ENERGIJA

Dr Vladica Božić

Hemijski mikropotisnici za male satelite

Nano-sonde sa nano-motorima

Od samog početka, istraživanje svemira je bilo skupo zbog visokih troškova za izradu svemirskih letelica (satelita) koje su bile velikih dimenzija; samim tim zahtevale su rakete većeg prečnika u koje bi se mogli ugraditi jedan ili veći broj snažnih raketnih motora sa kojima bi se lansirali. Ubičajeno se malim satelitom smatrao svaki satelit težine manje od 300 kg, za čije je lansiranje sa površine u nisku orbitu oko Zemlje potrebna višestepena raketa prečnika bar 1,3 m. Zbog toga se u istraživanju svemira teži smanjenju dimenzija svemirskih letelica i njihove mase, što smanjuje troškova njihove izrade i samog lansiranja. Ovo dalje omogućava smanjivanje i drugih komponenata rakete i pogonskog sistema i povećava mogućnosti realizacije raznih misija.

Napredak na polju izrade digitalnih kola, bežične komunikacije i mikro-elektromehaničkih sistema - MEMS (uređaji koji se uglavnom kreću u rasponu 0,02-1,0 mm) sa sopstvenim paketom senzora, računarskim hardverom i napajanjem (sve u nekoliko kubnih milimetara) omogućio je razvoj malih, niskobudžetnih, autonomnih mikro-sklopova koji se mogu koristiti na svemirskim letelicama. Integrisanje senzora, pokretača i upravljačke elektronike omogućio je smanjenje broja elemenata iz kojih se sastoje sateliti, a time i njihove mase i potrebe za napajanjem. Ovo je omogućilo izradu malih satelita koji se mogu lansirati u grupama (klasterima), koji imaju mnogo veće mogućnosti rada u poređenju sa nekim starijim satelitima većih dimenzija, uz manji rizik jer gubitak jednog mikrosatelita ne dovodi do propasti čitave misije.
Njihova izrada je jeftinija, a primena može biti raznovrsnija od jednog velikog satelita, posebno tokom prikupljanja naučnih podataka pri istraživanju svemira i asteroida ili pri njihovom korišćenju kao releja za prenos informacija. Zahvaljući tom razvoju, danas postoji klasa mikro-satelita čija se masa kreće u rasponu 10-100 kg, nano-satelita čija se masa kreće 1-10 kg, a u toku je razvoj i piko-satelita, mase manje od 1 kg.

Među nano-satelitima treba izdvojiti klasu istraživačkih svemirskih letelica pod nazivom „cubeSat”. To je satelit unapred definisanog oblika, veličine i težine, koji je ugrađen u standardne dimenzije (jedinica ili „U”) od 10x10x10 cm, sa masom obično manjom od 1,33 kg. Standardne „jedinice”se mogu montirati tako da budu međusobno povezane pa se satelit po potrebi sastoji iz nekoliko različitih modula i može biti isporučen u nekoliko veličina: 1U, 2U, 3U ili 6U. Standardizovani oblik i veličina “cubeSat”-a omogućava da se masovno proizvode njegove komponente, pri čemu je njihov razvoj jeftiniji od običnih malih satelita prilagođenih za određene namene. Ovo omogućuje smanjenje troškova izrade i troškove povezane sa njihovim lansiranjem i raspoređivanjem u kosmičkom prostoru.

Minijaturizacija u elektronici i informatici je omogućila malu revoluciju u izradi satelita a time i razvoj tehnologije za istraživanje svemira, ali je stvorila i određene probleme. Jedan od njih je u tome što se, pri konstrukciji i izradi malih satelita, javio nedostatak prostora za smeštaj pogonskog sistema i uređaja za skladištenje energije. Pored toga, kod mikro i nano klase satelita, pogonski sistem mora biti u stanju da obezbedi izuzetno nizak nivo potiska (od nano-njutna do mikro-njutna) i impulsa, kako bi omogućio njihovo pokretanje i kontrolu orbite ili određenog položaja u svemiru. Pošto na tržištu nisu postojali odgovarajući pogonski sistemi sa malim potiskom, bio je potreban razvoj novih minijaturisanih pogonskih (mikropropulzivnih) sistema za svemirsku primenu, od kojih su mnogi koji su razvijeni zasnovani na MEMS tehnologijama.
Razvoj se odvijao u dva pravca: minijaturizacija konvencionalnih potisnika i razvoj novih koncepata i uređaja. Pri njihovom razvoju su se izdvojila tri različita izvora energije u mikropotisniku: potisak koji se proizvodi iz hemijskog izvora (hemijski potisnik), iz hladnog gasa (gasni potisnik) i iz električnog izvora (električni potisnik).

Problemi pri projektovanju

Hemijski mikropotisnik je sastavljen, u osnovi, iz tri dela: rezervoara za gorivo zapremine nekoliko kubnih milimetara, upaljača i mikromlaznika. Sila potiska stvara se sagorevanjem raketnog goriva uskladištenog u komori koje se pretvara u gas koji se ubrzava pri izlasku kroz profilisani mikro-mlaznik. Paljenje pogonskog goriva vrši se njegovim zagrevanjem pomoću mikro-otpornika. Dve najčešće vrste hemijskih goriva koja se koriste za raketni pogon su tečno i čvrsto.
Mikropotisnik na tečna raketna goriva koristi tečnu gorivnu materiju i oksidator koji se skladište odvojeno; mešaju se u komori sagorevanja u trenutku sagorevanja, kao i klasičan motor ovog tipa. Za ovaj motor su potrebni posebni minijaturni sistemi za skladištenje (rezervoari koji su ponekad kriogeni) i napajanje kao što su: pumpe, ventili, regulatori pritiska itd. Iako tečna raketna goriva imaju veću energiju (specifični impuls) od čvrstih, a njihovo sagorevanje se može lako regulisati ili zaustaviti u potpunosti, mikromotori na tečna raketna goriva su složeni za rukovanje i stvaraju velike probleme pri projektovanju zbog potrebe za minijaturizacijom mnogo elemenata u sistemu. Dodatni nedostatak je neophodnost postojanja sistema za hlađenje da bi se izbegle visoke temperature i obezbeđivanje električne energije za pogon pumpi i ventila.

