Naujoji MIT (Masačusetso technologijos institutas) raketų varymo sistema, paremta „geriausio iš abiejų pasaulių, cheminio ir elektrinio“ principu, galėtų suteikti mažyčiams palydovams galios spurtuoti, skristi ir tyrinėti tolimąją kosmosą naudojant vieną degalų baką.
MIT tyrėjai parodė, kad vienas kuras gali maitinti ir cheminius, ir elektrinius erdvėlaivių variklius, potencialiai pakeisdamas mažų palydovų galimybes. Šis metodas sujungia greitus greičio šuolius su labai efektyvia tolimojo nuotolio varymo sistema vienoje kompaktiškoje sistemoje. NASA remiama „CubeSat“ misija netrukus išbandys šią technologiją orbitoje.
MIT variklis galėtų išsiųsti „CubeSat“ į Marsą
Šiuos keturis skrydžio blokų elektros purškimo variklius NASA pristatė MIT Kosminio judėjimo laboratorija būsimai „Žaliojo judėjimo dvigubo režimo“ (Green Propulsion Dual Mode, GPDM) misijai. Nuotrauka: Amelia Bruno
MIT inžinieriai kuria naują erdvėlaivio varymo sistemą, kuri sujungia tradicinių cheminių raketų stipriąsias puses su elektrinių variklių efektyvumu ir tikslumu.
Ši technologija galėtų suteikti mažiems palydovams daug didesnį lankstumą kosmose. Užuot pasikliovę atskiromis degalų sistemomis skirtingiems manevrams, ateities erdvėlaiviai galėtų naudoti vieną kurą greitiems judesiams ir lėtiems, labai kontroliuojamiems koregavimams atlikti.
Šio metodo centre – specializuotas kuras, kuris veikia tiek su cheminėmis, tiek su elektrinėmis varymo sistemomis. Iki šiol šioms technologijoms paprastai reikėjo atskirų kuro šaltinių ir įrangos, todėl jos tapo sunkesnės ir sudėtingesnės.
„Jei cheminę ir elektrinę varomąsias sistemas galima naudoti viename mažame korpuse, tai yra geriausias abiejų pasaulių derinys“, – sako Amelia Bruno, buvusi MIT Aeronautikos ir astronautikos katedros (AeroAstro) podoktorantūros stažuotoja. „Tai atveria duris mažiems palydovams atlikti dar daugiau mokslo, daugiau stebėjimų ir įdomesnių misijų, visa tai mažesnėje ir pigesnėje platformoje.“
Bruno yra naujo tyrimo, paskelbto žurnale „Journal of Propulsion and Power“, pagrindinė autorė. Tyrimas rodo, kad „žaliasis monopropelentas“, kurį iš pradžių sukūrė JAV oro pajėgos cheminiam varymui, taip pat gali sėkmingai maitinti miniatiūrinius elektrinius variklius, vadinamus elektropurškimo varikliais.
Cheminės ir elektrinės kosminės varymo sistemos derinimas
Elektropurškimo varikliai yra maži raketiniai varikliai, maždaug cento monetos dydžio. Jie naudoja elektrinius laukus, kad įkrautų skysto kuro daleles ir tada išstumtų tas daleles į kosmosą, sukurdami trauką.
Šie varikliai yra itin ekonomiški degalų atžvilgiu ir puikiai tinka laipsniškiems, tiksliems manevrams. Pavyzdžiui, jie gali lėtai stumti erdvėlaivį ilgomis tarpplanetinėmis kelionėmis, sunaudodami labai mažai degalų.
Cheminiai varikliai atlieka kitokią paskirtį. Jie sukuria galingus traukos pliūpsnius, kurie leidžia erdvėlaiviui greitai įsibėgėti, sulėtinti greitį, kilti, leistis arba keisti padėtį.
MIT tyrėjai mano, kad radę kurą, galintį maitinti abi sistemas, jie gali žymiai išplėsti mažų palydovų galimybes.
Šiuo metu komanda bendradarbiauja su NASA prie „Green Propulsion Dual Mode“ misijos – portfelio dydžio „CubeSat“, turinčio vieną cheminį variklį ir keturis elektros purškimo variklius. Visi jie naudos kurą iš vieno bako. Ši misija bus pirmasis bandymas išbandyti tokio tipo dvigubo režimo varymo sistemą mažame erdvėlaivyje.
Jei ši technologija pasiteisintų, ji galėtų padėti mažiems palydovams nukeliauti toli už Žemės orbitos ribų.
„Galėtume išsiųsti „CubeSat“ į Marsą arba asteroidų žiedą, kur jie galėtų lėtai keliauti, naudodami elektros purškimo variklius“, – sako tyrimo bendraautoris Paulo Lozano, Miguelio Alemáno Velasco aeronautikos ir astronautikos profesorius MIT. „Tuomet galėtumėte naudoti savo cheminius variklius, kad greitai judėtumėte ir apžiūrėtumėte įdomius objektus. Galėtumėte turėti daug daugiau lankstumo atlikti daug daugiau dalykų.“
Kodėl svarbūs joniniai skystieji varikliai
Lozano laboratorija kuria, gamina ir išbando elektros purškimo varymo sistemas palydovams, kurių dydis įvairus – nuo pietų dėžutės iki mažo rankinio lagamino.
Palyginti su didesniais erdvėlaiviais, šių kompaktiškų palydovų paleidimas yra daug pigesnis. Tačiau jų mažesnis dydis reikalauja tokių pat kompaktiškų varymo sistemų.
