تحولات جدید در زمینه پیشرانش فضایی؛ ماهوارههای کوچک به سمت کارایی بیشتر و مصرف انرژی کمتر پیش میروند
یکی از اصلیترین چالشهایی که ماهوارههای کوچک با آن روبرو هستند، محدودیت جدی فضا برای حمل تجهیزات و سوخت میباشد. در پاسخ به این مشکل، محققان از مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق به طراحی یک سیستم پیشرانش نوین شدهاند که میتواند به طور قابل توجهی این محدودیت را کاهش دهد؛ سامانهای که بهجای استفاده از دو نوع سوخت مستقل، از یک پیشران واحد بهره میبرد که قادر است پیشرانههای شیمیایی و الکتریکی را به طور همزمان تغذیه کند.
طبق گزارش اسپیسداتکام، این فناوری که به تازگی در یک مطالعه جدید به نمایش گذاشته شده است، قرار است به زودی در فضا آزمایش گردد. در صورتی که نتایج به دست آمده از آزمایشهای مداری با دادههای آزمایشگاهی مطابقت داشته باشد، ماهوارههای کوچک نسل آینده خواهند توانست با استفاده از سیستمی سبکتر، مقرونبهصرفهتر و کارآمدتر، مأموریتهای پیچیدهتری را انجام دهند.
آملیا برونو، پژوهشگر پیشین پسادکتری در امآیتی و رهبر این تحقیق، اظهار داشت: «اگر بتوانیم پیشرانش شیمیایی و الکتریکی را در قالب یک سیستم کوچک و یکپارچه ادغام کنیم، میتوانیم از بهترین ویژگیهای هر دو فناوری بهرهمند شویم. این رویکرد میتواند بستری را برای انجام مأموریتهای علمی و رصدی بیشتر با استفاده از ماهوارههای کوچک و کمهزینه فراهم آورد.»
این رویکرد تازه قادر به تسهیل انجام مأموریتها با ماهوارههای کوچک و کمهزینه میباشد
این تحقیق بر اساس پژوهشهای قبلی انجام شده توسط نیروی هوایی ایالات متحده در حوزه سوختهای فضایی شکل گرفته و بخشی از هزینههای آن توسط ناسا تأمین شده است. ناسا مشتاق است تا این سیستم پیشرانش و پیشران نوین را در مأموریت «پیشران سبز دوحالته» (Green Propulsion Dual Mode) آزمایش کند؛ مأموریتی که از یک ماهواره مکعبی (کیوبست) برای انجام آن استفاده خواهد شد. این ماهواره طبق برنامهریزیها، پیش از نوامبر سال جاری به مدار پایین زمین پرتاب نخواهد شد.
ناسا توضیح داده است که این مأموریت تنها یک آزمون فناورانه برای ماهوارههای کوچک نیست، بلکه میتواند به کارگیری سامانههای پیشرانش پیشرفتهتری در مأموریتهای اعماق فضا را نیز ممکن سازد؛ مأوریتهایی که در آینده به مقاصدی نظیر مریخ و فراتر از آن خواهند رسید. بر اساس توضیحات ناسا، توسعه نسل جدیدی از سیستمهای پیشرانش یکی از نیازهای اساسی برنامههای آینده این سازمان برای گسترش فعالیتهای فضایی به فضای دورتر از زمین است.
سوخت به کار رفته در این سیستم با نام اسنت (ASCENT) شناخته میشود که مخفف عبارت «پیشران غیرسمی و پرانرژی برای فضاپیمای پیشرفته» است. این پیشران در ابتدا توسط آزمایشگاه پژوهشی نیروی هوایی ایالات متحده توسعه یافته و به عنوان جایگزین کمخطرتر برای هیدرازین عرضه شده است؛ سوختی که به خاطر کارایی بسیار زیادش در مأموریتهای فضایی کاربرد داشته، اما به دلیل طبیعت سمیاش، حملونقل و استفاده از آن با مشکلات زیادی همراه است.
