🚵🏼 🧕 🏑 Flaming dan Ice Motors dari Satelit 👋🏾 🗻 😶

Hai bersamamu lozgadalam peran yang agak tidak biasa dari penulis posting blog perusahaan. Pada bulan Januari, Olimpiade Keselamatan Asteroid diadakan di Chelyabinsk Boiling Point , di mana Valery Bogdanov dan Ruslan Peshkov, pembangun satelit dan guru dari Universitas Negeri Ural Selatan, memberikan kuliah untuk anak-anak sekolah tentang mesin untuk pesawat ruang angkasa. Materi ini adalah perawatan rinci dari ceramah dan percakapan saya dengan mereka.

Mesin Orientasi Bahan Bakar Metana-Oksigen, NASA Photo / Pusat Penelitian John H. Glenn

Kekayaan pilihan

Bukti tertulis pertama tentang penciptaan roket berasal dari abad ke-13. Hanya empat abad kemudian, terima kasih kepada Newton, apakah manusia memahami cara kerjanya. Petunjuk: roket tidak "mendorong" - dalam ruang hampa tidak ada yang mendorong, tetapi mempercepat dalam satu arah karena pelepasan zat ke arah yang berlawanan. Dan di abad ke-20, orang-orang, yang menciptakan satelit, muncul dengan banyak pilihan untuk gerakan mereka, dan bahkan ada yang tidak bekerja dengan pengusiran massal. Jenis utama dari mesin satelit dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

Seperti yang sering terjadi, di dunia kita, tidak ada mesin "ideal" untuk semua kasus, dan tugas "memilih mesin untuk pesawat ruang angkasa" dapat memiliki banyak kondisi yang berbeda, membuat beberapa opsi tidak dapat diterima atau tidak efektif. Dan untuk dapat membandingkan apa pun, pertama-tama kita perlu menemukan kriteria yang akan kita bandingkan. Untuk mesin, dorongan dan dorongan spesifik dapat dibedakan.

Impuls spesifik- ukuran efisiensi mesin. Menurut definisi, ini adalah waktu di mana mesin dapat mengembangkan traksi dengan menghabiskan 1 kg bahan bakar. Jika kita mengukur daya dorong mesin dalam kilogram (lebih tepatnya, gaya kilogram), maka impuls spesifik akan diukur dalam hitungan detik, dan jika gaya dorong diukur dalam Newton, maka unit pengukuran akan menjadi satu meter per detik. Dari detik ke meter per detik dan sebaliknya, impuls spesifik dapat dihitung dengan mengalikan atau membaginya dengan percepatan gravitasi. Arti dari perubahan dalam meter per detik dapat lebih mudah dipahami jika direpresentasikan sebagai kecepatan zat yang mengalir keluar dari mesin di pintu keluar nozzle. Jelas, semakin besar impuls spesifik, semakin efisien mesinnya.

Dorongan, pada kenyataannya, adalah parameter layanan atau bahkan batasan. Mesin yang sangat efisien, yang, bagaimanapun, mengembangkan sedikit daya cengkeram, tidak dapat diterapkan dalam situasi di mana Anda perlu melakukan manuver yang membutuhkan perubahan besar dalam kecepatan dan tidak dapat ditarik dalam waktu (atau dibagi menjadi banyak engine start).

Kombinasi dari kedua nilai memungkinkan kita untuk membuat grafik dari mesin yang paling cocok dalam setiap kasus.

Sumber: Sistem kontrol reaktif untuk pesawat ruang angkasa, Belyaev N.M., Belik N.P., Uvarov E.I. - M .: Teknik Mesin, 1979.

