Все более распространенными становятся недорогие "микроспутники" и "наноспутники", которые намного меньше обычных космических аппаратов. Тысячи миниатюрных спутников могут быть запущены для выполнения различных задач, от получения изображений с высоким разрешением и интернет-услуг до реагирования на стихийные бедствия, мониторинга окружающей среды и военного наблюдения.«Они предлагают возможность для новых миссий, таких как полеты созвездий и исследования, которые их более крупные коллеги не могут выполнить с экономической точки зрения», — сказала Алина Алексеенко, профессор Школы аэронавтики и астронавтики Университета Пердью.
Однако для реализации своего полного потенциала CubeSats потребуются микродвигательные устройства для доставки точных "импульсных битов" малой тяги для научных, коммерческих и военных космических приложений.Она руководила исследованиями по разработке новой микродвигательной системы, в которой используется ультрачистая вода.«Считается, что на марсианском спутнике Фобосе много воды», — сказала она. «что делает его потенциально огромной заправочной станцией в космосе.
Вода также является очень чистым топливом, снижающим риск загрязнения чувствительных инструментов обратным потоком от струй двигателя».Результаты исследования новой системы подробно описаны в документе, представленном на 31-й конференции AIAA / USU по малым спутникам, 5-10 августа в Логане, штат Юта. Видео о работе на YouTube доступно по адресу https://youtu.be/zP72l08yD3Q.В новой системе, называемой настраиваемой решеткой MEMS с испарением пленки или FEMTA, используются капилляры, достаточно маленькие, чтобы использовать микроскопические свойства воды.
Поскольку диаметр капилляров составляет всего около 10 микрометров, поверхностное натяжение жидкости не позволяет ей вытекать даже в космическом вакууме. Активация небольших нагревателей, расположенных около концов капилляров, создает водяной пар и обеспечивает тягу. Таким образом, капилляры становятся клапанами, которые можно включать и выключать, активируя нагреватели. Технология аналогична струйному принтеру, в котором для выталкивания капель чернил используются нагреватели.
Автором исследовательской работы выступила аспирантка Кэтрин Фоуи; студенты бакалавриата Стивен Пугиа, Райан Клей, Мэтью Фуэн и Маргарет Линкер; научный сотрудник постдокторантуры Энтони Кофер; и Алексеенко«Очень необычно, чтобы студенты бакалавриата играли такую важную роль в таких перспективных исследованиях», — сказал Алексеенко.Студенты выполнили исследования в рамках курса проектирования двигателей.
КубСаты состоят из нескольких единиц, каждая размером 10 сантиметров в кубе. В исследовании Purdue четыре двигателя FEMTA, загруженных примерно чайной ложкой воды, были интегрированы в однокомпонентный прототип CubeSat и испытаны в вакууме.
Прототип, который весит 2,8 килограмма, или около шести фунтов, содержал электронику и датчик инерциального измерительного блока для контроля работы двигателя малой тяги, который вращает спутник с помощью кратковременных всплесков водяного пара.Типичные спутники размером со школьный автобус, весят тысячи фунтов и иногда стоят сотни миллионов долларов. И хотя для обычных спутников требуется специализированная электроника, способная противостоять суровым условиям космоса, CubeSat могут быть построены из недорогих готовых компонентов.
Могут быть запущены группировки из множества недорогих одноразовых спутников, что минимизирует последствия потери отдельных спутников.Однако необходимы улучшения в микродвигательных системах для мобилизации спутников и точного управления ими.«В технологии микродвигателя были внесены существенные улучшения, но для интеграции с небольшими космическими кораблями необходимо дальнейшее снижение массы, объема и мощности», — сказал Алексеенко.
Технология FEMTA представляет собой микроэлектромеханическую систему или MEMS, которые представляют собой крошечные машины, содержащие компоненты, измеряемые в масштабе микрон или миллионных долей метра. Двигатель малой тяги продемонстрировал отношение тяги к мощности 230 микроньютон на ватт для импульсов длительностью 80 секунд.«Это очень низкая мощность», — сказал Алексеенко. «Мы демонстрируем, что одно вращение на 180 градусов может быть выполнено менее чем за минуту и требует менее четверти ватта, показывая, что FEMTA является жизнеспособным методом управления ориентацией спутников CubeSats».Подруливающие устройства FEMTA представляют собой микромасштабные сопла, изготовленные на кремниевых пластинах с использованием распространенных в промышленности методов нанопроизводства.
Модель была протестирована в большой вакуумной камере Purdue’s High Vacuum Facility.Хотя исследователи использовали четыре двигателя, которые позволяют спутнику вращаться вокруг одной оси, для полностью функционального спутника потребуется 12 двигателей для вращения по 3 осям.
Команда построила систему с недорогими, коммерчески доступными устройствами, которые являются неотъемлемой частью «Интернета вещей», нового явления, в котором многие предметы повседневного обихода, такие как бытовая техника и автомобили, имеют свои собственные интернет-адреса.«Эти студенты интегрировали все технологии Интернета вещей, о которых, честно говоря, они знают больше, чем я», — сказала она.
Блок инерциальных измерений обрабатывает 10 различных типов измерений, необходимых для маневрирования и управления спутником. Бортовой компьютер по беспроводной сети принимает сигналы для запуска подруливающего устройства и передает данные о движении с помощью этого чипа IMU.
«Что мы действительно хотим сделать дальше, так это интегрировать нашу систему в спутник для реальной космической миссии», — сказала она.Исследование проводилось в сотрудничестве с Центром космических полетов имени Годдарда НАСА в рамках программы SmallSat Technology Partnership космического агентства, которая обеспечила критически важное финансирование с момента создания концепции в 2013 году.
Заявка на патент на концепцию была подана через Управление коммерциализации технологий Purdue Research Foundation. Форсунки для системы были изготовлены на заводе Scifres.
Лаборатория нанотехнологий в Центре нанотехнологий Бирка в парке открытий Пердью.