PopularEditorialNew
BestОбсуждаемое

Рушійні установки кубсатів

2

ДИСКЛЕЙМЕР! рекомендовано ввімкнути світлу тему вебсайту для комфортного перегляду схем та ілюстрацій

У цьому матеріалі розглянуто всі типи рушійних установок та їх принципи дії, що використовуються або можуть бути використані для компактних супутників – кубсатів.

Спершу, для тих, хто не знає, коротко поясню, що таке кубсат. У 1999 році двоє американських вчених – Боб Твіггс зі Стенфордського університету та Джорді П’юіг-Суарі з Каліфорнійського політехнічного університету, запропонували так званий референс-дизайн (тобто дизайн, який інші могли б копіювати і вдосконалювати) малого космічного апарату. Концепт кубсата полягав у тому, щоб студенти коледжів та університетів могли власноруч створювати невеликі, бюджетні космічні апарати, що в силу своєї малої маси могли би бути запущені на ракеті разом із основним вантажем за невеликі кошти. А це б дозволило студентам досліджувати космос та отримувати необхідний досвід у багатьох наукових сферах.

Найменший можливий розмір кубсату – куб з ребром 10 см. Згодом такий розмір став стандартом і його почали використовувати як одиницю вимірювання розміру кубсатів – юніт (U). Тобто, один юніт (1U) – це куб розміром 10х10х10 см. Допускається поєднання юнітів в один цілісний космічний апарат. Тоді, наприклад, супутник, що складається з трьох кубів буде мати розмір три юніти (3U).

Переваги над звичайними космічними апаратами очевидні – вони набагато дешевші, простіші у виготовленні та запускаються разом із основним вантажем, що робить запуск дешевим, а отже доступним для простих смертних.

Кубсати як додатковий вантаж. Зафіксовані на внутрішній стороні ступеневого адаптера SLS. Вони вирушать у космос разом з місією Artemis-I

Сьогодні кубсати конструюють та використовують не лише студенти, а й приватні компанії, дослідницькі організації та навіть державні космічні агенції. У космос перші кубсати були запущені у 2003 році, а вже сьогодні їх запущено понад 2000. Як приклад, наведу місію НАСА – Insight. Вона включала в себе посадковий зонд для дослідження Марсу та два кубсати MarCO, кожен з яких був розміром 6U. Це були перші в історії кубсати, що покинули земну орбіту і вирушили у відкритий космос. Їх основна задача була ретранслювати сигнал з посадкового зонду на Землю під час посадки на Марс, коли зонд буде «поза зоною зв’язку». Також інженери з Лабораторії Реактивного Руху (JPL) хотіли випробувати мініатюризовані технології навігації та зв’язку в умовах далекого космосу. У цілому, місія була успішною і виконала поставлені завдання. Останній раз апарати виходили на зв’язок у січні 2019. Проте формально місію було завершено лише в лютому 2020-го після декількох спроб відновити з ними зв’язок.

Кубсати MarCO

Тепер перейдемо до головної теми – рушійні установки, або іншими словами, двигуни для кубсатів. Дехто може запитати навіщо кубсатам двигуни? А навіщо взагалі двигуни супутникам і космічним апаратам?

По-перше, рушійна установка на борту дозволяє підтримувати та коректувати орбіту. Навіть в тому середовищі над поверхнею Землі, яке формально вважають космосом, присутня атмосфера. Так, вона дуже розріджена, так, там настільки мала концентрація речовини, що майже не можливо точно виміряти її густину, проте все ж сила спротиву повітря, якщо так можна сказати, там існує. Ця сила занадто слабка, щоб побачити її ефект одразу. Але на масштабах років космічні апарати помітно гальмують і їхня орбіта знижується. Саме для підтримки орбіти і потрібні рушійні установки. Також, якщо на борту наявна достатня кількість палива, апарат може здійснювати маневри, переходити на інші орбіти, змінювати траєкторію польоту тощо.

Одразу хочу сказати, що класичні двигуни (конструктивно подібні до Raptor чи РД-180), які використовуються на ракетах та звичайних супутниках, не підходять. Вони мають дуже складну конструкцію, а отже, дорогі, складні у виготовленні і для ефективної роботи потребують багато палива, яке вони спалюють надто швидко. Тому для кубсатів використовують інші типи рушійних установок. Давайте розглянемо кожен тип окремо.