Mesin gas dingin

Jika Anda tertarik pada sejarah astronotika, maka Anda tahu bahwa mesin gas berorientasi "Bulan-3" dan "Timur" Gagarin. Sekarang satelit meninggalkan mesin kimia dan beralih ke elektro-reaktif, mesin gas mungkin tampak kuno karena traksi yang lemah dan impuls spesifik yang rendah, tetapi ini tidak demikian. Sampai sekarang, desain dikirim ke ruang angkasa yang mesinnya sudah ketinggalan zaman lebih baik daripada yang lain. Pertama-tama, gas terkompresi tidak beracun dan sangat cocok untuk paket roket para astronot - kemungkinan kebocoran tidak akan meracuni kru, dan knalpot yang diletakkan pada setelan tidak harus dinonaktifkan.

Bruce McCandless menguji instalasi MMU pada tahun 1984, foto NASA

Desain sistem propulsi gas dingin sederhana dan andal, kecuali untuk silinder, katup solenoid, dan jaringan pipa, menganggap bahwa tidak ada yang diperlukan. Jika Anda memiliki cadangan kecepatan karakteristik (delta-V) yang cukup kecil, maka desain ini akan lebih mudah daripada alternatif yang lebih kompleks. Mesin gas orientasi memiliki dinamika yang sangat baik - katupnya sangat cepat (waktu reaksi hingga 20 milidetik) dan tidak perlu, katakanlah, pemanasan awal katalis. Karena keunggulan ini, mereka sangat cocok untuk sistem orientasi dorong rendah yang akurat, oleh karena itu, misalnya, teleskop Gaia terbang dengan mesin orientasi gas. The LISA Pathfinderdibuat untuk menguji kemungkinan observatorium gravitasi bekerja di ruang angkasa dan membutuhkan gerakan yang sangat tepat, dua opsi mesin - gas dingin dan listrik dengan emisi medan, dalam penerbangan, mereka berhasil diuji bersama-sama dan secara terpisah.

Skema mesin pada gas dingin. Merah adalah daerah tekanan gas tinggi, biru adalah wilayah rendah.

Tapi, tentu saja, Anda tidak bisa mendapatkan banyak dorongan atau perubahan besar dalam kecepatan pada mesin gas - dorongan spesifik nitrogen terkompresi tidak lebih dari 80 detik, apalagi, berkurang dengan penurunan tekanan di dalam tangki. Hidrogen terkompresi memiliki dorongan spesifik lebih dari 270 detik, tetapi karena kepadatannya rendah, daya dorongnya kecil dan tidak rasional.

Mesin sublimasi

Dalam diagram di sudut kiri bawah ada zat-zat sublimasi yang bertindak sebagai fluida kerja. Artinya, benda padat ada di dalam tangki, yang, ketika dipanaskan, segera masuk ke gas, melewati keadaan cair. Dalam kehidupan sehari-hari, Anda bisa bertemu "es kering" - karbon dioksida yang dibekukan menjadi padat. Karena fakta bahwa mesin gas kompresi dapat menawarkan dorongan besar dan impuls spesifik, mereka sebenarnya menggantikan mesin sublimasi. Tetapi konsep itu tidak ditinggalkan sama sekali - penelitian NASA, dilakukan pada awal persepuluh, menganggap mesin seperti itu menjanjikan, asalkan fluida kerja diekstraksi di tempat. Es karbon dioksida di Mars, metana, dan karbon monoksida di tata surya luar, zat asteroid dan komet yang mudah menguap - semua ini secara teoritis dapat digunakan sebagai bahan bakar yang diproduksi secara lokal.

Konsep perangkat menyimpang dari komet dari jalur berbahaya dan menggunakan sumber daya lokal sebagai cairan kerja, ilustrasi NASA

Mesin komponen tunggal

Ini bukan api di atas kapal, tetapi pelepasan hidrogen peroksida yang biasa digunakan dalam sistem orientasi, pendaratan Soyuz MS-02, NASA / Bill Ingals foto

Ada zat yang terurai dalam kondisi tertentu dengan melepaskan panas, dan produk penguraian sangat cocok untuk untuk mengarahkan mereka ke nosel Laval dan mendapatkan traksi. Desainnya masih sederhana, hanya ada satu jalur pasokan bahan bakar, tidak ada masalah pencampuran komponen di ruang bakar, suhu tidak memerlukan pendinginan yang kompleks, tetapi impuls spesifik sudah lebih tinggi daripada mesin gas dingin.

