science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Zonne-elektrische voortstuwing zorgt ervoor dat NASA's Psyche-ruimtevaartuig gaat

NASA's Psyche-ruimtevaartuig wordt in juli 2021 gefotografeerd tijdens de montage van de missie, toets, en start de operationele fase bij JPL. Hall-stuwraketten zullen het speccraft naar zijn doel in de belangrijkste asteroïdengordel voortstuwen. Krediet:NASA/JPL-Caltech

Als het tijd is voor NASA's Psyche-ruimtevaartuig om zichzelf door de verre ruimte te drijven, het zal meer hersens dan spierkracht zijn die het werk doen. Ooit het spul van sciencefiction, de efficiënte en stille kracht van elektrische voortstuwing zal de kracht leveren die het Psyche-ruimtevaartuig helemaal naar de belangrijkste asteroïdengordel tussen Mars en Jupiter voortstuwt. Het doel van de orbiter:een metaalrijke asteroïde, ook wel Psyche genoemd.

Het ruimtevaartuig zal in augustus 2022 worden gelanceerd en in drie en een half jaar ongeveer 2,4 miljard kilometer afleggen om bij de asteroïde te komen. waarvan wetenschappers denken dat het deel uitmaakt van de kern van een planetesimaal, de bouwsteen van een vroege rotsplaneet. Eenmaal in een baan, het missieteam zal de nuttige lading van wetenschappelijke instrumenten gebruiken om te onderzoeken wat dit unieke doelwit kan onthullen over de vorming van rotsachtige planeten zoals de aarde.

Het ruimtevaartuig zal vertrouwen op de grote chemische raketmotoren van het Falcon Heavy-lanceervoertuig om van het lanceerplatform af te schieten en aan de zwaartekracht van de aarde te ontsnappen. Maar de rest van de reis, zodra Psyche zich losmaakt van het lanceervoertuig, zal steunen op elektrische aandrijving op zonne-energie. Deze vorm van voortstuwing begint met grote zonnepanelen die zonlicht omzetten in elektriciteit, leveren van de krachtbron voor de stuwraketten van het ruimtevaartuig. Ze staan ​​bekend als Hall stuwraketten, en het ruimtevaartuig Psyche zal ze als eerste gebruiken buiten de baan van onze maan.

Links, Xenon-plasma straalt een blauwe gloed uit van een elektrische Hall-thruster die identiek is aan die van NASA's Psyche-ruimtevaartuig naar de belangrijkste asteroïdengordel. Aan de rechterkant is een soortgelijke niet-werkende boegschroef. Krediet:NASA/JPL-Caltech

Voor drijfgas, Psyche zal tanks vol xenon vervoeren, hetzelfde neutrale gas dat wordt gebruikt in koplampen van auto's en plasma-tv's. De vier stuwraketten van het ruimtevaartuig zullen elektromagnetische velden gebruiken om geladen atomen te versnellen en te verdrijven. of ionen, van dat xenon. Als die ionen worden uitgestoten, ze creëren stuwkracht die Psyche zachtjes door de ruimte voortstuwt, die blauwe stralen van geïoniseerd xenon uitzendt.

In feite, de stuwkracht is zo zacht, het oefent ongeveer dezelfde hoeveelheid druk uit die je zou voelen als je driekwart in je hand zou houden. Maar het is genoeg om Psyche door de verre ruimte te versnellen. Zonder atmosferische weerstand om het tegen te houden, het ruimtevaartuig zal uiteindelijk versnellen tot snelheden tot 200, 000 mijl per uur (320, 000 kilometer per uur).

Omdat ze zo efficiënt zijn, De stuwraketten van Psyche's Hall zouden jarenlang bijna non-stop kunnen werken zonder dat de brandstof opraakt. Psyche zal er 2 dragen, 030 pond (922 kilogram) xenon in zijn tanks; ingenieurs schatten dat de missie ongeveer vijf keer zoveel drijfgas zou verbranden als traditionele chemische stuwraketten zouden worden gebruikt.

