Plusy a mínusy chemických pohonů

Zvětšit obrázek

Když se podíváme na používané chemické pohony v raketách a kosmických lodích, tak u každého najdeme nějaká plus a mínus.

– U pohonů na kapalné pohonné látky (KPL) můžeme v relativně širokém rozmezí měnit tah v reálném čase. Je možné je během práce vypnout a některé startovat i opakovaně. Jejich nevýhodou je obtížné skladování paliva a okysličovadla. Tyto látky buď musíme chladit na nízké teploty (extrémním případem je tekutý vodík) nebo jsou pro změnu jedovaté a agresivní. Další nevýhodou je složitá konstrukce motoru, která obsahuje spoustu pohyblivých částí, náchylných na poškození. Některé typy pohonných látek se navíc obtížně zapalují.

– Pohony na tuhé pohonné látky (TPL) zase není možné po zapálení vypnout. Jejich činnost se ukončí sama až po vypotřebování veškerého paliva. Změny tahu lze naplánovat dopředu tvarem zrna (mění se velikost plochy, která hoří). Při běhu motoru už to není možné. Výhodou je naopak pohodlná manipulace s palivem, jeho časová stálost a nenáročnost uskladnění a údržby. Celkově se dá hovořit o velké spolehlivosti pohonů na TPL. Je to vidět ve vojenském sektoru, kde pohony na TPL drtivě převažují.

Zvětšit obrázek

Chytrý materiál ESP. Zdroj: dsspropulsion.com

Revoluční novinka zvaná ESP
A teď si představte, že přijde někdo, komu se podaří vzít výhody z obou typů pohonů a ještě navíc vylepšit jejich ovládání. Prakticky posune řízení tahu a přepínání stavu do úplně jiného levelu. Tou společností je DSSP – Digital Solid State Propulsion (volně přeloženo Digitální pohon na tuhé pohonné látky). Její vynález by spadal do kategorie chytré materiály. DSSP je označuje jako uhasitelná tuhá paliva (Extinguishable Solid Propellants – ESP).

Zatímco běžné TPL jsou spíše izolanty, ESP vykazuje silnou elektrickou vodivost a to je právě základem úspěchu. K zažehnutí slouží elektrický proud procházející skrz látku od jedné elektrody ke druhé. Výkon se dá regulovat pomocí změn napětí a proudu. Elektrickým potenciálem vhodné velikosti se TPL zažehne. Následně je možné pomocí zvyšování příkonu zvýšit hodnoty hoření až 10x. Nakonec se může přerušením přívodu elektrické energie hoření zcela zastavit. K ostatním způsobům zažehnutí jako jsou jiskra, průstřel, trhavina nebo plamen je tento unikátní materiál zcela netečný.

Zvětšit obrázek

Minimální a maximální hodnota výkonu. Zdroj:virtualacquisitionshowcase.com

To oceňovali dosud zejména vojáci, kteří daný materiál používali nejen do malých pohonů raket, ale také do pyrotechniky. I kosmický průmysl ocení bezpečnost při dopravě, manipulaci a skladování těchto ESP. Konzistence je podobná jako u náplně bloků SRB. Sama DSSP jej připodobňuje k plastisolu,  což je částečně tekutý plast na bázi PVC.

Výhodou jsou i ekologické aspekty. Zplodinami hoření jsou netoxické plyny CO2, N2 a voda. Základem nového materiálu je okysličovadlo HAM (Hydroxylammonium nitrate)  a částečně krystalizovaná iontová kapalina. Právě iontová kapalina umožňuje transport elektrického náboje a poskytuje palivu ESP významnou reakci na elektrickou energii.

Testování na oběžné dráze

Zvětšit obrázek

Schéma mikrotrysky. Zdroj: eoportal.org

Pohonný materiál bychom měli, tak tedy vzhůru na testování v kosmu. To si řekli společně výše zmíněná firma DSSP a NRL (Naval Research Laboratory – Námořní výzkumná laboratoř). K demonstraci nové technologie sestrojili malý satelit SpinSat. Ten má v sobě 12 pohonných jednotek UMS (Universal Mounting System). 4 UMS umístěné 15° od svislé osy, určené k rotačním manévrům. 2 UMS umístěné 82°od svislé osy k pohybu kolmém na povrch satelitu. Každý UMS obsahuje 6 mikrotrysek s palivem ESP. 13 mm dlouhá mikrotryska má vnější a vnitřní elektrodu. Mezi nimi je 0,1 g materiálu ESP. Vnitřní elektroda je potažena izolací kromě části u výstupu trysky. Izolace zabraňuje hoření v celé trubici při průchodu proudu. Takto je zajištěno, že ESP odhořívá postupně s izolantem, který ale mizí o něco rychleji, aby mezi elektrodami vždy mohl procházet proud skrz ESP (viz obrázek).

