Elektrische voortstuwing van kleine ruimtevaartuigen opent nieuwe mogelijkheden in de diepe ruimte

[univers]

Een afbeelding van Northrop Grumman's kleine elektrische voortstuwingsschroef tijdens het testen in het Electric Power and Propulsion Laboratory van NASA Glenn Research Center.
Credits: Northrop Gruman

Het pad naar de maan, Mars en verder vereist een vloot van ruimtevaartuigen in veel verschillende vormen en maten, inclusief alles van enorme raketten die miljoenen ponden stuwkracht produceren tot baanbrekende kleine elektrische voortstuwingsmotoren die in de palm van je hand passen.

Decennia lang hebben vernieuwers van NASA's Glenn Research Center grote, krachtige elektrische voortstuwingssystemen (EP) ontwikkeld die de kracht van de zon benutten om inerte gassen van energie te voorzien en deze om te zetten in uiterst efficiënte stuwkracht. Een hoger brandstofverbruik betekent dat er minder drijfgas nodig is, waardoor de lanceringskosten worden verlaagd, terwijl ruimtevaartuigontwerpers het totale gewicht van het ruimtevaartuig kunnen verminderen om meer nuttige lading te vervoeren, zoals technologiedemonstraties of krachtigere wetenschappelijke instrumenten.

De voornaamste EP-inspanningen van het agentschap waren gericht op grote verkennings- en wetenschappelijke missies, zoals het 7 kilowatt (kW) NEXT-C gridded-ion-systeem dat momenteel op de Double Asteroid Redirection Test- missie vliegt en het 12-kW Advanced Electric Propulsion System dat wordt gebruikt op de Kracht- en voortstuwingselement voor het in een baan om de maan draaiende ruimtestation van NASA dat bekend staat als Gateway .

In de afgelopen vijf jaar heeft het Small Spacecraft Electric Propulsion (SSEP) -project bij NASA Glenn echter geavanceerde sub-kilowatt (<1 kW) Hall-effect-thruster- en stroomverwerkingstechnologieën bevorderd om kleinere ruimtevaartuigen mogelijk te maken. Door kleinere vaartuigen te gebruiken - die in de kofferbak van uw auto passen in plaats van de grootte van uw auto - opent het bureau meer mogelijkheden om ambitieuze deep space-missies uit te voeren tegen een fractie van de kosten.

In samenwerking met de Amerikaanse industrie heeft SSEP een lichtgewicht boegschroef ontwikkeld die een klein ruimtevaartuig van de aarde naar de maan, Mars en verder kan voortstuwen - een stap hoger dan de meeste bestaande laagvermogen elektrische voortstuwingssystemen die commercieel worden geproduceerd voor operaties in een lage baan om de aarde.

"Het was een uitdaging om de omvang en het vermogen van Hall-effect-thrustertechnologieën te verkleinen, terwijl de uitzonderlijke voortstuwingsprestaties behouden blijven", zegt Gabriel Benavides, de hoofdingenieur van het SSEP-project bij NASA Glenn. "Het is alsof je een auto van speelgoedformaat vraagt ​​om door het land te rijden met hetzelfde bereik en dezelfde functionaliteit als een personenauto op ware grootte."

Glenn-onderzoekers hebben belangrijke technologieën kunnen miniaturiseren om de nieuwe stuwraketten te creëren. De SSEP-voortstuwingssystemen maken bijvoorbeeld gebruik van een geoptimaliseerde magnetische veldtopologie en een in het midden gemonteerde kathode, die oorspronkelijk zijn ontwikkeld voor geavanceerde toepassingen met gemiddeld en hoog vermogen. Dergelijke technologieën zijn essentieel voor het bereiken van de prestaties, de zeer lange levensduur en het brandstofverbruik die nodig zijn voor planetaire missies.

Missie-ontwikkelaars stellen zich voor om kleine ruimtevaartuigen in te zetten voor alles, van een cluster van kleine, in een baan om de maan draaiende communicatiesatellieten om gegevens van maanrovers en astronauten terug naar de aarde door te sturen, tot wetenschappelijke missies in de diepe ruimte naar Venus, Mars, asteroïden en zelfs de buitenste planeten.

"Tientallen kleine ruimtevaartuigen passen in de laadstroomlijn van een enkele grote chemische raket die de ruimte in wordt gelanceerd", legt Benavides uit. "Als ze eenmaal zijn ingezet, kunnen ze elk zelf worden aangedreven naar verschillende interessante bestemmingen."

Terwijl NASA naar SSEP kijkt om kleine ruimtevaartuigen zelf de ruimte in te stuwen, kunnen deze technologieën worden gebruikt voor commerciële behoeften dichter bij de aarde. Commerciële ruimtegerelateerde toepassingen omvatten het aanpassen van ruimtevaartuigen in een baan om de aarde, onderhoud aan ruimtevaartuigen en missies buiten een lage baan om de aarde naar een geosynchrone baan of zelfs de maan.

Onder een onderzoekslicentie met Glenn gebruikt Northrop Grumman de ontwerptekeningen, materiaalspecificaties en testgegevens van NASA om geselecteerde elektrische voortstuwingstechnologieën te ontwikkelen voor de satellietsystemen van hun klanten.

"Onze samenwerking met NASA is zeer succesvol geweest, niet alleen bij het ontwikkelen en testen van deze kleine elektrische voortstuwingstechnologie, maar ook bij het vinden van tastbare toepassingen ervoor", zegt Mike Glogowski, Northrop Grumman Space Systems Fellow. "Deze nieuwe mogelijkheid zal uitgebreide commerciële nabije-aarde-mogelijkheden mogelijk maken, waaronder het inzetten en uit de baan halen van kleine satellieten in een lage baan om de aarde en het bijhouden van stations en het verlengen van de levensduur van satellieten in een geosynchrone baan."

Het bedrijf test momenteel hun eigen variant van het SSEP-systeem in de vacuümkamers van Glenn's Electric Power and Propulsion Laboratory in de komende twee jaar en hopen hun eerste missie met deze technologie in 2024 te lanceren.

Het SSEP-project wordt gezamenlijk gesponsord door Northrup Grumman, NASA's Human Explorations and Operations Mission Directorate, Space Technology Mission Directorate en het Science Mission Directorate.

Nancy Smith Kilkenny
NASA Glenn Research Center

https://www.nasa.gov/feature/glenn/2022 ... ortunities