🧒🏻 🍋 👩🏼‍🎨 Motores de chama e gelo dos satélites 🤚🏼 👇🏻 👩🏿‍🤝‍👨🏽

Oi com voce lozgano papel um tanto incomum do autor de uma postagem no blog corporativo. Em janeiro, a Olimpíada de Segurança de Asteróides foi realizada no ponto de ebulição de Chelyabinsk , no qual Valery Bogdanov e Ruslan Peshkov, construtores de satélites e professores da Universidade Estadual do Sul dos Urais, deram uma palestra para crianças em idade escolar sobre motores de espaçonaves. Este material é um tratamento detalhado da palestra e da minha conversa com eles.

Motor de orientação de combustível de metano-oxigênio, foto da NASA / John H. Glenn Research Center

Riqueza de escolha

A primeira evidência escrita da criação de foguetes remonta ao século XIII. Somente quatro séculos depois, graças a Newton, a humanidade entendeu como eles funcionam. Dica: o foguete não "empurra" - no vácuo, não há nada para empurrar, mas acelera em uma direção devido à liberação da substância na direção oposta. E no século 20, as pessoas, criando satélites, criaram muitas opções para seu movimento, e existem até aquelas que não trabalham com a ejeção em massa. Os principais tipos de motores de satélite podem ser classificados da seguinte forma:

Como geralmente acontece, em nosso mundo, não existe um mecanismo "ideal" para todos os casos, e a tarefa de "escolher um mecanismo para uma espaçonave" pode ter muitas condições diferentes, tornando algumas opções inaceitáveis ou ineficazes. E, para poder comparar qualquer coisa, primeiro precisamos encontrar os critérios pelos quais vamos comparar. Para motores, impulso e impulso específicos podem ser distinguidos.

Impulso específico- uma medida da eficiência do motor. Por definição, é o tempo durante o qual o motor pode desenvolver tração gastando 1 kg de combustível. Se medirmos o impulso do motor em quilogramas (mais precisamente, quilograma-força), o impulso específico será medido em segundos e, se o impulso for medido em Newtons, a unidade de medida será um metro por segundo. De segundos a metros por segundo e vice-versa, o impulso específico pode ser calculado multiplicando ou dividindo pela aceleração da gravidade. O significado da mudança em metros por segundo pode ser mais facilmente compreendido se for representado como a velocidade da substância que sai do motor na saída do bico. Obviamente, quanto maior o impulso específico, mais eficiente será o motor.

Impulso, de fato, é um parâmetro de serviço ou mesmo uma limitação. Motores muito eficientes, que, no entanto, desenvolvem um pouco de tração, não podem ser aplicados em uma situação em que você precise fazer uma manobra que exija uma grande mudança de velocidade e não possa ser esticada no tempo (ou dividida em várias partidas do motor).

A combinação de ambos os valores nos permite construir um gráfico dos motores mais adequados em cada caso.

Fonte: Sistemas de controle reativo para naves espaciais, Belyaev N.M., Belik N.P., Uvarov E.I. - M: Engenharia Mecânica, 1979.

Motores a gás frio

Se você estava interessado na história da astronáutica, sabe que os motores a gás orientavam "Moon-3" e "East", de Gagarin. Agora que os satélites estão abandonando os motores químicos e mudando para eletro-reativos, os motores a gás podem parecer arcaicos devido à tração fraca e ao baixo impulso específico, no entanto, isso não é verdade. Até agora, os projetos são enviados para o espaço em que mecanismos aparentemente desatualizados são melhores que outros. Antes de tudo, o gás comprimido não é tóxico e é perfeito para os foguetes dos astronautas - um possível vazamento não envenenará a tripulação e o escapamento estabelecido no traje não terá que ser desativado.

