Nyt CubeSat fremdriftssystem bruger vand som drivmiddel

En ny type mikrofremdriftssystem til miniaturesatellitter kaldet CubeSats bruger et innovativt design af bittesmå dyser, der frigiver præcise udbrud af vanddamp for at manøvrere rumfartøjet.

Lavpris "mikrosatellitter" og "nanosatellitter" langt mindre end konventionelle rumfartøjer, er blevet mere og mere udbredt. Tusindvis af miniaturesatellitter kan blive opsendt for at udføre en række opgaver, fra højopløselig billedbehandling og internettjenester, til katastrofeberedskab, miljøovervågning og militær overvågning.

"De giver mulighed for nye missioner, såsom konstellationsflyvning og udforskning, som deres større kolleger ikke økonomisk kan opnå, " sagde Alina Alexeenko, en professor ved Purdue University's School of Aeronautics and Astronautics.

Imidlertid, at opnå deres fulde potentiale, CubeSats vil kræve mikrofremdrivningsenheder til at levere præcise "impulsbits" med lavt tryk til videnskabelige, kommercielle og militære rumapplikationer.

Hun har ledet forskning for at udvikle et nyt mikrofremdrivningssystem, der bruger ultrarenset vand.

"Vand menes at være rigeligt på Marsmånen Phobos, " sagde hun. "gør det potentielt til en enorm tankstation i rummet. Vand er også et meget rent drivmiddel, reducerer risikoen for kontaminering af følsomme instrumenter ved tilbagestrømning fra thrusterfaner."

Forskningsresultater om det nye system er beskrevet i et papir, der præsenteres under den 31. AIAA/USU-konference om små satellitter, 5-10 august i Logan, Utah.

Det nye system, kaldet en film-evaporation MEMS Tunable Array, eller FEMTA thruster, bruger kapillærer, der er små nok til at udnytte vands mikroskopiske egenskaber. Fordi kapillærerne kun er omkring 10 mikrometer i diameter, væskens overfladespænding forhindrer den i at strømme ud, selv i rummets vakuum. Aktivering af små varmelegemer placeret nær enderne af kapillærerne skaber vanddamp og giver tryk. På denne måde kapillærerne bliver til ventiler, der kan tændes og slukkes ved at aktivere varmelegemerne. Teknologien ligner en inkjet-printer, som bruger varmeapparater til at skubbe blækdråber ud.

Forskningspapiret er forfattet af kandidatstuderende Katherine Fowee; bachelorstuderende Steven Pugia, Ryan Clay, Matthew Fuehne og Margaret Linker; postdoc-forsker Anthony Cofer; og Alexeenko

"Det er meget usædvanligt for bachelorstuderende at have en så fremtrædende rolle i avanceret forskning som denne, " sagde Alexeenko.

De studerende udførte forskningen som en del af et fremdriftsdesignkursus.

CubeSats består af flere enheder, hver måler 10 centimeter i terninger. I Purdue-forskningen, fire FEMTA thrustere fyldt med omkring en teskefuld vand blev integreret i en CubeSat-prototype med én enhed og testet i vakuum. Prototypen, som vejer 2,8 kg, eller omkring seks pund, indeholdt elektronik og en inertimåleenhedssensor til at overvåge thrustersystemets ydeevne, som roterer satellitten ved hjælp af kortvarige udbrud af vanddamp.

Typiske satellitter er på størrelse med en skolebus, vejer tusindvis af pund og koster nogle gange hundreder af millioner af dollars. Og mens konventionelle satellitter kræver specialiseret elektronik, der kan modstå de barske forhold i rummet, CubeSats kan bygges med lave omkostninger, hylde komponenter. Konstellationer af mange billige, engangssatellitter kan blive opsendt, minimere virkningen af ​​at miste individuelle satellitter.

Imidlertid, der er behov for forbedringer i mikrofremdrivningssystemer for at mobilisere og præcist styre satellitterne.

"Der er sket væsentlige forbedringer i mikrofremdrivningsteknologier, men yderligere reduktioner i masse, bind, og strøm er nødvendige for integration med små rumfartøjer, " sagde Alexeenko.

FEMTA-teknologien er et mikro-elektromekanisk system, eller en MEMS, som er små maskiner, der indeholder komponenter målt på skalaen af ​​mikron, eller milliontedele af en meter. Thrusteren demonstrerede et trækkraft-til-effekt-forhold på 230 mikronewton pr. watt for impulser, der varede 80 sekunder.

"Dette er en meget lav effekt, " sagde Alexeenko. "Vi demonstrerer, at en 180-graders rotation kan udføres på mindre end et minut og kræver mindre end en kvart watt, viser, at FEMTA er en levedygtig metode til attitudekontrol af CubeSats."

FEMTA thrusterne er dyser i mikroskala fremstillet på siliciumwafere ved hjælp af nanofabrikationsteknikker, der er almindelige i industrien. Modellen blev testet i Purdues højvakuumanlægs store vakuumkammer.

Selvom forskerne brugte fire thrustere, som tillader satellitten at rotere på en enkelt akse, en fuldt funktionel satellit ville kræve 12 thrustere til 3-akset rotation.

Holdet byggede systemet med billige, kommercielt tilgængelige enheder, der er integreret i "tingenes internet, "et opstået fænomen, hvor mange hverdagsgenstande såsom hvidevarer og biler har deres egne internetadresser.

"Disse bachelorstuderende integrerede alle IOT-teknologierne, hvilken, ærligt talt, de ved mere om end jeg gør, " hun sagde.

Inertimåleenheden håndterer 10 forskellige typer målinger, der er nødvendige for at manøvrere og styre satellitten. En indbygget computer modtager trådløst signaler til at affyre thrusteren og transmitterer bevægelsesdata ved hjælp af denne IMU-chip.

"Det, vi virkelig ønsker at gøre næste, er at integrere vores system i en satellit til en egentlig rummission, " hun sagde.

Forskningen involverede et samarbejde med NASAs Goddard Space Flight Center gennem rumfartsorganisationens SmallSat Technology Partnership-program, som har givet kritisk finansiering siden konceptets start i 2013.

En patentansøgning for konceptet er blevet indgivet gennem Purdue Research Foundation's Office of Technology Commercialization. Dyserne til systemet blev fremstillet i Scifres

Nanofabrikationslaboratorium i Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park.