Diagram Mesin Komponen Tunggal

Kemampuan Hidrogen Peroksida Terkonsentrasiterurai pada katalis besi sederhana menjadi air dan oksigen dengan pelepasan panas yang melimpah membuatnya menjadi jenis bahan bakar komponen tunggal yang populer bahkan pada awal eksplorasi ruang angkasa - pompa turbo dari mesin roket R-7 tahap pertama dan kedua sejak 1957 dan masih bekerja pada dekomposisi peroksida . Mesin orientasi versi pertama dari pesawat ruang angkasa Soyuz bekerja di dalamnya, dan sampai sekarang telah digunakan untuk mengorientasikan kendaraan keturunan. Peroksida terkonsentrasi tidak beracun, tetapi menyebabkan luka bakar jika bersentuhan dengan kulit dan meledak jika garis-garis tersebut terkontaminasi. Namun itu tidak akan berhasil selama bertahun-tahun dan puluhan tahun. Impuls spesifik relatif kecil, di wilayah 150 detik. Karena dua sifat terakhir, peroksida jarang digunakan sekarang.

Motor traksi hidrazin 1 Newton, diproduksiHydrazine Arianespace

terurai dengan adanya katalis yang dipanaskan hingga 200-300 ° C. Karena kebutuhan untuk pemanasan awal, dinamika mesin turun, hidrazin sangat beracun, tetapi, berkat dorongan spesifik tertinggi 230-240 detik dan kemungkinan penyimpanan jangka panjang, itu tetap menjadi pilihan populer untuk mesin komponen tunggal.

Nitro oksida juga dapat terurai di hadapan katalis, tetapi pada suhu yang lebih tinggi, yang memperumit desain mesin. Tapi itu baik karena tidak beracun, tidak tersedak, tidak menyebabkan luka bakar, tidak meledak, tidak menyebabkan korosi dan dapat disimpan untuk waktu yang sangat lama. Di Universitas Stanford adamesin yang berhasil diuji untuk nitro oksida dengan daya dorong hingga 2 Newton, bekerja tanpa merusak katalis selama lebih dari satu jam pada suhu hingga 1225 ° C. Temperatur pengoperasian mungkin bahkan lebih rendah, sebuah artikel oleh University of Surrey (Inggris Raya) menunjukkan bahwa pada suhu 520 ° C nitro oksida terurai tanpa katalis, yang memungkinkan pembuatan mesin pada dekomposisi mandiri. Sayangnya, impuls spesifik nitro oksida rendah, hingga 170 detik.

Nitrous Oxide Experimental Catalytic Chamber, Stanford University Photo

Toksisitas hidrazin mengarah pada studi pilihan yang lebih eksotis, misalnya, amonium dinitramida (ADN) atau hidroksilammonium nitrat (HAN). Memiliki impuls spesifik bahkan sedikit lebih besar daripada hidrazin, senyawa kimia ini jauh lebih sedikit beracun, tetapi membutuhkan suhu tinggi di ruang katalitik.

Hydrazine klasik

Pesawat ruang angkasa harus bekerja untuk waktu yang lama, jadi bahan bakar untuk itu harus dapat disimpan selama bertahun-tahun. Dan jika Anda membutuhkan banyak daya tarik dan impuls spesifik yang cukup besar, maka opsi yang paling berkembang dan dikenal adalah mesin dua komponen yang didasarkan pada dimethylhydrazine asimetris (sebagai opsi, monomethylhydrazine atau campuran dengan hidrazin, yang disebut aerosin) dan diazotetroxide.

