Sistem propulsi baru CubeSat menggunakan air sebagai propelan

Anonim

Sistem micropropulsion tipe baru untuk satelit miniatur yang disebut CubeSats menggunakan desain inovatif nosel kecil yang melepaskan semburan uap air yang tepat untuk melakukan manuver pesawat ruang angkasa.

"Mikrosatelit" murah dan "nanosatellites" jauh lebih kecil dari pesawat ruang angkasa konvensional, telah menjadi semakin lazim. Ribuan satelit miniatur mungkin diluncurkan untuk melakukan berbagai tugas, mulai dari pencitraan resolusi tinggi dan layanan internet, hingga respons bencana, pemantauan lingkungan dan pengawasan militer.

"Mereka menawarkan kesempatan untuk misi baru, seperti terbang dan eksplorasi konstelasi yang rekan-rekan mereka yang lebih besar tidak dapat secara ekonomi mencapai, " kata Alina Alexeenko, seorang profesor di Sekolah Aeronautika dan Astronautics Universitas Purdue.

Namun, untuk mencapai potensi penuh mereka, CubeSats akan membutuhkan perangkat micropropulsion untuk memberikan "impuls bit" rendah yang tepat untuk aplikasi ruang angkasa, komersial dan militer.

Dia telah memimpin penelitian untuk mengembangkan sistem mikropropulsi baru yang menggunakan air ultra-murni.

"Air dianggap berlimpah di bulan Phobos Mars, " katanya. "membuatnya berpotensi menjadi pompa bensin besar di luar angkasa. Air juga merupakan propelan yang sangat bersih, mengurangi risiko kontaminasi instrumen sensitif oleh arus balik dari gumpalan pendorong."

Temuan penelitian tentang sistem baru ini dirinci dalam makalah yang disajikan selama Konferensi AIAA / USU ke 31 tentang Satelit Kecil, 5-10 Agustus di Logan, Utah.

Sistem baru, yang disebut Film-Evaporation MEMS Tunable Array, atau Thruster FEMTA, menggunakan kapiler yang cukup kecil untuk memanfaatkan sifat mikroskopis air. Karena kapiler hanya berdiameter sekitar 10 mikrometer, tegangan permukaan cairan membuatnya mengalir keluar, bahkan dalam ruang hampa. Mengaktifkan pemanas kecil yang terletak di dekat ujung kapiler menciptakan uap air dan memberikan dorongan. Dengan cara ini, kapiler menjadi katup yang dapat dihidupkan dan dimatikan dengan mengaktifkan pemanas. Teknologi ini mirip dengan printer inkjet, yang menggunakan pemanas untuk mendorong keluar tetesan tinta.

Makalah penelitian ini ditulis oleh mahasiswa pascasarjana Katherine Fowee; mahasiswa sarjana Steven Pugia, Ryan Clay, Matthew Fuehne dan Margaret Linker; asosiasi riset postdoctoral Anthony Cofer; dan Alexeenko

"Sangat tidak biasa bagi mahasiswa sarjana untuk memiliki peran penting dalam penelitian lanjutan seperti ini, " kata Alexeenko.

Para siswa melakukan penelitian sebagai bagian dari kursus desain propulsi.

CubeSats terdiri dari beberapa unit, masing-masing berukuran 10 sentimeter. Dalam penelitian Purdue, empat dorongan FEMTA dimuat dengan sekitar satu sendok teh air diintegrasikan ke dalam prototipe CubeSat satu unit dan diuji dalam ruang hampa. Prototipe, yang beratnya 2, 8 kilogram, atau sekitar enam pon, mengandung elektronik dan sensor unit pengukuran inersia untuk memantau kinerja sistem pendorong, yang memutar satelit menggunakan semburan uap air yang berumur pendek.

Satelit khas seukuran bus sekolah, beratnya ribuan pound dan kadang-kadang biaya ratusan juta dolar. Dan sementara satelit konvensional membutuhkan elektronika khusus yang dapat menahan kondisi ruang yang keras, CubeSats dapat dibangun dengan komponen murah, off-the-shelf. Rasi bintang dari banyak satelit murah, sekali pakai mungkin diluncurkan, meminimalkan dampak kehilangan satelit individu.

Namun, perbaikan diperlukan dalam sistem mikropropulsi untuk memobilisasi dan mengontrol satelit secara tepat.

"Ada perbaikan besar yang dilakukan dalam teknologi mikropropulsi, tetapi pengurangan lebih lanjut dalam massa, volume, dan kekuatan diperlukan untuk integrasi dengan pesawat ruang angkasa kecil, " kata Alexeenko.

Teknologi FEMTA adalah sistem mikro-elektromekanik, atau MEMS, yang merupakan mesin kecil yang mengandung komponen yang diukur pada skala mikron, atau seperseribu meter. Pendorong menunjukkan rasio dorong-ke-daya sebesar 230 micronewton per watt untuk impuls yang berlangsung selama 80 detik.

"Ini kekuatan yang sangat rendah, " kata Alexeenko. "Kami menunjukkan bahwa satu rotasi 180 derajat dapat dilakukan dalam waktu kurang dari satu menit dan membutuhkan kurang dari seperempat watt, menunjukkan bahwa FEMTA adalah metode yang layak untuk kontrol sikap CubeSats."

The FEMTA thrusters adalah nozel skala mikro yang diproduksi pada wafer silikon menggunakan teknik nanofabrication umum dalam industri. Model ini diuji di ruang vakum Vakum Besar Purdue yang tinggi.

Meskipun para peneliti menggunakan empat pendorong, yang memungkinkan satelit untuk berputar pada satu sumbu, satelit yang berfungsi penuh akan membutuhkan 12 pendorong untuk rotasi 3-sumbu.

Tim ini membangun sistem dengan perangkat yang murah dan tersedia secara komersial yang merupakan bagian integral dari "internet of things", sebuah fenomena yang muncul di mana banyak objek sehari-hari seperti peralatan dan mobil memiliki alamat internet mereka sendiri.

"Para mahasiswa sarjana ini mengintegrasikan semua teknologi IOT, yang, sejujurnya, mereka tahu lebih banyak daripada saya, " katanya.

Unit pengukuran inersia menangani 10 jenis pengukuran berbeda yang diperlukan untuk melakukan manuver dan mengendalikan satelit. Komputer onboard secara nirkabel menerima sinyal untuk memecat thruster dan mentransmisikan data gerak menggunakan chip IMU ini.

"Apa yang kami benar-benar ingin lakukan selanjutnya adalah mengintegrasikan sistem kami ke satelit untuk misi ruang angkasa yang sebenarnya, " katanya.

Penelitian ini melibatkan kolaborasi dengan Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA melalui program kemitraan SmallSat Technology Partnership di luar angkasa, yang memberikan pendanaan penting sejak konsep tersebut dimulai pada tahun 2013.

Permohonan paten untuk konsep tersebut telah diajukan melalui Kantor Teknologi Komersial Yayasan Purdue. Nozel untuk sistem itu dibuat di Scifres

Laboratorium Nanofabrikasi di Pusat Nanoteknologi Birck di Taman Penemuan Purdue.

menu
menu