det drivmiddel, som plasma-thrustere er afhængige af. De fleste bruger et fast drivmiddel såsom polytetrafluorethylen, ellers kendt som teflon. Det er nemt at opbevare, men for at blive brugt skal det fordampes ved at føre en strøm gennem overfladen.

Dampen antændes derefter, hvilket skaber en flashover, der gør den til et plasma. Plasmaet passerer derefter gennem et elektromagnetisk felt, hvor det oplever en accelererende kraft, der driver rumfartøjet i den modsatte retning.

Problemet er, at denne ablation er en hit-and-miss-proces. Satsen er svær at kontrollere, og dette kan gøre fremstødet uensartet. Teflonoverfladen nedbrydes også nogle gange og udstøder snavs i form af makropartikler, der forstyrrer motordriften.

Desuden kan tænderen, der udløser flashover-processen, blive beskadiget over tid. Alle disse problemer begrænser i sidste ende effektiviteten af ​​fastbrændselsplasma-thrusterne til mindre end 15%.

En måde at undgå dette på er at opbevare drivmidlet som en gas og kontrollere dets frigivelse med et gasinjektionssystem. Dette øger motorens effektivitet med op til 70%. Men disse systemer er voluminøse og komplekse, og selve gassen har et væsentligt større volumen end en tilsvarende fast masse. Det gør det svært at bygge ind i en nanosat.

Nu siger Patel og co, at de kan løse disse problemer ved hjælp af et flydende drivmiddel. En væskefodret pulseret plasma thruster kunne potentielt overvinde adskillige ulemper forbundet med traditionelle pulserende plasma thruster enheder, siger de.

Faktisk har de bygget et proof-of-principle mikro-fremdrivningssystem fodret med væske og bragt det gennem sine trin i et vakuumkammer. Som drivmiddel bruger de pentaphenyltrimethyltrisiloxan (C33H34O2Si3), en tyktflydende væske med lavt damptryk, der også er et fremragende dielektrikum.

Holdet designede også et nyt lavenergitændingssystem. Denne består af to pladeelektroder adskilt af et dielektrikum. Det virker ved at øge spændingen over pladerne til en tærskelværdi, hvor dielektrikumet fordamper og bliver til plasma.

I dette tilfælde er dielektrikumet det flydende drivmiddel. Plasmaet kommer derefter ind i de elektromagnetiske felter, hvor det accelererer.

Fordelen ved denne type tænder er, at tærskelspændingen altid er den samme, og derfor er mængden af ​​energi, der kræves til flashover, altid begrænset. Dette begrænser den potentielle skade på flashover-enheden over tid.

I test brugte Patel og co tænderen til op mod 1,5 millioner flashover-hændelser uden at observere nogen væsentlig skade på enheden. Andre designs kan nogle gange fejle efter kun 400 affyringscyklusser.

Patel og co fortsatte med at måle plasmaudstødningshastigheden ved 32 kilometer i sekundet. Dette gjorde det muligt for dem at beregne, at motoren producerer et respektabelt tryk på op til 5,8 newton.

Det er et solidt første skridt mod bedre mikrofremdrivningssystemer til nanosatellitter.

Der er dog mere udviklingsarbejde forude. En vigtig opgave bliver at designe og bygge et simpelt væskefodersystem, der fungerer pålideligt uden tyngdekraft. I disse eksperimenter sprøjtede forskerne væsken ind i tænderen i hånden ved hjælp af en sprøjte.

Det er ikke svært at forestille sig, hvordan det kunne automatiseres, men væsker er notorisk svære at kontrollere i nul G. Så Patel og co vil få deres arbejde skåret ud i at udvikle et simpelt system, som satellitproducenter kan stole på. Men deri ligger en anden fortælling.

Patel og co har bestemt større ambitioner eller deres enhed. Resultaterne af dette papir giver værdifuld information til at muliggøre udviklingen af ​​en flyveklar væskedrevet pulserende plasma-thruster, siger de. Det bliver spændende at se, hvordan de gør det.

Ref: arxiv.org/abs/1907.00169 : Flydende pulserende plasma-thruster til fremdrift af nanosatellitter

skjule