پیشرفت تازه در پیشرانش فضایی؛ ماهوارههای کوچک چابکتر و کممصرفتر میشوند
یکی از بزرگترین چالشهای ماهوارههای کوچک، محدودیت شدید فضا برای حمل تجهیزات و سوخت است. اکنون، پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) سامانهی پیشرانش جدیدی ساختهاند که میتواند این مشکل را تا حد زیادی برطرف کند؛ سامانهای که بهجای استفاده از دو نوع سوخت مجزا، از یک پیشران واحد برای تغذیهی همزمان پیشرانههای شیمیایی و الکتریکی بهره میبرد.
بهگزارش اسپیسداتکام، فناوری مذکور که بهتازگی در مطالعهای جدید معرفی شده، قرار است بهزودی در فضا آزمایش شود. اگر نتایج آزمایشهای مداری با یافتههای آزمایشگاهی مطابقت داشته باشد، ماهوارههای کوچک آینده خواهند توانست با سامانهای سبکتر، ارزانتر و کارآمدتر، مأموریتهای پیچیدهتری انجام دهند.
آملیا برونو، پژوهشگر سابق پسادکتری در امآیتی و سرپرست مطالعه، میگوید: «اگر بتوان پیشرانش شیمیایی و الکتریکی را در قالب سامانهای کوچک و یکپارچه ترکیب کرد، بهترین ویژگیهای هر دو فناوری در اختیار قرار میگیرد. این رویکرد میتواند راه را برای انجام مأموریتهای علمی و رصدی بیشتر با ماهوارههای کوچک و کمهزینه هموار کند.»
رویکرد تازه راه را برای انجام مأموریتهای با ماهوارههای کوچک و کمهزینه هموار کند
پژوهش جدید بر پایهی مطالعات پیشین نیروی هوایی ایالات متحده دربارهی سوختهای فضایی انجام شده و بخشی از هزینهی آن را ناسا تأمین کرده است. ناسا قصد دارد سامانهی پیشرانش و پیشران جدید را در مأموریت «پیشران سبز دوحالته» (Green Propulsion Dual Mode) آزمایش کند؛ مأموریتی که با استفاده از یک ماهوارهی مکعبی (کیوبست) انجام خواهد شد. این ماهواره طبق برنامه، زودتر از نوامبر سال جاری به مدار پایین زمین پرتاب نخواهد شد.
ناسا اعلام کردهاست که این مأموریت صرفاً آزمایشی فناورانه برای ماهوارههای کوچک نیست، بلکه میتواند راه را برای استفاده از سامانههای پیشرانش پیشرفتهتر در مأموریتهای اعماق فضا هموار کند؛ مأموریتهایی که در آینده به مقاصدی مانند مریخ و فراتر از آن خواهند رسید. ناسا در توضیح اهداف این پروژه میافزاید توسعهی نسل جدید سامانههای پیشرانش از ملزومات برنامههای آیندهی این سازمان برای گسترش فعالیتهای فضایی در فاصلههای دورتر از زمین است.
سوخت مورد استفاده در سامانه، اسنت (ASCENT) نام دارد که مخفف عبارت پیشران غیرسمی و پرانرژی فضاپیمای پیشرفته است. این پیشران در اصل توسط آزمایشگاه پژوهشی نیروی هوایی ایالات متحده توسعه یافته و بهعنوان جایگزینی کمخطرتر برای هیدرازین معرفی شده است؛ سوختی بسیار کارآمد که سالها در مأموریتهای فضایی به کار رفته، اما به دلیل سمیت بالا، حملونقل و استفاده از آن با دشواریهای فراوانی همراه است.
اسنت پیشتر نیز در فضا آزمایش شده است. ناسا در سالهای ۲۰۱۹ و ۲۰۲۰ از این سوخت در مأموریت تزریق پیشران سبز (GPIM) استفاده کرد؛ هرچند این پیشران در آن زمان با نام AF-M315E شناخته میشد و بعدها نام اسنت را به خود گرفت.