Одна з найпростіших рушійних установок, які використовуються для малих супутників – двигун на холодному газі (анг. cold gas thruster).

Конструкція надзвичайно проста – контейнер в якому під великим тиском знаходиться рідина чи газ. Речовина під тиском виходить назовні, додатково розганяючись проходячи крізь сопло. Такий двигун дуже компактний і його габарити обумовлені не стільки конструкцією самого двигуна, скільки розміром паливного баку. Керувати тягою можна за допомогою одного лише електроклапана. В якості палива найчастіше використовують гази, такі як азот, вуглекислий газ, оксид азоту (І) та інертні гази (гелій, неон, криптон, ксенон). Також використовують органічні речовини, наприклад, тетрафлуор метан, фреон-12, метан, аміак.

Переваги:

  • Проста конструкція – легко виготовляти
  • Може працювати майже на будь-якому паливі
  • Низька ціна конструкції та палива
  • Не виділяє тепла — не нагріває інші частини апарату
  • Прості в керуванні і не потребують великої кількості енергії

Недоліки:  

  • Відносно низька тяга
  • Тяга залежить від тиску в паливному баку, тому по мірі його спустошення, тиск, а значить і тяга, поступово зменшуються

Хімічний двигун. Принцип його дії доволі схожий з класичними двигунами, що використовують в ракетоносіях. Тяга також створюється за рахунок хімічної реакції і проходить з виділення великої кільскоті тепла. Паливо може бути як одно- так і двокомпонентне.

Для початку розглянемо двигуни на однокомпонентному паливі. Тут для створення тяги, пальне під дією каталізаторів або теплових елементів розкладається, тобто молекули руйнуються, утворюючи інші речовини. Найрозповсюдженіше пальне для цього типу двигунів – гідразин. А каталізатор для нього – оксид алюмінію, вкритий іридієм. Під великим тиском (для створення додаткової тяги, як в попередньому типі двигунів) гідразин виштовхується з паливного баку та прямує до сопла, паралельно проходячи крізь каталізатор. Каталізатор виготовлений у формі гранул, решітки чи будь-якої іншої форми так, щоби потік речовини вільно проходив крізь нього, але і контактував з поверхнею каталізатора, що в свою чергу запускає хімічну реакцію. В результаті, гідразин розкладається на азот, водень та аміак. Ця реакція екзотермічна – відбувається з виділенням тепла, розігріваючись до 1000о С. Різкий розігрів продуктів реакції тільки збільшує тягу.

Ще одним розповсюдженим видом палива для цього типу двигунів є концентрований (90%) пероксид водню. Він під дією каталізаторів (або частіше високої температури) розкладається на кисень та воду.

Приклад схеми двигуна на гідразині
Приклад двинуна на пероксиді водню (також відомий як Резистоджет)

Варто зазначити, що таку рушійну установку доволі часто використовують в якості двигунів орієнтації для стандартних космічних апаратів — паливний бак зв’язаний з декількома соплами, які розташовані по краям апарату. Двигуни не працюють безперервно, вони вмикаються комп’ютером всього на декілька мілісекунд. Такі короткі запалювання можуть відбуватися з різною частотою. Це дозволяє дуже точно утримувати або змінювати просторову орієнтацію.

Двокомпонентні палива теж можуть бути використані в компактних двигунах. На цю роль криогенні компоненти, як в більшості ракетоносіїв, не підходять через потребу в охолодженні. Один компонент — горюча речовина, інший — окисник. Обидва компоненти зберігаються в окремих баках і змішуються в камері згоряння, де відбувається хімічна реакція. В залежності від самих компонентів, їхня суміш може потребувати запалу для початку горіння.

В 2020 році НАСА запустило експериметальний кубсат PTD-1 розміром 6U з двигуном на звичайній воді. Такий агрегат шляхом електролізу розщеплює воду на складові компоненти – водень та кисень, які потім (в газоподібному вигляді) потрапляють у камеру згоряння.

PTD-1 завантажують в спеціальний бокс перед запуском
Рушійна установка PTD-1, що працює на воді

 Переваги:

  • Відносно проста конструкція (трохи складніша за двигуни на холодному газі)
  • Простоті в керуванні
  • Низька ціна
  • Більша тяга за попередній тип двигунів

Недоліки:  

  • Паливо може бути токсичним, що потребує особливого контролю на стадії конструювання та процедур перед запуском
  • Паливо може бути їдким, а отже, паливний бак і сопло повинні бути зроблені з хімічно стійких  матеріалів
  • Потребує запалу або каталізатору для ініціювання хімічної реакції

Електричні двигуни – найбільш ефективні рушійні установки на сьогодні. Принцип їх роботи полягає в використанні електричного потенціалу для того, щоб розганяти заряджені частинки до великих швидкостей.