Elektriniai purškimo varikliai puikiai atitinka šį reikalavimą. Lozano laboratorijoje sukurti įrenginiai yra maždaug nykščio nago dydžio. Kiekvienas variklis yra virš rezervuaro, kuriame yra joninis skystis. Prijungus prie akumuliatoriaus, skystyje esantys jonai yra įkraunami elektros krūviu. Šios įkrautos dalelės tada išstumiamos per mažas angas variklyje, sukurdamos trauką.
Per pastarąjį dešimtmetį Lozano grupė išbandė daugybę konstrukcijų skirtingomis eksploatavimo sąlygomis ir su įvairiais joniniais skystaisiais degalais.
„Joniniai skysčiai yra labai stabilūs ir netgi gali išlikti skysčiu kosmose, ko negali padaryti daugelis medžiagų“, – sako Bruno. „Ir tai iš esmės yra jonų jūra, todėl mes kuriame savo technologiją aplink ją, kad galėtume ištraukti tuos jonus į elektros purškimą.“
MIT tyrėjai taip pat bendradarbiavo su JAV oro pajėgomis, kurios sukūrė naują joninį skystąjį kurą, žinomą kaip „Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic“ (ASCENT). Šis kuras iš pradžių buvo sukurtas cheminėms varymo sistemoms.
ASCENT buvo sukurtas kaip saugesnė alternatyva hidrazinui – labai toksiškam kurui, tradiciškai naudojamam daugelyje erdvėlaivių varymo sistemų.
„ASCENT yra joninių skysčių mišinys“, – sako Bruno. „Ir mes pasakėme: „Ei, tai yra medžiaga, kurią mes paprastai naudojame. Teoriškai tai turėtų veikti. Išsiaiškinkime, kaip.“
ASCENT bandymas elektros purškimo varikliuose
Norėdami įvertinti kurą, Bruno, Lozano ir buvęs MIT magistrantas Matthew Corrado atliko eksperimentų seriją, naudodami elektros purškimo variklius, varomus ASCENT.
Kiekvienas variklis buvo pritvirtintas prie mažo kubo formos rezervuaro, maždaug LEGO kaladėlės dydžio. Tyrėjai kiekvieną rezervuarą pripildė vienu gramu ASCENT – skysčio, kurio klampumas panašus į aliejaus.
Varikliai buvo sumontuoti priešingose „CubeSat“ pusėse, pastatyto ant specialios magnetinės levitacijos bandymų platformos, vadinamos „MagLev“. Įrenginys yra didelėje vakuuminėje kameroje, kuri gali atkurti sąlygas, panašias į tas, kurios yra kosmose.
Bandymo metu tyrėjai nuotoliniu būdu keitė varikliams tiekiamą įtampą. Gautas elektros purškimas sukūrė pakankamai jėgos, kad „CubeSat“ suktųsi.
Matuodami sukurtą trauką ir nuolat laikydami variklius įjungtus iki 100 valandų, komanda galėjo įvertinti kuro našumą ir efektyvumą.
Rezultatai parodė, kad ASCENT sėkmingai maitino elektros purškimo variklius. Kuro našumas buvo toks pat, kaip ir įprastų joninių skystųjų degalų, paprastai naudojamų elektrinėse varymo sistemose.
„Palyginti su mūsų įprastais elektros purškimo varikliais, ASCENT gali užtikrinti panašų traukos našumą“, – sako Bruno. „Dabar, kai žinome, kad mūsų varikliai veikia su ASCENT, galime pradėti galvoti apie visus būdus, kaip juos dar labiau patobulinti.“
NASA misija išbandys bendrą kuro baką kosmose
Dabar, kai įrodyta, kad ASCENT gali palaikyti tiek cheminę, tiek elektrinę varomąją jėgą, tyrėjai įsivaizduoja ateities erdvėlaivius, gabenančius vieną kuro baką.
Kadangi ASCENT jau įrodė savo gebėjimą palaikyti tiek cheminę, tiek elektrinę varomąją jėgą, tyrėjai įsivaizduoja ateities erdvėlaivius, turinčius vieną degalų baką abiem sistemoms maitinti.
Ši koncepcija netrukus bus išbandyta realiame pasaulyje per NASA „Green Propulsion Dual Mode“ misiją, kurią planuojama paleisti lapkritį.
„Tai bus pirmas kartas, kai palydovas turės bendrą degalų baką“, – sako Lozano.
Be tolimojo kosmoso tyrinėjimų, ši technologija taip pat galėtų pagerinti misijas arčiau Žemės. Lozano kaip vieną iš galimų pritaikymo būdų nurodo orų ir klimato stebėjimą.
„Tarkime, artėja audra ir norėtumėte išskleisti savo mažų palydovų žvaigždyną stebėjimui vienoje vietoje“, – sako jis. „Galite pasirinkti juos siųsti greitai arba lėtai, priklausomai nuo stebėjimo pobūdžio. Ir vienintelis būdas tai padaryti yra turėti dvi varymo sistemas, o tai dabar įmanoma.“
Šį tyrimą iš dalies rėmė NASA.
Amelia R. Bruno, Matthew N. Corrado, Paulo C. Lozano. Performance Characterization of Electrospray Thrusters with Energetic Ionic Liquid Monopropellant. Journal of Propulsion and Power, 2026; 1 DOI: 10.2514/1.B40175
6 stulbinančios kosmoso misijos, kurios bus paleistos po „Artemis II“
Lietuva jau įgyvendina 14 Europos kosmoso agentūros projektų