Nowatorski napęd elektromagnetyczny dla satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej
Rozwój globalnego rynku małych satelitów wynoszonych na niską orbitę okołoziemską gwałtownie przyspiesza, a konstelacje w kosmosie stają się coraz bardziej rozległe. W latach 2011-2020 na orbitę trafiło około 3 000 małych satelitów z całego świata. Z kolei w samym tylko 2022 roku ich liczba wzrosła o kolejne 2 304 – liczba ta stanowiła 30-procentowy wzrost w porównaniu z poprzednim rokiem. Innowacyjne technologie układów napędowych odegrają kluczową rolę w zwiększaniu niezależności i konkurencyjności Europy w tym kluczowym sektorze gospodarki. Choć dotychczas najpowszechniejszym rozwiązaniem dla małych satelitów pozostawały napędy chemiczne, technologie napędów elektrycznych cieszą się coraz większą popularnością i skupiają na sobie uwagę wielu podmiotów. Jednym z kluczowych założeń elektrycznych układów napędowych nowej generacji jest zmniejszenie kosztów i złożoności przy jednoczesnym wydłużeniu ich okresu eksploatacji. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu HEMPT-NG2 zajął się realizacją obu tych celów, opracowując zaawansowany napęd elektromagnetyczny. Najistotniejsze zalety wyróżniające go od konwencjonalnych elektrostatycznych układów napędowych to znacząco niższe zużycie paliwa, dłuższy okres eksploatacji oraz ograniczona złożoność. Każda z nich może przyczynić się do znaczącego zwiększenia konkurencyjności europejskich rozwiązań na rynku małych satelitów.
Rozwój nowoczesnego napędu plazmowego
Charakteryzujący się wysoką sprawnością wielostopniowy napęd plazmowy działa dzięki jonizacji i przyspieszaniu materiału pędnego za pomocą połączonych pól elektrycznych i magnetycznych. Dzięki temu rozwiązaniu satelity będą miały możliwość korygowania pozycji na orbicie, utrzymywania wysokości, a także zmiany orbity i wykonywania manewrów orbitalnych. Zespół projektu HEMPT-NG2 koncentrował się na dopracowaniu napędu plazmowego, którego projekt powstał w ramach inicjatywy HEMPT-NG. Aby osiągnąć cele projektu, naukowcy przeprowadzili szereg symulacji oraz badań doświadczalnych. W ich realizacji pomogły zaprojektowane narzędzia testowe włączone do procesów montażu, łączenia i testów.
Wyższa sprawność, dłuższa eksploatacja, niższe koszty
Niezbędnym elementem składowym napędu jonowego są magnesy stałe, dzięki którym możliwe jest utrzymanie plazmy. Zdaniem Petera Holtmanna, koordynatora projektu z ramienia niemieckiej spółki Thales: „Komórki magnetyczne ułożone w lustrzanej konfiguracji umożliwiają skuteczne zatrzymywanie elektronów plazmy. Zapobiega to kontaktowi elektronów ze ściankami wylotu, co ogranicza erozję i wydłuża okres eksploatacji oraz poprawia stabilność operacyjną napędu”. Co więcej, skuteczne zatrzymywanie elektronów zapewnia wysoką sprawność jonizacji i znikomą utratę elektronów (prądu). Niewielki prąd startowy elektronów generowany przez katodę jest wzmacniany dzięki lawinowej jonizacji, dzięki czemu plazma jest podtrzymywana przy minimalnym poborze energii elektrycznej. Wysokie napięcie przyspieszające napędu plazmowego umożliwia uzyskanie wyższego impulsu właściwego (skuteczności przetwarzania energii zawartej w paliwie w ciąg), co znacząco zmniejsza zużycie paliwa, a tym samym masę materiału pędnego wynoszonego na orbitę. Co więcej, opracowany przez zespół „elastyczny, wielostopniowy napęd plazmowy o wysokiej sprawności pozwala na realizację wielu funkcji przy wykorzystaniu zarówno tradycyjnego ksenonu, jak i znacznie tańszych materiałów pędnych opartych na kryptonie”, dodaje Holtmann.
Droga do komercjalizacji na rynku satelitów wynoszonych na niską orbitę okołoziemską
Prace zrealizowane w ramach projektu HEMPT-NG2 doprowadziły do powstania niezawodnej konstrukcji o wysokiej sprawności i obniżonych kosztach, przeznaczonej do wykorzystania w elektrycznych układach napędowych. Uniwersalny moduł napędu został zoptymalizowany pod kątem masowej produkcji, a badacze przeprowadzili w ramach projektu analizy rynku, co stanowi istotny krok do komercjalizacji nowatorskiego napędu plazmowego i zwiększenia konkurencyjności Europy w sektorze małych satelitów.
Słowa kluczowe
HEMPT-NG2, napęd, plazma, układ napędowy, napęd plazmowy, materiał pędny, napęd elektryczny, małe satelity, niska orbita okołoziemska, utrzymanie orbity