Wetenschap
Purdue University afgestudeerde student Katherine Fowee en postdoctoraal onderzoeksmedewerker Anthony Cofer werken aan een nieuw microvoortstuwingssysteem voor miniatuursatellieten genaamd CubeSats. Krediet:Erin Easterling, Purdue universiteit
Een nieuw type microvoortstuwingssysteem voor miniatuursatellieten, CubeSats genaamd, maakt gebruik van een innovatief ontwerp van kleine sproeiers die precieze uitbarstingen van waterdamp afgeven om het ruimtevaartuig te manoeuvreren.
Goedkope "microsatellieten" en "nanosatellieten" veel kleiner dan conventionele ruimtevaartuigen, zijn steeds gangbaarder geworden. Duizenden miniatuursatellieten kunnen worden gelanceerd om verschillende taken uit te voeren, van beeldverwerking met hoge resolutie en internetdiensten, rampenbestrijding, milieumonitoring en militair toezicht.
"Ze bieden een kans voor nieuwe missies, zoals constellatievliegen en verkenning die hun grotere tegenhangers economisch niet kunnen bereiken, " zei Alina Alexeenko, een professor in Purdue University's School of Aeronautics and Astronautics.
Echter, om hun volledige potentieel te bereiken, CubeSats heeft microvoortstuwingsapparatuur nodig om nauwkeurige "impulsbits" met lage stuwkracht te leveren voor wetenschappelijke, commerciële en militaire ruimtetoepassingen.
Ze leidde onderzoek naar de ontwikkeling van een nieuw microvoortstuwingssysteem dat gebruikmaakt van ultragezuiverd water.
"Er wordt gedacht dat water overvloedig aanwezig is op de Marsmaan Phobos, "zei ze. "waardoor het potentieel een enorm tankstation in de ruimte wordt. Water is ook een zeer schoon drijfgas, vermindering van het risico op besmetting van gevoelige instrumenten door de terugstroming van boegschroefpluimen."
Onderzoeksresultaten over het nieuwe systeem worden gedetailleerd beschreven in een paper dat wordt gepresenteerd tijdens de 31e AIAA/USU-conferentie over kleine satellieten, 5-10 augustus in Logan, Utah.
Het nieuwe systeem, een zogenaamde Film-Evaporation MEMS Tunable Array, of FEMTA boegschroef, gebruikt haarvaten die klein genoeg zijn om de microscopische eigenschappen van water te benutten. Omdat de haarvaten slechts ongeveer 10 micrometer in diameter zijn, de oppervlaktespanning van de vloeistof zorgt ervoor dat deze niet naar buiten stroomt, zelfs in het vacuüm van de ruimte. Het activeren van kleine verwarmingselementen die zich nabij de uiteinden van de haarvaten bevinden, creëert waterdamp en zorgt voor stuwkracht. Op deze manier, de haarvaten worden kleppen die kunnen worden in- en uitgeschakeld door de verwarmers te activeren. De technologie is vergelijkbaar met een inkjetprinter, die gebruikmaakt van verwarmers om inktdruppels naar buiten te duwen.
Het onderzoekspaper is geschreven door afgestudeerde student Katherine Fowee; niet-gegradueerde studenten Steven Pugia, Ryan Klei, Matthew Fuehne en Margaret Linker; postdoctoraal onderzoeksmedewerker Anthony Cofer; en Alexeenko
"Het is zeer ongebruikelijk voor studenten om zo'n prominente rol te spelen in geavanceerd onderzoek als dit, ' zei Alexeenko.
De studenten voerden het onderzoek uit als onderdeel van een cursus voortstuwingsontwerp.
CubeSats zijn opgebouwd uit verschillende eenheden, elk met een afmeting van 10 centimeter in blokjes. In het Purdue-onderzoek vier FEMTA-stuwraketten geladen met ongeveer een theelepel water werden geïntegreerd in een CubeSat-prototype van één eenheid en getest in een vacuüm. Het prototype, die 2,8 kilogram weegt, of ongeveer zes pond, bevatte elektronica en een traagheidsmeeteenheidsensor om de prestaties van het boegschroefsysteem te controleren, die de satelliet roteert met behulp van kortstondige uitbarstingen van waterdamp.
Typische satellieten zijn ongeveer zo groot als een schoolbus, wegen duizenden ponden en kosten soms honderden miljoenen dollars. En hoewel conventionele satellieten gespecialiseerde elektronica nodig hebben die bestand is tegen de barre omstandigheden in de ruimte, CubeSats kunnen tegen lage kosten worden gebouwd, kant-en-klare componenten. Sterrenbeelden van vele goedkope, wegwerpsatellieten kunnen worden gelanceerd, het minimaliseren van de impact van het verliezen van individuele satellieten.
Echter, er zijn verbeteringen nodig in microvoortstuwingssystemen om de satellieten te mobiliseren en nauwkeurig te besturen.
"Er zijn substantiële verbeteringen aangebracht in microvoortstuwingstechnologieën, maar verdere reducties in massa, volume, en stroom zijn nodig voor integratie met kleine ruimtevaartuigen, ' zei Alexeenko.
De FEMTA-technologie is een micro-elektromechanisch systeem, of een MEMS, dat zijn kleine machines die componenten bevatten die zijn gemeten op de schaal van microns, of miljoensten van een meter. De boegschroef vertoonde een stuwkracht-vermogensverhouding van 230 micronewton per watt voor impulsen van 80 seconden.
"Dit is een zeer laag vermogen, "Zei Alexeenko. "We laten zien dat een rotatie van 180 graden in minder dan een minuut kan worden uitgevoerd en minder dan een kwart watt nodig heeft, wat aantoont dat FEMTA een haalbare methode is voor houdingscontrole van CubeSats."
De FEMTA-stuwraketten zijn mondstukken op microschaal die op siliciumwafels zijn vervaardigd met behulp van nanofabricagetechnieken die in de industrie gebruikelijk zijn. Het model werd getest in de grote vacuümkamer van Purdue's High Vacuum Facility.
Hoewel de onderzoekers vier stuwraketten gebruikten, waardoor de satelliet om een enkele as kan draaien, een volledig functionele satelliet zou 12 stuwraketten nodig hebben voor 3-assige rotatie.
Het team bouwde het systeem met goedkope, in de handel verkrijgbare apparaten die een integraal onderdeel vormen van het "internet of things, " een opkomend fenomeen waarbij veel alledaagse voorwerpen zoals apparaten en auto's hun eigen internetadres hebben.
"Deze niet-gegradueerde studenten integreerden alle IOT-technologieën, die, eerlijk gezegd, zij weten er meer van dan ik, " ze zei.
De traagheidsmeeteenheid verwerkt 10 verschillende soorten metingen die nodig zijn om de satelliet te manoeuvreren en te besturen. Een boordcomputer ontvangt draadloos signalen om de boegschroef af te vuren en verzendt bewegingsgegevens met behulp van deze IMU-chip.
"Wat we nu echt willen doen, is ons systeem integreren in een satelliet voor een echte ruimtemissie, " ze zei.
Het onderzoek omvatte een samenwerking met het Goddard Space Flight Center van NASA via het SmallSat Technology Partnership-programma van het ruimteagentschap, die sinds het begin van het concept in 2013 voor cruciale financiering zorgde.
Een octrooiaanvraag voor het concept is ingediend via het Office of Technology Commercialization van de Purdue Research Foundation. De sproeiers voor het systeem zijn vervaardigd in de Scifres
Nanofabricagelaboratorium in het Birck Nanotechnology Centre in Purdue's Discovery Park.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com