- فضانوردان آرتمیس ۴ ناسا با نسل جدید خودروهای ماهپیما رانندگی خواهند کرد20 روز قبلمطالعه '3
- ناسا از فاصله ۲۴ میلیارد کیلومتری، پیشرانه معیوب کاوشگر وویجر ۱ را تعویض کرد26 شهریور 03مطالعه '3
- بازگشت غیرممکن: مهندسان ناسا پیشرانههای اصلی وویجر ۱ را پس از ۲۱ سال احیا کردند26 اردیبهشت 04مطالعه '3
- تولید سوخت موشک از آب؛ مهندس سابق اسپیس ایکس درپی تحقق رویایی دیرینه است29 بهمن 04مطالعه '2
ویژگی مهم اسنت این است که تنها برای پیشرانههای شیمیایی مناسب نیست. پیشرانههای شیمیایی معمولاً برای مانورهای بزرگ فضایی، مانند ورود به مدار یا تغییرات عمده مسیر، به کار میروند و سوخت را با سرعت بیشتری مصرف میکنند. اما پژوهشگران نشان دادهاند که همین پیشران میتواند در پیشرانههای الکترواسپری نیز مورد استفاده قرار گیرد.
پیشرانههای الکترواسپری برای اصلاحات تدریجی و بلندمدت مسیر فضاپیما طراحی شدهاند. این پیشرانههای بسیار کوچک که ابعادی در حد ناخن یا سکه دارند، با استفاده از میدان الکتریکی ذرات مایع پیشران را شتاب میدهند و آنها را بهصورت اسپری به فضا پرتاب میکنند. اگرچه نیروی رانش حاصل اندک است، برای تنظیمهای دقیق مداری بسیار کارآمد محسوب میشود.
در مطالعهی جدید، مهندسان امآیتی عملکرد پیشرانههای الکترواسپری را با استفاده از پیشران اسنت بررسی کردند. آنها یک ماهوارهی مکعبی نمونه را روی سکویی آزمایشی قرار دادند که درون محفظهای خلأ و بهصورت مغناطیسی معلق نگه داشته میشد تا شرایط شناوری آزاد در فضا را شبیهسازی کند.
اسنت از نظر میزان رانش عملکردی مشابه پیشرانهای رایج الکترواسپری ارائه میدهد
پژوهشگران با اعمال ولتاژهای مختلف، توانایی پیشرانهها را در تغییر جهت و چرخش ماهواره ارزیابی کردند. نتایج نشان داد عملکرد اسنت در پیشرانههای الکترواسپری با پیشرانهای متداول مورد استفاده در این فناوری قابل مقایسه است.
برونو میگوید: «اسنت از نظر میزان رانش، عملکردی مشابه پیشرانهای رایج الکترواسپری ارائه میدهد. اکنون که میدانیم پیشرانههای ما با این سوخت سازگار هستند، میتوانیم به راههای مختلف برای بهبود بیشتر عملکرد آنها فکر کنیم.»
اگرچه ناسا فناوری تازه را با هدف مأموریتهای دوردست توسعه میدهد، کاربردهای آن به اعماق فضا محدود نمیشود. ماهوارههای کوچک رصد زمین نیز میتوانند از مزایای این سامانه بهرهمند شوند. برای مثال، اگر لازم باشد مجموعهای از ماهوارهها برای پایش یک طوفان یا رویداد جوی مهم بهسرعت به موقعیتی مشخص منتقل شوند، امکان استفاده از پیشرانش شیمیایی برای مانورهای سریع و پیشرانش الکتریکی برای اصلاحات تدریجی مدار، انعطافپذیری بسیار بیشتری در اختیار اپراتورها قرار میدهد.
پائولو لوزانو، مدیر آزمایشگاه پیشرانش فضایی امآیتی و از نویسندگان مطالعه، میگوید: «فرض کنید طوفانی در حال شکلگیری است و میخواهیم منظومهی ماهوارهای کوچکی را برای رصد منطقهای خاص جابهجا کنیم. بسته به نوع مشاهدات، میتوانیم آنها را سریع یا آهسته به موقعیت موردنظر برسانیم. دستیابی به چنین قابلیتی مستلزم در اختیار داشتن هر دو نوع سامانهی پیشرانش است و اکنون، این امکان بیش از هر زمان دیگری در دسترس قرار گرفته است.»
مطالعه در نشریهی Propulsion and Power منتشر شده است.