Tes mesin orientasi dorong 200 N di ruang tekanan, foto oleh Arianespace

Uap bahan bakar ini memiliki banyak keuntungan - bahan bakar dalam keadaan cair pada suhu kamar, disimpan selama bertahun-tahun, dapat menyala sendiri saat kontak, yaitu, tidak memerlukan sistem pengapian, memiliki dinamika yang baik dan dorongan spesifik yang baik di wilayah 320 detik. Tapi, tentu saja, bukan tanpa kekurangan. Kedua komponen sangat beracun, menyebabkan korosi dan memerlukan bahan khusus. Dan, karena sekarang ada dua komponen, sekarang kita memiliki dua tangki, dua sistem pasokan, yaitu, probabilitas kegagalan dua kali lebih tinggi, dan sistem pencampuran komponen dalam ruang pembakaran muncul. Misalnya, pada 2010, penyelidikan Akatsuki tidak bisa memasuki orbit Venus karena kegagalan katup penambah. Akibatnya, kelebihan zat pengoksidasi muncul dalam campuran, suhu ruang bakar dan nosel meningkat, dan mereka rusak tidak dapat diperbaiki.Perangkat ini dapat memasuki orbit Venus hanya lima tahun kemudian, setelah melakukan manuver pengereman yang sangat lama pada mesin orientasi komponen tunggal.

Diagram sistem propulsi probe Akatsuki, sumber

Karena kombinasi daya dorong tinggi dan impuls spesifik tinggi, mesin pada pasangan bahan bakar ini praktis tidak terbantahkan untuk pesawat ruang angkasa berawak dan truk pasokan ISS. Sampai baru-baru ini, mereka juga merupakan karya klasik yang dikenal untuk misi antarplanet dan satelit geostasioner, tetapi sekarang di daerah-daerah ini mereka dipenuhi oleh mesin penggerak listrik.

Alternatif

Kesulitan bekerja dengan komponen kriogenik tidak menghentikan desainer. Contoh unik dari mesin yang menggunakan komponen tidak beracun adalah sistem propulsi gabungan Buran, yang menggunakan oksigen cair dan minyak tanah. Penggunaan pasangan bahan bakar ini memberikan rasio kekuatan yang besar (impuls spesifik di wilayah 358 detik, lebih tinggi dari UDMH + AT), komponen yang tidak beracun membuat pengoperasian kapal lebih aman dan lebih ramah lingkungan, dan juga memungkinkan penggunaan oksigen untuk catu daya dan sistem pendukung kehidupan.

ODU "Burana", tangki besar oksigen cair terlihat jelas, sumbernya

Solusi teknis khusus: pendinginan oksigen dalam -210 ° C sebelum pengisian bahan bakar, pencampuran konstan dalam tangki dan gasifikasi sebelum dimasukkan ke mesin orientasi memungkinkan kami untuk membuat sistem propulsi yang dapat menyediakan penerbangan hingga 30 hari.

Dan di pertengahan tahun 2000-an, NASA sedang mempertimbangkan pasangan bahan bakar metana-oksigen untuk modul bulan dan pesawat ruang angkasa berawak. Metana jauh lebih mudah disimpan dalam bentuk cair daripada hidrogen, dan impuls spesifik lebih tinggi daripada UDMH-AT. Kapal, yang menjadi Orion, akhirnya menerima mesin hidrazin. Tetapi gagasan mesin metana tidak akan hilang di mana pun, karena untuk mesin yang beroperasi pada sumber daya yang dikumpulkan secara lokal, metana tetap merupakan opsi yang menarik.