Електричний іонний двигун NSTAR на апараті Deep Sapce 1

Видів електричних двигунів існує дуже багато. Але лише деякі з них були розроблені й протестовані на кубсатах: решітчастий іонний двигун, двигун на ефекті Хола, пульсуючий плазмовий двигун, електроспрей. Про кожен з них я напишу детальніше, оскилькі всі вони надто відрізняються конструктивно та мають свої певні характеристики.

Решітчастий іонний двигун – доволі простий в плані дизайну іонний двигун. Як я вже казав, принцип дії полягає в використанні електричного поля, щоб розганяти окремі молекули речовини – іони – до великих швидкостей.

Спершу молекули палива в малій кількості потрапляють в іонізаційну камеру – аналог камери згоряння. Там, за допомогою направленого потоку електронів, молекули палива іонізуються і всередині камери утворюється іон-електронна плазма. Сопло двигуна – задня стінка камери – це дві металеві решітки між якими існує висока напруга. Перша решітка має позитивний потенціал, друга – негативний. Позитивний потенціал першої решітки відштовхує позитивно заряджені іони пального. Таким чином, самовільно іони не можуть покинути камеру крізь отвори у решітках. Проте тиск створюваний плазмою в камері поступово продавлює іони крізь отвори у решітці і вони долають кулонівську силу відштовхування, проходячи наскрізь. Коли іони опиняються між двома решітками (позитивно заряджена решітка вже позаду) електричне поле миттєво розганяє їх до надзвичайних швидкостей і вони вилітають через отвори другої решітки. Швидкість іонів сягає неймовірних 20-50 км/с. Для порівняння швидкість вихідного потоку звичайного хімічного двигуна зазвичай становіть не більше 5 км/с.

Решітчастий іонний двигун NEXT на ксеноні (випробовування в вакуумній камері)

Варто зазначити, що густина реактивного потоку мізерна. Саме тому тяга іонних двигунів, як не дивно, дуже і дуже мала. Її часто порівнюють з вагою аркушу паперу. Ще раз зауважу, що іонні двигуни – найефективніші ракетні двигуни на сьогодні (попри таку малу тягу). Вдаватися в подробиці чому так, в цьому матеріалі, я не буду. Скажу лише, що ефективність двигуна залежить не тільки від тяги, а й від витрат пального. В якості пального, до речі, чудово підходять інертні гази (ксенон, криптон) або інші важкі елементи (йод, вісмут, ртуть).

Переваги:

  • Висока ефективність
  • Низька зношуваність елементів установки (може безперервно працювати протягом довгого періоду)
  • Потребують значно менше палива

Недоліки:  

  • Низька тяга
  • Зазвичай дороге паливо
  • Складна і дорога конструкція

Іонний двигун на ефекті Хола має такий самий принцип дії, як і решітчастий двигун, проте конструктивно відрізняється.

Іонізаційна камера двигуна — порожній циліндр з товстим стрижнем в центрі. На дні порожнини, між стінками камери та стрижнем, знаходяться інжектори через які в камеру потрапляє паливо. Самі інжектори підключені до джерела напруги та мають позитивний електричний потенціал. У верхній області камери, створюється радіальне магнітне поле, за рахунок магнітних котушок в стінках камери та стрижня.

У магнітному полі знаходяться електрони, що вільно рухаються там по круговій траєкторії. Через інжектори в камеру потрапляють молекули палива. Рухаючись вгору, молекули пересікають область магнітного поля. Електрони що рухаються в полі іонізують молекули. Електричне поле створюване інжекторами на дні камери (маючи позитивний потенціал) надає іонам прискорення і виштовхує назовні.

Паливом для цього типу двигунів завжди є ксенон або криптон.

Переваги (в порівнянні з решітчастими двигунами):

  • Більша тяга

Недоліки (в порівнянні з решітчастими двигунами):  

  • Більш складна конструкція
  • Менш ефективно використовують паливо

Пульсуючий плазмовий двигун – доволі малопоширений тип рушійної установки, винайдений в 1950-х. Принцип його дії чимось нагадує рейкотрон (гармату Гаусса).