Mnogo energije iz male zapremine

Mikropotisnici sa pogonom na jednobazno tečno gorivo (koje je u isto vreme i gorivna materija i oksidator-monopropelant) traže manje složenu tehnologiju od prethodih motora. Do sada su razvijeni potisnici sa hidrazinom, vodonik peroksidom ili rastvorom hidroksil amonijum nitrata (HAN) koji su imali potisak od nekoliko mili-njutna do 5 njutna. Oni su korišćeni za kontrolu orijentacije mikrosatelita, i za njihov primarni i sekundarni pogon. U planu je da se ovi mikropropulzivni sistemi primene i na mikro i nano svemirskim letelicama koji će se koristiti za istraživanje asteroida, kometa, Marsa i Meseca.
Umesto klasičnog sagorevanja, tečna goriva se mogu zagrevati pomoću toplote iz otpornika i pretvarati u gas koji, izlaskom kroz mlaznik, stvara potisak (isparavajući tečni mikropotisnik). Ovakav motor se sastoji iz rezervoara za skladištenje pogonskog goriva (najčešće hidrazina), ventila za kontrolu protoka tečnosti i potisnika u kojem isparava tečnosti i stvara potiska. Ovakvi mikropotisnici su komplikovani za izradu i zahtevaju glomazan spoljni sistem napajanja koji bi obezbedio tečne i gasovite komponente goriva.
Kod čvrstih raketnih goriva, gorivna materija i oksidator su prisutni u čvrstom obliku. Mogu se skladištiti na sobnoj temperaturi; lako se koriste bez posebne opreme za rukovanje, što ih čini mnogo praktičnijim za korišćenje u mikropotisnicima. Ceo motor je jednostavan, nema pokretnih delova i curenja i ima dobru efikasnost (generisan potisak u odnosu na ulaznu snagu) tako da se na jednostavan način iz male zapremine dobija velika količina energije. Nedostatak mogućnosti ponovnog pokretanja i korišćenja kompenzuje se izradom niza mikroraketa i korišćenjem digitalne šeme za kontrolu njihovog paljenja.

Zasad najmanji raketni motori

Kod mikropotisnika se mogu koristiti uobičajeni sastavi čvrstih raketnih goriva koji se koriste i kod velikih raketa kao što su kombinacije na bazi nitroceluloze i nitroglicerina, mešavine polibutadijena sa hidroksilnim završetkom (HTPB) kao veziva, amonijum perhlorata (NH4ClO4) kao oksidatora i metalnog goriva (Al, Zr, B, Mg), ili pogonske materije na bazi heksogena (RDX) i oktogena (HMX). Međutim, ograničavajući faktor za primenu su njihovi kritični prečnici čestica koji su preveliki da bi mogli stabilno sagorevati u komorama mikromotora i ne mogu ostvariti potpuno sagorevanje, pa ostvaruju mnogo manji specifični imuls od očekivanog (ovi sastavi imaju specifične impulse od 220 do 260 sekundi za pritisak u komori od 70 bar). Zbog toga su razvijeni i drugi sastavi čvrstih goriva na bazi dvobaznih goriva sa crnim barutom, nanotermita (sa česticama nanoAl/CuO i nitroceluloze), glicil azid polimera (GAP) sa amonijum perhloratom i cirkonom, čak i azoto-karbo-namidom (C2H4O2N4) koji se koristi u proizvodnji penaste plastike i olovo-stifnatom (C6HN3O8Pb) koji spada u primarne eksplozive - da bi se izabralo najprikladnije gorivo za mikro-raketu.

Pri montaži ovih mikropotisnika, čvrsto raketno gorivo se integriše u keramičku komoru za sagorevanje, na koju se dodaju: silikonski mikro mlaznik, polisilikonski upaljač i termički pretvarač. Komore za sagorevanje moraju da obezbede toplotnu izolaciju raketnog goriva i da podnose visoke unutrašnje pritiske. Najčešće se izrađuju od keramike ili sicilijuma, mada mogu biti i od bakra, aluminijuma, mesinga, ugljeničnih ili legiranih čelika.

Mikropropulzivni sistemi sa pogonom na hladan gas predstavljaju najmanje raketne motore koji su do danas realizovani. Međutim, iako su jednostavne konstrukcije jer nemaju pokretne delove, pri njihovom razvoju su se pojavili brojni problemi kao što je curenje pogonskog gasa u ventilima što je izazivalo i njegovo prevremeno pražnjenje iz rezervoara i dovodilo do gubitaka kosmičkih letelica pri misijama. Takođe, ovi motori imaju i ograničenje u primeni zbog malog specifičnog impulsa, izuzev ako se ne koriste laki gasovi kao što su azot ili helijum koji, opet zbog male viskoznosti, dodatno povećavaju problem sa curenjem. Konstrukcija ovih motora je unapređena korišćenjem hibridne tehnologije gde su visoko integrisani mikromehanički delovi povezani sa konvencionalnim komponentama. Hibridni sistem koji koristi azot kao gorivo daje maksimalne potiske u rasponu 0,1-10 mikro-njutna sa specifičnim impulsom od 45s, što omogućava realizaciju kratkoročnih misija nano-sondi ili kontrolu njihovog položaja.

Dr Vladica Božić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"