Masa depan listrik

2020, dengan tundukpara ahli, harus menjadi tahun ketika setengah dari satelit komersial baru akan menggunakan mesin penggerak listrik. Mengingat mereka adalah satelit Starlink dan OneWeb yang diluncurkan secara masif, sekarang perkiraan ini terlihat konservatif. Satelit geostasioner pada UDMH + AT akan mencapai target orbit dalam maksimum satu minggu, tetapi setengah dari massa awalnya akan menjadi bahan bakar. Dan pada mesin listrik, kenaikan orbit akan memakan waktu hingga enam bulan, tetapi satelit akan menjadi 40% lebih ringan. Panel surya besar yang dipasang untuk repeater daya tinggi berpadu indah dengan mesin jet listrik. Serangan listrik serupa terjadi di kamp peralatan ilmiah - penyelidikan Fajar yang berangkat pada 2007 memiliki rekor kecepatan, 11 km / dtk, tidak dapat dicapai untuk mesin kimia.Semua hasil yang luar biasa ini dimungkinkan karena fakta bahwa dorongan spesifik dari mesin jet listrik adalah urutan besarnya lebih besar daripada yang kimiawi dan untuk model yang berbeda berada dalam kisaran beberapa ribu detik. Tapi, tentu saja, semuanya memiliki harga - daya dorong mesin jet listrik diukur dalam milinewton, dan itu dapat diwakili di tingkat rumah tangga sebagai berat koin kecil.

Dua jenis mesin elektro-jet paling umum:

mesin ionisasi gas dengan ion bombardir dan memancarkan ion yang dihasilkan dalam medan listrik.

Dalam desain efek Hall , juga sering disebut mesin plasma, fluida yang bekerja dimasukkan ke dalam ruang annular dimana perbedaan potensial diterapkan. Gas netral diionisasi dan dipercepat oleh medan listrik, dikeluarkan dari mesin dengan kecepatan tinggi.

Mesin ion memiliki dorongan spesifik yang lebih besar, tetapi sejauh ini menderita masalah dengan daya tahan: dari perbedaan potensial yang besar antara kisi-kisi percepatan dan fokus dan erosi dengan waktu, kisi pecah. Jadi hari ini, mesin efek Hall memiliki sejumlah keunggulan operasional.

Ada juga opsi yang kurang umum. Misalnya, electrothermal, itu juga merupakan mesin pemanas listrik di mana bahan bakar dipercepat dengan pemanasan dengan arus listrik. Pada satelit Iridium generasi pertama (total 98 buah dibangun) , tujuh mesin komponen tunggal dengan daya dorong 1 Newton dan satu mesin pemanas listrik lebih efisien dengan daya dorong 0,369 N dipasang . Semua mesin didukung oleh satu tangki dengan hidrazin.

Produksi mesin pemanas listrik

Mesin penggerak Aerojet Rocketdyne Electric adalah topik yang menjanjikan, dan di mana Anda dapat melakukannya tanpa banyak tenaga mesin, akan ada lebih banyak. Dan ketika, akhirnya, reaktor nuklir terbang ke luar angkasa, kemampuan energi mereka yang sangat besar, dikombinasikan dengan dorongan khusus dari tenaga listrik, akan membuka perspektif baru.

Terlalu tidak fleksibel

Mesin propelan padat secara bertahap kehilangan popularitas untuk pesawat ruang angkasa. Kesederhanaan desain dan traksi tinggi tidak dapat mengimbangi satu inklusi dan jauh dari impuls spesifik rekaman - sekitar 290 detik. Tetapi mereka memiliki masa lalu yang gemilang: pada Perintis pertama, mereka akan melakukan koreksi jalur dengan mesin solid-state kecil, mereka digunakan sebagai mesin rem pada Merkurius berawak dan Gemini, mereka dinyalakan sebelum probe otomatis Surveyor di bulan, dan untuk waktu yang lama mereka digunakan sebagai yang apogee. mesin, mentransfer satelit dari orbit geo-transisi dekat dengan geostasioner.

Diagram Sinkron Geostasioner Generasi Pertama, mesin apogee tengah-kiri

Eksotik

Dimungkinkan untuk memanaskan fluida kerja tidak hanya dengan listrik. Banyak panas dilepaskan selama reaksi nuklir, dan kembali pada 50-an ide-ide mesin ramjet muncul. Hidrogen seharusnya memasuki inti reaktor dan dibuang. Impuls spesifik diharapkan di wilayah 900 detik. Pengembangan dilakukan di kedua sisi samudera, di Amerika Serikat - NERVA, di Uni Soviet - RD-0410, tetapi pada akhirnya mereka dihapuskan.