Реактивний потік іонів з сопла двигуна (NASA — JPL)

Основний елемент механізму – дві пластини (катод і анод) розташовані одна на проти одної. Брусок твердого палива, а саме тефлону, розміщений впритул до пластин. Над поверхнею бруска розташований ініціатор запалу. Пульсуючий плазмовий двигун, як зрозуміло з назви, працює в пульсуючому режимі. Плавна тяга досягається високою частотою імпульсів (запалюваннь). Спершу подається висока напруга на ініціатор запалу. Він видає дуже гарячий дуговий розряд. На поверхні тефлону від такої температури відбувається сублімація (моментальний перехід в газоподібний стан), а потім перехід в стан плазми. В цей же час, на пластини через заряджений конденсатор подається напруга.

Тоді, між пластинами з’являється висока напруга. Тефлонова плазма, що утворилася слугує ідеальним електричним провідником, в проміжку між пластинами. Тому через неї, від одної пластини до іншої, протікає струм . Як відомо з шкільних уроків фізики, електричний струм породжує магнітне поле. Ці два поля разом діють на іони тефлонової плазми, виникає сила Лоренца і надає їм прискорення. Реактивний потік плазми виходить через проміжок між пластинами створюючи тягу. Ніякого сопла в пульсуючому плазмовому двигуні не передбачено.

Широкого застосування ця схема не знайшла. Не дивлячись на це, даний двигун годиться для кубсатів. Можливо він навіть краще за попередні двигуни в силу простоти конструкції та її виготовлення. Приклади апаратів з пульсуючим плазмовим двигуном: Зонд-2 (1964) і EO-1 (2000).

Переваги:

  • Проста, дешева конструкція
  • Висока ефективність
  • Потребує малої кількості палива

Недоліки:  

  • Мала тяга
  • Більше енергетичних втрат ніж в інших електричних двигунів

Електроспрей – найновіший в своєму роді. Також відомий під назвою колоїдний двигун. Був винайдений на початку 2000-х років. Для створення тяги, електростатичним полем розганяються не окремі іони, а одразу цілі порції рідини (краплинки).

Конструкція не складна, навіть примітивна. Основний елемент – форсунка і пластина-електрод з отвором. Між форсункою і пластиною існує електростатичний потенціал. Це і є вся конструкція. В якості палива виступають іонні рідини (тобто хімічні солі в рідкій фазі без вмісту води). Приклад такої рідини – розплавлена кухонна сіль. У рідкому стані молекули солі розпадаються на окремі іони, що і надає рідині здатність реагувати на електричні поля. Іонна рідина по тонкому каналу поступає в форсунку і на її кінчику збирається в краплю. Коли крапля стає завеликою, вона зривається з кінчика форсунки. Далі аналогічно іонам в попередніх двигунах, краплинка розганяється електричним полем і вилітає крізь отвір.

Тяга від однієї такої форсунки надзвичайно мала, навіть порівнюючи з іншими іонними двигунами. Тяга тут вимірюється на масштабі мікро ньютонів. Це еквівалентно вазі москіта. Тому форсунки навмисне роблять мікроскопічного розміру і безліч таких збирають в цілі батареї. Таким чином на площі 10 см2 (ребро кубсата 1U) можна розмістити батарею з десятків або й сотень таких мікро форсунок. Всі разом вони створюватимуть вже значну тягу. Європейський космічний апарат LISA Pathfinder – перший апарат на колоїдній тязі, був успішно випробуваний у 2015 році. Електроспрей — доволі перспективна технологія. Сьогодні продовжуються активні дослідження та модернізація даного типу рушійної установки.

Переваги:

  • Проста конструкція
  • Вища ефективність ніж у решти іонних двигунів

Недоліки:  

  • Конструкція включає в себе мікроскопічні елементи які доволі складно виготовляти

Тепер поговоримо трохи про компоновку елементів вище описаних рушійних установок в корпусі самих кубсатів. Конструкції всіх двигунів дуже компактні і запросто поміщаються навіть в супутнику розміром 1U.