"Ook in het begin toen we de missie in 2012 voor het eerst ontwierpen, we hadden het over zonne-elektrische voortstuwing als onderdeel van het plan. Zonder het, we zouden de Psyche-missie niet hebben, " zei Lindy Elkins-Tanton van de Arizona State University, die als hoofdonderzoeker de missie leidt. "En het is onderdeel geworden van het karakter van de missie. Er is een gespecialiseerd team voor nodig om trajecten en banen te berekenen met behulp van zonne-elektrische voortstuwing."

Een zachte manoeuvre

Psyche wordt gelanceerd vanaf de historische Pad 39A in het Kennedy Space Center van NASA. De Falcon Heavy zal het ruimtevaartuig zeven maanden later op een baan plaatsen om langs Mars te vliegen voor een zwaartekrachtondersteuning. in mei 2023. Begin 2026, de stuwraketten zullen het delicate werk doen om het ruimtevaartuig in een baan rond asteroïde Psyche te krijgen, een beetje ballet gebruiken om terug in een baan rond zijn doel te komen.

Die taak zal vooral lastig zijn omdat wetenschappers zo weinig weten over de asteroïde, die in telescopen als slechts een klein lichtpuntje verschijnt. Op de grond gebaseerde radar suggereert dat het ongeveer 226 kilometer breed en aardappelvormig is, wat betekent dat wetenschappers pas weten hoe het zwaartekrachtveld werkt. Terwijl de missie haar wetenschappelijk onderzoek gedurende 21 maanden uitvoert, navigatie-ingenieurs zullen de elektrische voortstuwingsstuwraketten gebruiken om het ruimtevaartuig door een reeks banen te vliegen die het ruimtevaartuig geleidelijk dichter en dichter bij Psyche brengen.

NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië, die de missie beheert, gebruikte een soortgelijk voortstuwingssysteem met Deep Space 1 van het bureau die in 1998 werd gelanceerd en langs een asteroïde en een komeet vloog voordat de missie eindigde in 2001. Vervolgens kwam Dawn, die zonne-elektrische voortstuwing gebruikte om naar de asteroïde Vesta en vervolgens de protoplaneet Ceres te reizen en er in een baan omheen te draaien. Het eerste ruimtevaartuig ooit in een baan om twee buitenaardse doelen, de Dawn-missie duurde 11 jaar, eindigend in 2018 toen het de laatste hydrazine-drijfgas gebruikte om zijn oriëntatie te behouden.

Partners in voortstuwing

Maxar Technologies gebruikt al tientallen jaren elektrische aandrijving op zonne-energie om commerciële communicatiesatellieten van stroom te voorzien. Maar voor Psyche, ze moesten de superefficiënte Hall-stuwraketten aanpassen om in de verre ruimte te vliegen, en dat is waar JPL-ingenieurs binnenkwamen. Beide teams hopen dat Psyche, door voor het eerst Hall-stuwraketten te gebruiken buiten de baan om de maan, zal helpen de grenzen van zonne-elektrische voortstuwing te verleggen.

"Elektrische zonne-voortstuwingstechnologie levert de juiste mix van kostenbesparingen, efficiëntie, en macht en zou een belangrijke rol kunnen spelen bij het ondersteunen van toekomstige wetenschappelijke missies naar Mars en daarbuiten, " zei Steven Scott, Maxar's Psyche programmamanager.

Naast het leveren van de stuwraketten, Maxars team in Palo Alto, Californië, was verantwoordelijk voor het bouwen van het chassis van het ruimtevaartuig, waarin het elektrische systeem is ondergebracht, de aandrijfsystemen, het thermische systeem, en het begeleidings- en navigatiesysteem. Wanneer volledig gemonteerd, Psyche zal naar de enorme thermische vacuümkamer van JPL gaan voor tests die de omgeving van de verre ruimte simuleren. Tegen volgend voorjaar, het ruimtevaartuig zal van JPL naar Cape Canaveral worden verscheept voor lancering.