Bruce McCandless testa a instalação da MMU em 1984, foto da NASA

O projeto de um sistema de propulsão a gás frio é simples e confiável, exceto para cilindros, válvulas solenóides e tubulações, considerando que nada é necessário. Se você tiver reservas pequenas suficientes de velocidade característica (delta-V), esse design será mais fácil do que alternativas mais complexas. Os motores a gás de orientação têm excelente dinâmica - as válvulas são muito rápidas (tempo de reação de até 20 milissegundos) e não precisam, por exemplo, de aquecimento preliminar do catalisador. Devido a essas vantagens, elas são perfeitamente adequadas para sistemas precisos de orientação de baixo impulso, portanto, por exemplo, o telescópio Gaia voava com motores de orientação a gás. O LISA Pathfinderfeitos para testar a possibilidade de o observatório gravitacional trabalhar no espaço e necessitar de movimentos muito precisos, duas opções de motor - gás frio e elétrico com emissão de campo - em voo, eles foram testados com sucesso juntos e separadamente.

O esquema do motor a gás frio. O vermelho é a região de alta pressão de gás, o azul é a região de baixa.

Mas, é claro, você não pode obter muita pressão ou uma grande mudança de velocidade nos motores a gás - o impulso específico de nitrogênio comprimido não passa de 80 segundos, além disso, diminui com a diminuição da pressão no tanque. O hidrogênio comprimido tem um impulso específico de mais de 270 segundos, mas devido à baixa densidade, o impulso acaba sendo irracionalmente pequeno.

Motores de sublimação

No diagrama no canto inferior esquerdo, existem substâncias sublimadas que atuam como um fluido de trabalho. Ou seja, um corpo sólido está no tanque, que, quando aquecido, passa imediatamente para o gás, ignorando o estado líquido. Na vida cotidiana, você pode encontrar "gelo seco" - dióxido de carbono congelado no estado sólido. Devido ao fato de que os motores a gás comprimido podem oferecer grande impulso e impulso específico, eles realmente substituíram os motores de sublimação. Mas o conceito não é abandonado - a pesquisa da NASA, realizada no início dos décimos, considera esses motores promissores, desde que o fluido de trabalho seja extraído no local. Gelo de dióxido de carbono em Marte, metano e monóxido de carbono no sistema solar externo, substâncias voláteis de asteróides e cometas - tudo isso teoricamente pode ser usado como combustível produzido localmente.

O conceito de dispositivo que desvia um cometa de um curso perigoso e utiliza recursos locais como fluido de trabalho, ilustração da NASA

Motores de componente único

Isso não é um incêndio a bordo, mas uma descarga regular de peróxido de hidrogênio usada no sistema de orientação, aterrissagem da Soyuz MS-02, NASA / Bill Ingals photo

Existem substâncias que se decompõem sob certas condições com a liberação de calor e os produtos de decomposição são adequados para direcioná-los para o bico Laval e obter tração. O design ainda é simples, existe apenas uma linha de suprimento de combustível, não há problemas em misturar os componentes na câmara de combustão, as temperaturas não exigem um resfriamento complexo, mas o impulso específico já é maior que o dos motores a gás frio.

Diagrama do motor de componente único

Capacidade de peróxido de hidrogênio concentradodecomposto em um simples catalisador de ferro em água e oxigênio com liberação abundante de calor, tornou-o um tipo popular de combustível de componente único, mesmo no início da exploração espacial - a bomba turbo dos motores do primeiro e do segundo estágio dos foguetes da família R-7 desde 1957 e ainda trabalha na decomposição de peróxido . Os motores de orientação das primeiras versões da sonda Soyuz funcionavam nela, e até agora ela era usada para orientar o veículo de descida. O peróxido concentrado não é tóxico, mas causa queimaduras se entrar em contato com a pele e é explosivo se as linhas estiverem contaminadas. E, no entanto, não funcionará por anos e décadas. O impulso específico é relativamente pequeno, na região de 150 segundos. Devido às duas últimas propriedades, o peróxido é raramente usado agora.

Motor de tração hidrazina 1 Newton, fabricadoA

hidrazina do arianespace se decompõe na presença de um catalisador aquecido a 200-300 ° C. Devido à necessidade de pré-aquecimento, a dinâmica do motor diminui, a hidrazina é muito tóxica, mas, graças ao impulso específico mais alto de 230-240 segundos e à possibilidade de armazenamento a longo prazo, continua a ser uma opção popular para um motor de componente único.

