NASA przedstawia technologię napędu elektrycznego, która zmieni zasady gry w przyszłych misjach kosmicznych

NASAInnowacyjna amerykańska technologia napędowa przyspiesza badania małych statków kosmicznych i wydłuża żywotność satelitów, wspierając wiodącą pozycję Ameryki w technologii kosmicznej.

NASA opracowała zaawansowaną technologię napędu, aby ułatwić przyszłe misje eksploracji planet z wykorzystaniem małych statków kosmicznych. Technologia ta nie tylko umożliwi nowe rodzaje misji planetarnych, ale jeden z partnerów handlowych NASA już przygotowuje się do wykorzystania jej do innego celu: przedłużenia życia statków kosmicznych znajdujących się już na orbicie. Zidentyfikowanie możliwości wykorzystania tej nowej technologii przez przemysł nie tylko pomoże NASA osiągnąć cel komercjalizacji tej technologii, ale może utorować drogę NASA do nabycia tej ważnej technologii od przemysłu do wykorzystania w przyszłych misjach planetarnych.

Nowa technologia

Planetarne misje naukowe wykorzystujące małe statki kosmiczne będą musiały wykonywać trudne manewry napędowe – takie jak osiąganie prędkości ucieczki planet, przechwytywanie orbity i nie tylko – które wymagają zdolności do zmiennej prędkości (delta-v) znacznie wykraczającej poza typowe potrzeby komercyjne i obecny stan -Sztuka. Dlatego technologią nr 1 umożliwiającą realizację tych małych misji kosmicznych jest elektryczny układ napędowy, który może wykonywać manewry o dużej delcie. Układ napędowy musi działać przy małej mocy (poniżej kilowata) i charakteryzować się dużą wydajnością paliwa (tj. możliwością wykorzystania dużej całkowitej masy paliwa przez cały okres jego użytkowania), aby zapewnić ciąg wymagany do wykonania tych manewrów.

Po wielu latach badań i rozwoju naukowcy z Centrum Badawczego Glenna (GRC) należącego do NASA stworzyli elektryczny układ napędowy małego statku kosmicznego, który ma zaspokoić te potrzeby — subkilowatowy silnik z efektem Halla NASA-H71M. oprócz, Skuteczny marketing Ten nowy ster strumieniowy wkrótce zapewni co najmniej jedno rozwiązanie umożliwiające kolejną generację misji naukowych małych statków kosmicznych wymagających zdumiewającej prędkości delta-v wynoszącej 8 km/s. Ten techniczny wyczyn został osiągnięty poprzez miniaturyzację kilku zaawansowanych urządzeń Napęd elektryczny o dużej energii słonecznej Technologie opracowane w ciągu ostatniej dekady do zastosowań takich jak komponenty mocy i napędy Bramapierwsza w historii ludzkości stacja kosmiczna krążąca wokół Księżyca.

Po lewej: silnik z efektem Halla NASA-H71M na ósmym stojaku napędowym obiektu rozładunkowego Glenn Research Center. Po prawej: dr Jonathan Mackey reguluje uchwyt napędu przed zamknięciem obiektu badawczego i wypompowaniem go. Źródło: NASA

Korzyści z tej technologii dla eksploracji planet

Mały statek kosmiczny wykorzystujący technologię napędu elektrycznego NASA-H71M będzie mógł autonomicznie manewrować z niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) na Księżyc, a nawet z geosynchronicznej orbity transferowej (GTO) na Księżyc. Mars. Możliwość ta jest szczególnie godna uwagi, ponieważ komercyjne możliwości wystrzeliwania rakiet LEO i GTO stały się rutyną, a nadwyżki zdolności wystrzeliwania na potrzeby takich misji są często sprzedawane po niskich kosztach na potrzeby rozmieszczania wtórnych statków kosmicznych. Możliwość wykonywania misji rozpoczynających się z orbit bliskich Ziemi mogłaby radykalnie zwiększyć tempo i obniżyć koszty misji naukowych na Księżyc i Marsa.

Ta zdolność napędu zwiększy także zasięg dodatkowych statków kosmicznych, który w przeszłości był ograniczony do celów naukowych zgodnych z trasą startu głównej misji. Ta nowa technologia umożliwi misjom drugorzędnym znaczne odejście od ścieżki misji głównej, co ułatwi badanie szerokiego zakresu celów naukowych.

Ponadto dodatkowe misje naukowe statków kosmicznych mają zazwyczaj tylko krótki okres czasu na zebranie danych podczas szybkiego przelotu obok odległego obiektu. Ta większa siła ciągu umożliwi spowolnienie i wprowadzenie orbity na planety w celu długoterminowych badań naukowych.

