Nowe orbity w zasięgu wzroku dzięki silnikom powietrzno-przepływowym
Pędniki z napędem jonowym (EP) są przyszłością satelitów naukowych i komercyjnych. Ale to napęd jest czynnikiem ograniczającym — gdy tylko wyczerpie się gaz napędowy wykorzystywany do wytworzenia ciągu, satelita traci możliwość manewru i osiąga koniec swojej żywotności eksploatacyjnej. Kwestią ta zajmuje się finansowany ze środków UE projekt AETHER — wykorzystuje on gazy resztkowe z górnej atmosfery zamiast pokładowego materiału pędnego, dzięki czemu satelity na bardzo niskiej orbicie okołoziemskiej (VLEO) mogą dłużej pozostawać w użyciu, przez co staną się bardziej opłacalne.
Nowe możliwości na orbicie VLEO
Niebo nad naszymi głowami wypełnia tysiące satelitów, zwłaszcza na niskiej orbicie okołoziemskiej. Orbita VLEO jest kusząca, ponieważ zapewnia zwiększoną rozdzielczość do obserwacji Ziemi i szybszą prędkość w telekomunikacji. Jednak trudno utrzymać satelity na tej wysokości — około 200 km od powierzchni Ziemi. Atmosfera tu jest cienka, ale niepomijalna, przez co satelity na orbicie VLEO muszą ciągle przeciwdziałać oporowi otaczającego powietrza. A to powoduje szybkie wyczerpywanie się paliwa satelity. Wszystko zmieniłoby się, gdyby materiałem napędowym mogło być samo powietrze, którego zasoby są tam niewyczerpane. Chociaż to orbita VLEO stanowi najbardziej gotowy rynkowo scenariusz operacyjny dla powietrzno-przepływowych silników EP, innym odpowiednim zastosowaniem mogłaby być eksploracja innych planet, ponieważ przepływowe pędniki EP wykorzystujące atmosferę mogą być wykorzystywane w pobliżu ciał niebieskich. Dobrymi kandydatami do tego celu są zarówno Mars, jak i księżyc Saturna, Tytan.
Pędnik RAM-EP
Europa jest w awangardzie rozwoju tej technologii. W 2017 r. lider branży lotniczej i kosmicznej, firma SITAEL wyprodukowała i przetestowała na ziemi RAM-EP — pierwszy na świecie pędnik powietrzno-przepływowy. Według Stefana Gregucciego, szefa działu napędów w firmie SITAEL: „Celem projektu AETHER było utorowanie drogi dla satelitów VLEO poprzez skupienie się na optymalizacji układu napędu powietrzno-przepływowego. Układ RAM-EP został opatentowany w ramach projektu AETHER, wzmacniając tym samym pozycję i konkurencyjność firmy SITAEL w tym bardzo obiecującym segmencie rynku”. Chociaż koncepcja silnika wykorzystującego przepływ powietrza jest prosta, stworzenie odpowiedniego układu wiąże się z wieloma wyzwaniami. Aby wytworzyć ciąg, układ musi zebrać napływające powietrze, zjonizować je i przyspieszyć wytworzone jony do prędkości znacznie wyższej od prędkości orbitalnej. W trudnych warunkach panujących na wysokościach VLEO, charakteryzujących się silną korozją pod wpływem tlenu atomowego, materiały poddawane są dużym obciążeniom. Aspekt ten dodatkowo zwiększa złożoność projektu funkcjonalnego RAM-EP. Matteo Ciolini, inżynier ds. napędów w firmie SITAEL, stwierdza: „Dążenie do poprawy zdolności jonizacji doprowadziło do krytycznych termicznych i elektrycznych ograniczeń projektowych, co zmusiło nas do badania nowych materiałów ceramicznych, niekonwencjonalnych kształtów wlotu, a także zaawansowanych procesów produkcyjnych”.
Replikowanie środowiska
Projekt AETHER wychodząc od konstrukcji RAM-EP, ulepszył ją pod wieloma względami. Zespół zaprojektował dwa nowe stopnie przyspieszenia i przetestował jeden z nich z użyciem atmosfery jako paliwa. Aby złagodzić wpływ środowiska, inżynierowie zaprojektowali i przetestowali kompaktową katodę częstotliwości radiowej. Na podstawie symulacji numerycznych przepływu znacznie przeprojektowano pędnik wlotowy. Wreszcie, w ramach projektu AETHER wykorzystano generator przepływu cząstek do symulacji składu atmosfery i prędkości, z jakimi statek kosmiczny ma do czynienia na orbicie VLEO. Kolejne kroki w rozwoju tej przełomowej technologii obejmują testowanie ulepszeń wprowadzonych w trakcie trwania projektu. Ostatecznym celem będzie zaprojektowanie statku kosmicznego wykorzystującego układ RAM-EP. Silniki powietrzno-przepływowe EP w satelitach VLEO są dopiero na horyzoncie, ale projekt AETHER podniósł poziom gotowości technologicznej (TRL) tej ekscytującej innowacji w dziedzinie napędów kosmicznych.
Słowa kluczowe
AETHER, VLEO, satelity, SITAEL, RAM-EP, silniki powietrzno-przepływowe, napęd jonowy, generator przepływu cząstek, technologia przełomowa