O óxido nitroso também é decomposto na presença de um catalisador, mas a temperaturas mais altas, o que complica o design do motor. Mas é bom porque não é tóxico, não engasga, não causa queimaduras, não é explosivo, não causa corrosão e pode ser armazenado por muito tempo. Na Universidade de Stanford estavamtestou com sucesso motores de óxido nitroso com um empuxo de até 2 Newtons, trabalhando sem destruir o catalisador por mais de uma hora a temperaturas de até 1225 ° C. A temperatura de operação pode ser ainda mais baixa, um artigo da Universidade de Surrey (Grã-Bretanha) mostrou que a uma temperatura de 520 ° C o óxido nitroso se decompõe sem catalisadores, o que permite a criação de motores em decomposição auto-sustentável. Infelizmente, o impulso específico do óxido nitroso é baixo, até 170 segundos.

Câmara catalítica experimental de óxido nitroso, Universidade de Stanford Foto

A toxicidade da hidrazina leva ao estudo de opções mais exóticas, por exemplo, dinitramida de amônio (ADN) ou nitrato de hidroxilamônio (HAN). Tendo um impulso específico ainda um pouco maior que o da hidrazina, esses compostos químicos são muito menos tóxicos, mas requerem altas temperaturas na câmara catalítica.

Hidrazina clássica

A espaçonave deve funcionar por um longo tempo, para que o combustível possa ser armazenado por anos. E se você precisar de mais tração e um impulso específico suficientemente grande, a opção mais desenvolvida e familiar será um mecanismo de dois componentes baseado em dimetil-hidrazina assimétrica (como opção, monometil-hidrazina ou misturas com hidrazina, a chamada aerossina) e diazotetroxido.

Testes de um motor de orientação axial de 200 N em uma câmara de pressão, foto de Arianespace

Esse vapor de combustível tem muitas vantagens - o combustível está em estado líquido à temperatura ambiente, armazenado por anos, auto-inflamado por contato, ou seja, não precisa de sistemas de ignição, possui boa dinâmica e bom impulso específico na região de 320 segundos. Mas, é claro, não sem desvantagens. Ambos os componentes são muito tóxicos, causam corrosão e requerem materiais especiais. E, como agora existem dois componentes, agora temos dois tanques, dois sistemas de suprimento, ou seja, uma probabilidade duas vezes maior de falha e um sistema de mistura dos componentes na câmara de combustão aparece. Por exemplo, em 2010, a sonda Akatsuki não pôde entrar na órbita de Vênus devido a uma falha na válvula de reforço. Como resultado, um excesso de agente oxidante apareceu na mistura, a temperatura da câmara de combustão e do bico aumentou e eles foram danificados irreparavelmente.O dispositivo conseguiu entrar na órbita de Vênus apenas cinco anos depois, depois de realizar uma manobra de frenagem muito longa em motores de orientação de um componente.

Diagrama do sistema de propulsão da sonda Akatsuki, fonte

Devido à combinação de alto impulso e alto impulso específico, os motores desse par de combustível são praticamente incontestados para naves espaciais tripuladas e caminhões de abastecimento da ISS. Até recentemente, eles também eram um clássico familiar para missões interplanetárias e satélites geoestacionários, mas agora nessas áreas eles estão lotados de motores de propulsão elétrica.

Alternativas

As dificuldades de trabalhar com componentes criogênicos não impediram os projetistas. Um exemplo único de motor que utiliza componentes não tóxicos é o sistema de propulsão combinado Buran, que usava oxigênio líquido e querosene. O uso desse par de combustível proporcionou uma ótima relação de potência (impulso específico na região de 358 segundos, superior a UDMH + AT), componentes não tóxicos tornaram a operação do navio mais segura e mais ecológica, além de permitir o uso de oxigênio para sistemas de fornecimento de energia e suporte à vida.

ODU "Burana", um grande tanque de oxigênio líquido é claramente visível, fonte

Soluções técnicas especiais: resfriamento profundo de oxigênio a -210 ° C antes do reabastecimento, agitação constante no tanque e gaseificação antes de serem alimentados aos motores de orientação possibilitaram a criação de um sistema de propulsão capaz de fornecer vôo por até 30 dias.