Co więcej, mały statek kosmiczny wyposażony w tak duży napęd byłby lepiej przygotowany do radzenia sobie ze zmianami na późnym etapie głównej ścieżki startu misji. Takie zmiany często stanowią poważne ryzyko dla misji naukowych małych statków kosmicznych z ograniczonym napędem pokładowym, których osiągnięcie celu naukowego opiera się na początkowej trajektorii startu.

Aplikacje komercyjne

Ogromne skupiska małych statków kosmicznych formujące się obecnie na niskich orbitach okołoziemskich sprawiły, że silniki odrzutowe małej mocy z efektem Halla są najpopularniejszym obecnie elektrycznym systemem napędowym używanym w kosmosie. Systemy te bardzo efektywnie wykorzystują paliwo, umożliwiając wprowadzenie na orbitę, deorbitację oraz wieloletnie unikanie kolizji i ponowne ustawienie. Jednakże oszczędna konstrukcja tych komercyjnych systemów napędu elektrycznego nieuchronnie ograniczyła ich żywotność do mniej niż kilku tysięcy godzin pracy, a systemy te mogą przetworzyć jedynie około 10% lub mniej początkowej masy małego statku kosmicznego w paliwie.

Z kolei misje planetarne wykorzystujące technologię elektrycznego układu napędowego NASA-H71M mogą działać przez 15 000 godzin i przetwarzać ponad 30% początkowej masy małego statku kosmicznego na paliwo. Ta rewolucyjna zdolność znacznie przekracza potrzeby większości komercyjnych misji LEO i wiąże się z dodatkowymi kosztami, co sprawia, że ​​komercjalizacja takich zastosowań jest mało prawdopodobna. Dlatego NASA szukała i nadal poszukuje partnerstwa z firmami opracowującymi innowacyjne koncepcje dla małych komercyjnych misji statków kosmicznych o niezwykle dużych wymaganiach w zakresie przepustowości paliwa.

Model inżynieryjny Northrop Grumman NGHT-1X, silnika z efektem Halla pracującego w zakładzie próżniowym nr 8 w Glenn Research Center. Konstrukcja NGHT-1X oparta jest na silniku efektu Halla NASA-H71M. Źródło: Northrop Grumman

Jednym z partnerów, który wkrótce będzie korzystał z technologii napędu elektrycznego licencjonowanej przez NASA w małych komercyjnych statkach kosmicznych, jest SpaceLogistics, spółka zależna będąca w całości własnością Northrop Grumman. Pojazd do obsługi satelitów Mission Extension Pod (MEP) jest wyposażony w parę silników odrzutowych Northrop Grumman NGHT-1X z efektem Halla, których konstrukcja opiera się na NASA-H71M. Duża siła ciągu umożliwi małemu statkowi kosmicznemu dotarcie na geosynchroniczną orbitę okołoziemską (GEO), gdzie zostanie zamontowany na znacznie większym satelicie. Po zainstalowaniu MEP będzie służyć jako „pakiet napędu odrzutowego”, który przedłuży żywotność statku kosmicznego-gospodarza o co najmniej sześć lat.

Northrop Grumman przeprowadza obecnie długoterminowy test zużycia (LDWT) NGHT-1X w zakładzie rozładunkowym 11 firmy GRC, aby zademonstrować jego zdolność operacyjną w całym okresie eksploatacji. LDWT jest finansowany przez Northrop Grumman na podstawie umowy Space Act podlegającej pełnemu zwrotowi. Oczekuje się, że pierwszy statek kosmiczny MEP wystartuje w 2025 r., co przedłuży żywotność trzech satelitów komunikacyjnych GEO.

Współpraca z przemysłem amerykańskim w celu znalezienia zastosowań dla małych statków kosmicznych o podobnych wymaganiach dotyczących napędu dla przyszłych misji planetarnych NASA nie tylko wspiera przemysł amerykański w utrzymaniu pozycji światowego lidera w komercyjnych systemach kosmicznych, ale stwarza dla NASA nowe możliwości komercyjne w zakresie nabycia tych ważnych technologii w przypadku misji planetarnych tego wymagać. .

NASA w dalszym ciągu rozwija technologie napędu elektrycznego H71M, aby poszerzyć zakres danych i dokumentacji dostępnej dla przemysłu amerykańskiego w celu opracowania podobnie zaawansowanych urządzeń napędu elektrycznego małej mocy.