Jauna nanosatelītu vilces tehnoloģija varētu padarīt tos efektīvākus

Attēls, kurā redzama pacelšanās raķete NASA

1964. gadā Padomju Savienība uz Marsu palaida kosmosa kuģi Zond 2. Tās misija bija riņķot ap Sarkano planētu, nofotografēt virsmu, meklēt atmosfērā metāna pazīmes un atbrīvot kuģi, kas nolaižas uz virsmas.

Bet vairākus mēnešus pēc palaišanas Zond 2 traucējošais barošanas avots neizdevās. Padomju vara zaudēja sakarus ar šo kuģi un vairs par to neko nedzirdēja. Mūsdienās misija lielākoties tiek uzskatīta par neveiksmi — vienu no daudzajām, kas attiecas uz Marsu.

Bet Zond 2 bija vēl viens mērķis. Kosmosa kuģis bija aprīkots ar sešiem revolucionāriem dzinekļiem, lai kontrolētu attieksmi. Šīs ierīces, kas pazīstamas kā plazmas reaktīvie dzinēji, nekad nav izmantotas kosmosā. Bet dažādu testu laikā pēc palaišanas Zond 2 pierādīja, ka tie var darboties.

Kopš tā laika dažādi kosmosa kuģi ir paļāvušies uz šo piedziņas veidu (un uz nedaudz atšķirīgu formu, izmantojot jonu dzinējus). Šiem dzinējiem ir ievērojamas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajām ķīmiskajām raķetēm, jo ​​tie ir vienkāršāki, vieglāki un efektīvāki.

Tie ir arī ievērojami mazāki nekā ķīmiskie dzinēji. Tas padara tos noderīgus nanosatelītu veidotājiem — arvien izplatītākiem kosmosa kuģiem, kuru masa ir mazāka par 10 kilogramiem, kas bieži vien ir nedaudz lielāki par Rubika kubu.

Bet plazmas vilces dzinēji nav ideāli. Borta propelenta pārvēršana plazmā un tās plūsmas kontrole var būt grūts bizness, kas liek izšķērdēt enerģiju un dažreiz pat sabojā pašu dzinēju. Tāpēc mazo satelītu veidotāju interese ir par veidu, kā uzlabot plazmas vilces dzinējus.

Ievadiet Adam Patel un kolēģi no Purdue universitātes West Lafajetā, Indiānā. Šie puiši ir nākuši klajā ar jaunu dizainu plazmas dzineklim, kas ir tikpat mazs kā tā priekšgājēji, kas var būt vēl uzticamāks un efektīvāks.

Pirmkārt, nedaudz pamatinformācijas par propelentu, uz kuru balstās plazmas dzinēji. Lielākā daļa izmanto cieto propelentu, piemēram, politetrafluoretilēnu, ko citādi sauc par teflonu. To ir viegli uzglabāt, taču, lai to izmantotu, tas ir jāiztvaicē, laižot strāvu caur virsmu.

Pēc tam tvaiki tiek aizdedzināti, radot uzliesmojumu, kas tos pārvērš plazmā. Pēc tam plazma iziet cauri elektromagnētiskajam laukam, kur tā piedzīvo paātrinājošu spēku, kas virza kosmosa kuģi pretējā virzienā.

Problēma ir tā, ka šī ablācija ir neveiksmīgs process. Ātrumu ir grūti kontrolēt, un tas var padarīt vilci nevienmērīgu. Arī teflona virsma dažkārt sabojājas un izspiež gružus makrodaļiņu veidā, kas traucē dzinēja darbību.

Turklāt aizdedze, kas aktivizē uzliesmošanas procesu, laika gaitā var tikt bojāta. Visas šīs problēmas galu galā ierobežo cietā kurināmā plazmas dzinēju efektivitāti līdz mazāk nekā 15%.

Viens veids, kā to apiet, ir uzglabāt propelentu kā gāzi un kontrolēt tā izdalīšanos ar gāzes iesmidzināšanas sistēmu. Tas palielina dzinēja efektivitāti līdz pat 70%. Taču šīs sistēmas ir apjomīgas un sarežģītas, un pašai gāzei ir ievērojami lielāks tilpums nekā līdzvērtīgai cietai masai. Tas apgrūtina nanosat pievienošanu.

Tagad Patels un kolēģi apgalvo, ka var novērst šīs problēmas, izmantojot šķidro degvielu. Viņi saka, ka ar šķidrumu darbināms impulsa plazmas dzineklis, iespējams, varētu pārvarēt vairākus trūkumus, kas saistīti ar tradicionālajām impulsa plazmas dzinēja ierīcēm.

Patiešām, viņi ir izveidojuši principiālu mikropiedziņas sistēmu, ko darbina šķidrums, un ievietojuši to vakuuma kamerā. Kā propelentu viņi izmanto pentafeniltrimetiltrisiloksānu (C33H34O2Si3), viskozu šķidrumu ar zemu tvaika spiedienu, kas ir arī lielisks dielektriķis.

Komanda arī izstrādāja jaunu zemas enerģijas aizdedzes sistēmu. Tas sastāv no diviem plākšņu elektrodiem, kas atdalīti ar dielektriķi. Tas darbojas, palielinot spriegumu pāri plāksnēm līdz sliekšņa vērtībai, pie kuras dielektriķis iztvaiko un kļūst par plazmu.

Šajā gadījumā dielektriķis ir šķidrais degviela. Pēc tam plazma nonāk elektromagnētiskajos laukos, kur tā paātrinās.

Šāda veida aizdedzes priekšrocība ir tāda, ka sliekšņa spriegums vienmēr ir vienāds, un tāpēc pārspīlēšanai nepieciešamais enerģijas daudzums vienmēr ir ierobežots. Tas laika gaitā ierobežo iespējamos zibspuldzes mezgla bojājumus.

Pārbaudēs Patels un citi izmantoja aizdedzi vairāk nekā 1,5 miljonos uzliesmojuma gadījumu, nenovērojot nekādus būtiskus ierīces bojājumus. Citas konstrukcijas dažkārt var neizdoties jau pēc 400 apdedzināšanas cikliem.

Patels un kolēģi turpināja mērīt plazmas izplūdes ātrumu ar 32 kilometriem sekundē. Tas viņiem ļāva aprēķināt, ka dzinējs rada cienījamu vilci līdz 5,8 ņūtoniem.

Tas ir stabils pirmais solis ceļā uz labākām nanosatelītu mikropiedziņas sistēmām.

Tomēr priekšā ir vēl vairāk attīstības darbu. Viens svarīgs uzdevums būs izstrādāt un izveidot vienkāršu šķidruma padeves sistēmu, kas uzticami darbojas bez gravitācijas. Šajos eksperimentos pētnieki šķidrumu injicēja aizdedzē ar roku, izmantojot šļirci.

Nav grūti iedomāties, kā to varētu automatizēt, taču šķidrumus ir bēdīgi grūti kontrolēt nulles G režīmā. Tāpēc Patelam un citiem būs jāstrādā, izstrādājot vienkāršu sistēmu, uz kuru var paļauties satelītu ražotāji. Bet tur slēpjas cits stāsts.

Patel un co noteikti ir lielākas ambīcijas vai viņu ierīce. Viņi saka, ka šī raksta rezultāti sniedz vērtīgu informāciju, kas ļauj izstrādāt lidojumam gatavu šķidrās degvielas impulsa plazmas dzinekli. Būs interesanti redzēt, kā viņi to darīs.

Atsauce: arxiv.org/abs/1907.00169 : Šķidruma barošanas impulsa plazmas dzinējspēks nanosatelītu virzīšanai

paslēpties