Lille, men mægtig:Mini -satellit kan lancere en ny æra inden for rumforskning

En lillebitte satellit under opførelse ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) kunne åbne nye horisonter inden for rumforskning. Princeton University -studerende bygger enheden, kaldet en kubisk satellit, eller CubeSat, som testbed for en miniaturiseret raketpropeller med unikke muligheder, der udvikles på PPPL.

Thrusteren, hvis udvikling ledes af PPPL -fysikeren Yevgeny Raitses, holder løftet om øget fleksibilitet for CubeSats mission, mere end 1, 000 af dem er blevet lanceret af universiteter, forskningscentre og kommercielle interesser rundt om i verden. Den foreslåede fremdriftsenhed - drevet af plasma - kunne hæve og sænke banerne for CubeSats, der cirkler jorden rundt, en kapacitet, der ikke stort set er tilgængelig for små rumfartøjer i dag, og ville indeholde potentiale for udforskning af dybt rum. "Grundlæggende, vi vil være i stand til at bruge disse miniaturpropeller til mange missioner, "Sagde Raitses.

Hundredvis af mikrodrevne CubeSats

Et eksempel:Hundredvis af sådanne mikrodrevne CubeSats er forestillet af fysikeren Masaaki Yamada, hovedforsker ved PPPL Magnetic Reconnection Experiment (MRX), som studerer magnetisk genforbindelse - adskillelse og eksplosiv sammenføjning af magnetfeltlinjer i plasma, der udløser auroras, solblusser og geomagnetiske storme, der kan forstyrre mobiltelefontjenester og strømnettet på Jorden. Sådanne CubeSat -flåder kunne i detaljer fange genopkoblingsprocessen i magnetosfæren, magnetfeltet, der omgiver Jorden, Sagde Yamada.

Den miniaturiserede motor nedskalerer en cylindrisk thruster med en høj volumen-til-overflade geometri udviklet ved PPPL Hall Thruster Experiment (HTX), som Raitses leder og lancerede med PPPL-fysiker Nat Fisch i 1999. Forsøget undersøger brugen af ​​plasma-materiens tilstand sammensat af frit svævende elektroner og atomkerner, eller ioner - til fremdrift i rummet.

Vigtig fordel

En vigtig fordel ved den miniaturiserede cylindriske Hall -thruster vil være dens evne til at producere en højere massefylde af raketstød end eksisterende plasma -thrustere, der bruges til de fleste CubeSats, der nu kredser om Jorden. Den miniaturiserede thruster kan opnå både øget densitet og en høj specifik impuls-det tekniske udtryk for, hvor effektivt en raket forbrænder brændstof-der vil være mange gange større end den, der produceres af kemiske raketter og koldgaspropeller, der typisk bruges på små satellitter.

Høje specifikke impuls-thrustere bruger meget mindre brændstof og kan forlænge satellitmissioner, gør dem mere omkostningseffektive. Lige så vigtigt er det, at en høj specifik impuls kan producere en stor nok forøgelse af en satellits momentum til at rumfartøjet kan ændre baner - en funktion, der ikke er tilgængelig på i øjeblikket kredsende CubeSats. Endelig, høj trykdensitet gør det muligt for satellitter at opnå komplekse brændstofoptimerede kredsløb på en rimelig tid.

Disse muligheder giver mange fordele. For eksempel, en CubeSat kan falde til en lavere bane for at spore orkaner eller overvåge kystlinjes ændringer og vende tilbage til en højere bane, hvor trækstyrken på en satellit er svagere, kræver mindre brændstof til fremdrift.

Den omtrent fodlange CubeSat, som Princeton har kaldt en "TigerSat, "består af tre næsten fire tommer aluminiumterninger stablet lodret sammen. Sensorer, batterier, radioudstyr og andre instrumenter vil fylde CubeSat, med en miniaturiseret thruster, der stort set er i diameter til to amerikanske kvartaler, der er placeret i hver ende. En thruster vil affyre for at ændre baner, når satellitten passerer Jordens ækvator.

Maskin- og rumfartsingeniørstuderende

Bygger CubeSat er omkring 10 Princeton kandidat- og bachelorstuderende i Institut for Mekanisk og Rumfartsteknik, med Daniel Marlow, Evans Crawford professor i fysik fra 1911, fungerer som fakultetsrådgiver. Uddannede inkluderer Andrew Redd, der leder design og konstruktion af CubeSat, og Seth Freeman, der arbejder på fuld tid på projektet hen over sommeren. Jacob Simmonds arbejder på thrusterudvikling, en tredje års kandidatingeniørstuderende, hvis speciale -rådgivere er Raitses og Yamada. "Dette projekt begyndte som en prototype af Yamadas CubeSat og har udviklet sig til sit eget projekt som en testbed for plasmastrusteren, "Sagde Simmonds.

Også under konstruktion hos PPPL er en testfacilitet designet til at simulere centrale aspekter af CubeSats drift. Studenter, der arbejder på deres egen tid, bygger satellitten og denne facilitet. "I det omfang studerende og deres rådgivere har identificeret veldefinerede spørgsmål i forbindelse med TigerSat-projektet, de kan få uafhængig arbejdskredit, "Sagde Marlow." Også, nogle problemstillinger i det indledende fysikkursus for studerende, som jeg underviser i, har spørgsmål relateret til TigerSat -flyveplanen. "

Simmonds, mens du arbejder på thrusteren, er ved at udarbejde et forslag til NASA's Cubic Satellite Launch Initiative (CSLI), der skal forventes i november. Projekter valgt af initiativet, som fremmer offentlig-private teknologipartnerskaber og billig teknologiudvikling, har dækket lanceringsomkostninger på erhvervskøretøjer og NASA -køretøjer. Planerne kræver en TigerSat -lancering i efteråret 2021.

Værdi af samarbejde

For Raitses, dette projekt viser værdien af ​​Princeton ingeniørstuderende, der samarbejder med PPPL og af universitetets fakulteter, der samarbejder med laboratoriet. "Dette er noget, der er gensidigt gavnligt, " han sagde, "og noget, som vi vil opmuntre."