Кубсат з рушійною установкою типу електроспрей. Розроблений в Маcсачусетському технічному інституті, розробка спонсорована НАСА

Проте варто враховувати не тільки розмір двигуна, а й паливний бак який займає значно більше місця. Він також може поміститись в одноюнітному кубсаті, але тоді не залишиться достатньо місця для систем керування, зв’язку а саме головне для наукової апаратури. Тому зазвичай кубсати, що мають двигуни, за розмірами 2U і більше.  

Міжнародний проєкт PEGASUS. Кубсат розміром 2U запущений 2017 року для вивчення термосфери Землі. Має на борту декілька пульсуючих плазмових двигунів

А тепер бонусний матеріал про мої власні дослідження в цьому напрямку!

По-перше розповім трохи про себе. Мене звати Ігор Проценко. На момент написання статті я навчаюся в 11 класі Гостомельського ліцею #1. Дослідження космосу, астрономія та фізика зацікавили мене ще до того, як я пішов в перший клас. Я завжди мріяв працювати в цьому напрямку і брати участь у дослідженнях.

Перші спроби були ще в 7-му класі, коли я вивчав Уран та Нептун — найменш вивчені на сьогоднішній день планети сонячної системи. За всю історії в їх околицях побував лише один космічний апарат – американський Вояджер-2.

Я гадав що можу зробити свій внесок в дослідження цих далеких планет. Мені тоді було 12. Ніяких запланованих місій до цих планет не було. Тож я вирішив, так би мовити, допомогти індженерам і зробити роботу за них, власноруч спроектувавши космічний апарат для вивчення крижаних гігантів. Не пам’ятаю скільки часу в мене тоді пішло на це, але я перелопатив всю Вікіпедію підбираючи необхідні наукові прилади, які я б міг додати до свого зонда. Тоді на великому ватмані я намалював схему космічного зонда з зображеними вимірювальними приладами та апаратурою. Всі прилади я запозичив у інших космічних зондів НАСА. В планах було відправити моє творіння по пошті в центр НАСА. Звісно ж я його не відправив, чесно кажучи, вже не пам’ятаю чому.  

Креслення мого космічного апарату під назвою Лассел. Я так назвав його на честь англійського астронома Вільяма Лассела який відкрив супутники Нептуна. На малюнку не зрозуміло яку апаратуру я підбирав, але внизу є легенда з повним списком всіх інструментів

Зараз, розбираючись в точних науках, я нарешті можу, певною мірою, проводити справжні дослідження. Я вирішив написати цей коротенький додаток до статті, щоб анонсувати моє дослідження в області іонних двигунів. Його я збираюся опублікувати на цьому сайті. В мене вже є концепт на папері, який я щоденно допрацьовую. Поки що, не буду розкривати деталі дослідження. Можу лише сказати, що як показують мої розрахунки (за умови, що вони правильні) цей тип іонного двигуна, цілком можливо, більш ефективний ніж решта. Маю надію, що так і є. В будь якому випадку, результат буде опублікований тут, разом з усіма схемами, кресленнями, рівняннями тощо.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

26

Это пользовательский материал, написанный участником сообщества, который не входит в состав редакции или администрации. Поддерживая авторов оценками, вы помогаете нашему сообществу развиваться.

Войдите, чтобы видеть ещё 14 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Нервный Дмитрий Олегович
Вечность назад

Вельми солідна, ґрунтовна структурована праця. Все як я люблю. Наприкінці матеріалу був приємно здивований "автобіографічним есе". З цього хлопця будуть Люди. Запам'ятайте цей твіт(c), як той казав :) Я зрозумів, що пана цікавлять перш за все електричні двигуни. Мабуть тому, з уваги випали сонячні вітрила. А вони можуть бути цікаві саме в кубсатних, "москітних" масштабах. Nice work! Go ahead!

Невероятный Марк Уотни
Вечность назад

> В якості пального, до речі, чудово підходять інертні гази – ксенон, криптон або інші важкі елементи – йод, вісмут, ртуть Кращий термiн - робоче тiло. > У ракетобудуванні робочим тілом називають речовину, що відкидається від ракети з метою отримання імпульсу тяги. Наприклад, в електричному ракетному двигуні робочим тілом є іонізована витратна речовина.

Тревожный Бори Труно
Вечность назад

Стаття місяця. Авторський матеріал. Але дуже багато питань до граматики та лексики. Я трохи накидав зауважень, а далі просто пропускав. Я школу давно закінчив, але до сих пір не розумію, чого розрахунки можуть бути вірні - це калька з російської.

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
If you were unable to log in, try this link.