اسنت پیشتر نیز در آزمایشهای فضایی به کار رفته است. در سالهای ۲۰۱۹ و ۲۰۲۰، ناسا از این سوخت در مأموریت تزریق پیشران سبز (GPIM) استفاده نمود؛ در آن زمان، پیشران با نام AF-M315E شناخته میشد و بعدها به اسم اسنت تغییرنام یافت.
از ویژگیهای کلیدی اسنت این است که صرفاً محدود به پیشرانههای شیمیایی نمیباشد. پیشرانههای شیمیایی معمولاً برای مانورهای فضایی بزرگ مانند ورود به مدار یا تغییرات اساسی در مسیر استفاده میشوند و نسبت به سوختها، مصرف بیشتری دارند. اما پژوهشگران به این نتیجه رسیدهاند که این پیشران میتواند به کار در پیشرانههای الکترواسپری نیز ادامه دهد.
پیشرانههای الکترواسپری برای تنظیمهای تدریجی و بلندمدت مسیر فضاپیما طراحی شدهاند. این پیشرانههای بسیار کوچک که ابعادی مشابه ناخن یا سکه دارند، با بهرهگیری از میدان الکتریکی ذرات مایع سوخت را شتاب میدهند و آنها را بهصورت اسپری در فضا رها میکنند. اگرچه نیروی رانش تولید شده اندک است، اما برای تنظیمات دقیق مداری بسیار موثر تلقی میشود.
در این مطالعه جدید، مهندسان امآیتی تابعیت پیشرانههای الکترواسپری را با استفاده از پیشران اسنت مورد ارزیابی قرار دادند. آنها یک ماهواره مکعبی نمونه را بر روی سکوی آزمایشی قرار دادند و آن را درون محفظهای خلأ بهگونهای مغناطیسی معلق کردند تا شرایط شناوری آزاد در فضا شبیهسازی گردد.
اسنت از نظر توان تولیدی، عملکردی مشابه پیشرانهای الکترواسپری معمولی را ارائه میدهد
محققان با اعمال ولتاژهای متفاوت، قابلیت پیشرانهها را در تغییر جهت و چرخش ماهواره بررسی کردند. نتایج بدست آمده نشان داد که عملکرد اسنت در سیستم پیشرانههای الکتریکی با پیشرانهای معمولی در این فناوری قابل مقایسه است.
برونو اعلام کرد: «اسنت از نظر تولید نیروی پیشرشی، عملکردی همانند پیشرانهای الکترواسپری متعارف ارائه میدهد. حالا که متوجه شدهایم پیشرانههای ما با این سوخت سازگار میباشند، میتوانیم به روشهای مختلفی برای ارتقاء بیشتر کارایی آنها فکر کنیم.»
اگرچه ناسا این فناوری تازه را با هدف مأموریتهای دوردست توسعه میدهد، کاربردهای آن به فضانوردی در اعماق فضا محدود نمیشود. حتی ماهوارههای کوچک رصد زمین نیز از قابلیتهای این سامانه میتوانند بهرهبرداری کنند. به عنوان مثال، در صورتی که نیاز باشد گروهی از ماهوارهها بهسرعت به محلی مشخص برای پایش یک طوفان یا یک رویداد جوی مهم منتقل شوند، استفاده از پیشرانش شیمیایی برای مانورهای سریع و پیشرانش الکتریکی برای اصلاحات تدریجی مدار، به اپراتورها انعطافپذیری بیشتری خواهد داد.
پائولو لوزانو، مدیر آزمایشگاه پیشرانش فضایی امآیتی و یکی از نویسندگان این پژوهش، میگوید: «فرض کنید که طوفانی در حال بروز است و ما تصمیم داریم یک شبکه ماهوارهای کوچک را برای نظارت بر یک منطقه خاص جابجا کنیم. بسته به نوع مشاهدات، میتوانیم آنها را به موقعیت هدف به سرعت یا به آرامی منتقل نماییم. امکان دستیابی به چنین قابلیتی مستلزم استفاده همزمان از هر دو نوع سامانه پیشرانش است و حالا، این امکان بیش از هر زمان دیگری در دسترس است.»
این مطالعه در نشریه Propulsion and Power منتشر شده است.