E em meados da década de 2000, a NASA estava considerando um par de combustível metano-oxigênio para o módulo lunar e a espaçonave tripulada. O metano é muito mais fácil de armazenar na forma líquida do que o hidrogênio, e o impulso específico é maior que o do UDMH-AT. O navio, que se tornou o Orion, acabou recebendo motores hidrazina. Mas a idéia de motores de metano não desaparecerá em lugar algum, porque, para motores que operam com recursos coletados localmente, o metano continua sendo uma opção interessante.

Futuro elétrico

2020, por submissãode especialistas, deve ser o ano em que metade dos novos satélites comerciais usará motores de propulsão elétrica. Dado que eles são os satélites Starlink e OneWeb lançados em massa, agora essa estimativa parece conservadora. O satélite geoestacionário em UDMH + AT alcançará a órbita alvo em no máximo uma semana, mas metade de sua massa inicial será combustível. E nos motores elétricos, a ascensão da órbita levará até seis meses, mas o satélite será 40% mais leve. Os grandes painéis solares instalados para repetidores de alta potência combinam lindamente com motores a jato elétricos. Um ataque elétrico semelhante ocorre no campo de aparelhos científicos - a sonda Dawn, iniciada em 2007, tinha uma reserva recorde de velocidade característica, 11 km / s, inatingível para motores químicos.Todos esses resultados notáveis são possíveis devido ao fato de que o impulso específico dos motores a jato elétricos é uma ordem de magnitude maior que os químicos e, para diferentes modelos, está em uma ampla faixa de vários milhares de segundos. Mas, é claro, tudo tem um preço - o impulso dos motores elétricos a jato é medido em milinewtons e pode ser representado no nível doméstico como o peso de uma moeda pequena.

Dois tipos de motores eletrojato são os mais comuns: os

motores iônicos ionizam o gás por bombardeio de elétrons e emitem os íons resultantes em um campo elétrico.

Em um projeto de efeito Hall , também chamado mecanismo de plasma, o fluido de trabalho é alimentado em uma câmara anular na qual uma diferença de potencial é aplicada. O gás neutro é ionizado e acelerado por um campo elétrico, ejetado do motor em grande velocidade.

Os motores iônicos têm um impulso específico maior, mas até agora sofrem de problemas de durabilidade: devido à grande diferença de potencial entre as grades de aceleração e foco e a erosão com o tempo, a grade irrompe. Hoje, os motores de efeito Hall têm várias vantagens operacionais.

Também existem opções menos comuns. Por exemplo, um eletrotérmico, é também um motor de aquecimento elétrico no qual o combustível é acelerado pelo aquecimento com corrente elétrica. Nos satélites Iridium da primeira geração ( foram construídas um total de 98 peças) , foram instalados sete motores monocomponentes com um empuxo de 1 Newton e um mais eficiente motor de aquecimento elétrico com um empuxo de 0,369 N. Todos os motores foram alimentados por um tanque com hidrazina.

Produção de motores de aquecimento elétrico

Os motores de propulsão Aerojet Rocketdyne Electric são um tópico promissor e, onde você pode fazer sem muita pressão do motor, haverá mais. E quando, finalmente, os reatores nucleares voarem para o espaço, suas enormes capacidades energéticas, combinadas com um impulso específico de propulsão elétrica, abrirão novas perspectivas.

Inflexível demais

Motores propulsores sólidos estão gradualmente perdendo popularidade para naves espaciais. A simplicidade do design e a alta tração não podem compensar uma única inclusão e longe de um impulso específico recorde - cerca de 290 segundos. Mas eles tinham um passado glorioso: nos primeiros Pioneiros, pequenos motores de estado sólido executavam correções de caminho, eram usados como motores de freio nos Mercúrios e Gêmeos tripulados, eram ligados antes das sondas automáticas do Surveyor na lua e por muito tempo foram usadas como apogeu motores, transferindo satélites de uma órbita geotransicional perto de geoestacionário.