Každá z mikrotrysek může být řízena nezávisle. K ovládání pohonných modulů slouží dvě řídící jednotky PCM (Propulsion Control Module). Každá pro jednu polovinu SpinSatu. Celkově tak mohou obsluhovat 2 x 36 mikrotrysek. Deska je napájena 5V/ 0,2A což pro zažehnutí trysky nestačí. K tomu slouží speciální tantalové kondenzátory, které mohou generovat napětí 190V. Pak mohou vyvolat 50 ms, 100 ms nebo až 200 ms dlouhý zážeh. Restartovatelné jsou až 250x.

Zvětšit obrázek Rozložení jednotek UMS na Spinsatu. Zroj: eoportal.org

Zvětšit obrázek Schéma jednotky UMS. Zdroj: eoportal.org

Zvětšit obrázek Řídící jednotka PCM. Zdroj: eoportal.org

Zvětšit obrázek

Schéma SpinSatu. Zdroj: nasa.gov

Tah trysky není nijak závratný, pouze 10-20 mN. Pro demonstraci funkce stačí, že je to měřitelná hodnota, kterou mohou zaznamenat inerciální senzory na palubě. Změny zaznamenává i pozemní síť laserových radarů (International Laser Ranging Service – ILRS). K odrazu paprsků do místa vyslání slouží 68 zpětných odražečů na povrchu SpinSatu (viz schéma).

Zvětšit obrázek

Andy Nicholas (vlevo) a Ted Finne (vpravo) z NLR připravují satelit SpinSat. Zdroj: navy.mil

SpinSat se dostal do kosmu na palubě nákladní lodi Dragon v rámci mise CRS-4. Dostalo se mu té cti být jako první vypuštěn z nové plošiny SSIKLOPS (the Space Station Integrated Kinetic Launcher for Orbital Payload Systems – kinetické odpalovací zařízení pro systém orbitálního nákladu). Někdy se název zjednodušuje na Cyclops (Kyklop). Jedná se o plošinu pro menší satelity do 110 kg (SpinSat – hmotnost 57 kg , průměr 56 cm), které navíc nemusí mít striktně dané rozměry jako například standardizované cubesaty (10 x 10 x 10-30 cm). Satelity jsou přichyceny k plošině podobným mechanismem, jakým si rameno Canadarm zachytává předměty určené k transportu. Na plošinu je připevní kosmonauti uvnitř japonského modulu Kibó. Sestava je umístěna do malé přechodové komory, kde si ji po otevření z vnější strany vyzvedne japonské robotické rameno nebo přímo Canadarm. Rameno satelit přemístí do bezpečné vzdálenosti od stanice a uvolní připojovací mechanizmus.

Zvětšit obrázek

Vypuštění SpinSatu pomocí plošiny Cyclops. Zdroj: nasa.gov

SpinSat se vydal na svou samostatnou pouť po oběžné dráze 28.listopadu. Provádět pokusy s mikrotryskami bude 4 – 6 měsíců, podle výdrže baterií. Přejme mu ať posune výzkum těchto nadějných pohonů směrem k širokému využití v kosmickém průmyslu a naváže tak na svého předchůdce ANDE-2, který se pokoušel podobný pohon testovat v červenci 2009, když byl vypuštěn z raketoplánu Endeavour při misi STS-127.

Video: Vypuštění SpinSatu pomocí speciální plošiny japonského modulu Kibó na Mezinárodní kosmické stanici (ISS)

Zdroje informací:
http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/1019.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Solid_State_Propulsion
http://dsspropulsion.com
http://www.virtualacquisitionshowcase.com/browse/popup/929
http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/wklysumm_week_of_14oct27/#.VH4L-Mlzrbd
http://forum.kosmonautix.cz/viewtopic.php?f=51&t=1400&p=39352&hilit=spinsat#p39352
http://spaceflightnow.com/2014/12/02/small-satellites-have-another-way-to-get-into-space/
https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/spinsat
Zdroje obrázků:
http://www.nasa.gov/sites/default/files/jsc2014e064758.jpg
http://www.virtualacquisitionshowcase.com/document/929/brochure
http://dsspropulsion.com/wp-content/uploads/2014/11/2.2-Picture1.jpg
http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/SpinSat5.jpg
http://www.nrl.navy.mil/PressReleases/2014/71-14r_Nicholas-Finne_3000x1997.jpg
https://eoportal.org/documents/163813/683935/SpinSat_Auto9
https://eoportal.org/documents/163813/683935/SpinSat_AutoA
https://eoportal.org/documents/163813/683935/SpinSat_Auto5
https://eoportal.org/documents/163813/683935/SpinSat_Auto7
Psáno pro Kosmonautix a osel.cz