Mesin NERVA

Ada desain yang lebih eksotis: bahan peledak berdenyut, mesin pada garam bahan bakar nuklir, mesin nuklir fase gas, dll., Tetapi sejauh ini mereka tidak melampaui diagram dan gambar.

Ada konsep pemanasan yang lebih ramah lingkungan, misalnya, energi matahari atau laser. Pada permukaan bulan, regolith menghangat pada siang hari di atas seratus derajat, sehingga prinsip konsentrasi sinar matahari untuk memanaskan fluida kerja adalah nyata, tetapi tanpa cermin yang sangat ringan itu akan kehilangan massa total sistem dengan mesin kimia konvensional.

Konsep Satelit Eksperimental Ngengat Surya, Sumber

Untuk mengubah kecepatan, semua opsi di atas menggunakan pelepasan materi ke arah yang berlawanan. Tetapi ada desain yang melakukannya tanpa itu. Yang paling terkenal dan sukses adalah layar surya. Pesawat ruang angkasa IKAROS diluncurkan ke Venus bersama dengan probe Akatsuki meluncurkan layar 14x14 meter pada 10 Juni 2010. Bentuk layar didukung oleh rotasi peralatan, dan orientasi dikontrol oleh LED di bagian tepi yang mengubah reflektivitas. Satelit eksperimental berhasil terbang melewati Venus dan pada 2013, berkat layarnya, ia mengubah kecepatannya sekitar 400 m / s.

Mengurangi tata letak IKAROS

Bilah berlayar surya bukanlah hal yang mudah, harus dibuka, idealnya tanpa lipatan dan kendur, untuk memastikan kekuatan dan kemampuan kontrol sehingga mikrometeorit acak tidak menjadi bencana bagi misi, serta ketahanan. Ada opsi yang berpotensi lebih andal dan efisien - layar listrik. Alih-alih panel rapuh, pin tipis atau kabel dibuka, senjata elektron ditempatkan pada satelit, yang mengeluarkan elektron, karena itu satelit itu sendiri dan kabel memperoleh muatan positif dan mengusir ion angin matahari. Sayangnya, percobaan eksperimental kubsat ESTCube-1 tidak dapat membuka layar di luar angkasa, dan Aalto-1 dari Finlandia seharusnya membuka layar tahun lalu, tetapi tidak ada berita tentang itu.

Prinsip kerja berlayar listrik, ilustrasi oleh Alexandre Szames

Tali dapat digunakan untuk pengereman di medan magnet Bumi atau, sebaliknya, digunakan sebagai mesin. Jika kita melepas kabel konduktif dengan penghasil elektronik di ujungnya, arus akan muncul di kabel dan satelit akan mulai melambat tanpa konsumsi bahan bakar. Dan jika Anda membalikkan arah arus, maka Anda bisa mempercepat. Sayangnya, percobaan HTV-KITE Jepang gagal - kabel tidak lepas.

Prinsip pengereman pasif dengan kabel konduktif

Setelah melepaskan kabel dan melepas sistem yang dihasilkan, Anda dapat mengubah momen rotasi menjadi cepat, melepaskan beban di ujung pada saat yang tepat. Dengan demikian, mereka berhasil mengembalikan (bahkan jika mereka tidak dapat menemukan nanti) kapsul Fotino dari peralatan Photon-M3. Secara teori, sistem kabel yang berputar dapat digunakan untuk memindahkan barang antar orbit, tetapi sejauh ini sistem tersebut hanya bekerja dalam fiksi ilmiah (misalnya, Neil Stevenson, Semieviye).

Posisi saling "Photino" dan "Photon-M3" saat membuka gulungan kabel

Epilog

Abad ke dua puluh satu untuk mesin satelit menjanjikan tidak kalah menariknya dengan yang kedua puluh - banyak konsep yang berbeda menjanjikan eksperimen baru yang menarik dan pengembangan mesin ruang angkasa di berbagai arah yang berbeda.

Flaming dan Ice Motors dari Satelit