Diagrama de satélite geoestacionário Syncom de primeira geração, mecanismo do apogeu no centro esquerdo

Exótico

É possível aquecer o fluido de trabalho não apenas com eletricidade. Muito calor é liberado durante uma reação nuclear e, nos anos 50, surgiram as idéias de um motor ramjet. O hidrogênio deveria entrar no núcleo do reator e ser jogado fora. O impulso específico era esperado na região de 900 segundos. O desenvolvimento foi realizado em ambos os lados do oceano, nos EUA - NERVA, na URSS - RD-0410, mas no final eles foram eliminados. Existem conceitos mais ecológicos de aquecimento, por exemplo, energia solar ou lasers. Na superfície da lua, o regolito se aquece durante o dia acima de cem graus, de modo que o princípio da concentração de luz solar para aquecer o fluido de trabalho é real, mas sem espelhos muito claros, ele perde a massa total do sistema com um motor químico convencional. Conceito experimental de satélite Solar Moth,

Motor NERVA

Também havia projetos mais exóticos: explosivos pulsados, motores baseados em sais de combustível nuclear, motores nucleares em fase gasosa, etc., mas até agora eles não foram além de diagramas e desenhos.

fonte

Para alterar a velocidade, todas as opções acima usaram a liberação da matéria na direção oposta. Mas existem projetos que ficam sem ele. Os mais famosos e bem sucedidos são as velas solares. A sonda IKAROS lançada em Vênus, juntamente com a sonda Akatsuki, lançou uma vela de 14x14 metros em 10 de junho de 2010. O formato da vela era suportado pela rotação do aparelho e a orientação era controlada por LEDs nas bordas, alterando a refletividade. O satélite experimental passou com sucesso por Vênus e, em 2013, graças à vela, mudou sua velocidade em cerca de 400 m / s.

Layout IKAROS reduzido

A lâmina de vela solar não é uma coisa fácil, deve ser aberta, de preferência sem vincos e flacidez, para garantir resistência e controlabilidade, de modo que um micrometeorito aleatório não se torne um desastre para a missão, assim como durabilidade. Existe uma opção potencialmente mais confiável e eficiente - uma vela elétrica. Em vez de um pano frágil, pinos ou cabos finos são abertos, uma pistola de elétrons é colocada no satélite, que ejeta elétrons, e é por isso que o próprio satélite e os cabos adquirem uma carga positiva e repelem os íons do vento solar. Infelizmente, o kubsat estoniano ESTCube-1 não conseguiu abrir a vela no espaço e o Aalto-1 finlandês deveria abrir a vela no ano passado, mas não há notícias sobre isso.

Princípio de funcionamento da vela elétrica, ilustração de Alexandre Szames

As cordas podem ser usadas para frear no campo magnético da Terra ou, inversamente, usadas como um motor. Se desenrolarmos um cabo condutor com um emissor eletrônico no final, uma corrente aparecerá no cabo e o satélite começará a desacelerar sem consumo de combustível. E se você reverter a direção da corrente, poderá acelerar. Infelizmente, o experimento japonês com HTV-KITE falhou - o cabo não se desenrolou.

O princípio da frenagem passiva com um cabo condutor

Após desenrolar o cabo e desenrolar o sistema resultante, você pode converter o momento de rotação em velocidade, desengatando a carga no final no momento certo. Assim, eles retornaram com sucesso (mesmo que não pudessem encontrar mais tarde) a cápsula Fotino do aparelho Photon-M3. Em teoria, os sistemas de cabos rotativos podem ser usados para mover mercadorias entre órbitas, mas até agora esses sistemas funcionam apenas em ficção científica (por exemplo, Neil Stevenson, Semieviye).

Posição mútua de "Photino" e "Photon-M3" ao desenrolar um cabo

Epílogo

O século XXI para os motores de satélite promete não ser menos interessante que o século XX - uma abundância de conceitos diferentes promete novas experiências emocionantes e o desenvolvimento de motores espaciais em muitas direções diferentes.

Motores de chama e gelo dos satélites