Rezistenta electrodinamica

Rezistenta electrodinamica

(pag.14)

O alta tehnologie mai avansata este luata in considerare pentru cerintele principale de propulsie, tether-ul electrodinamic. Totusi, din cauza imaturitatii acestei tehnologii si lipsei de intelegere a manevrarii controlului fin, tether-ul a fost luat in calcul doar pentru cerintele specificate de deorbitare pentru TechSat21. Mai multi kilometri de fir subtire pot fi folositi dintr-o racheta, prin efectele gradiente ale gravitatii, orientate vertical spre Pamant. Miscarea de pe orbita a acestui fir in campul magnetic esential stationar al Pamantului va genera, pe langa lungimea sa, un potential electric, si, daca va fi plasat si un contact de plasma la fiecare capat, pin acesta va putea curge si un curent. Forta J X B produsa de interactiunea acestui curent cu campul magnetic tinde sa micsoreze viteza navetei si poate sa determine o deorbitarea misiunii din 2007 in cateva luni.

Din pacate, este foarte posibil ca TechSat21 sa opereze pe o orbita polara, in timp ce sistemele tether-ului electrodinamic cer o miscare perpendiculara pe campul magnetic al Pamantului pentru a putea produce reactie. Deoarece campul magnetic al Pamantului si pozitia adevarata a polului nord difera cu 11.5 grade este totusi generata o putere mica. Insa, exista anumite ingrijorari in legatura cu durata de timp ceruta pentru a scoate satelitul din constelatie. Exista, de asemenea, o ingrijorare majora in ceea ce priveste desfasurarea tether-ului in cadrul constelatiei dinamice si posibila incalcire cu naveta adiacenta. O metoda pe care o vom investiga in continuare este optiunea de a inchide pur si simplu sistemul de propulsie al unui satelit ratat, permitand unei perturbari J2 sa determine nava sa alunece in afara constelatiei si de acolo, de la o distanta "sigura" de constelatie sa desfasoare fortele tether-ului electrodinamic. Toate acestea, plus grijile generale referitoare la maturitatea tehnica din prezent a sistemelor tether-ului, nu recomanda un sistem tether de deorbitare pentru TechSat21, dar aceasta optiune este luata in considerare in scopuri comparative.

E. Procesarea puterii electrice

Ar trebui retinut faptul ca sistemele de propulsie electrica descrise, necesita un hardware de procesare a puterii dedicate. TechSat21 va dispune de o putere electrica ampla din zona boom-ului solar, dar ne asteptam ca principalul vehicul sa fie capabil sa opereze la mai putin de 100 V, in timp ce diferitii thruster-i electrici cer, oriunde, de la 300 V la 10 kV. De asemenea, putine sisteme au fost testate intr-o configuratie directa de conducere concreta a masinii. In mod traditional, se folosesc incarcatori de putere de schimbare regulata pe baza de curent sau de voltaj, care tind sa depaseasca in greutate thruster-ii pe care-i conduc printr-un factor de doi sau de trei. Presupunem ca aceste incarcaturi de putere conventionala vor fi folosite cu un thruster Hall la o scara macro, dar pentru diversele sisteme de micropropulsie, folosirea unui convertor DC-DC in stadiu solid pare a fi o solutie rezonabila. La AFRL a fost operat un astfel de micro-PPT care foloseste un astfel de sistem si se presupune ca sisteme similare pot fi folosite pentru sisteme coloidale sau MFIT. Cu PPT-uri, trebuie sa existe si o piedica si un condensator de descarcare, acestea fiind incluse in greutatea estimata a sistemului. Cu toate aceste cerinte ale unitatii de procesare a puterii, astfel de sisteme sunt luate in considerare separat de thruster-i, deoarece un singur PPU poate oferi un numar substantial de de thruster-i distincti in operatiuunile de mentinere a navetei si in cele de control al atitudinii. In cazul lui PPT, se poate intampla ca circuitul de tragere al PPT-ului sa permita o intreaga unitate de procesare a puterii pentru un sistem de micro-PPT asociat.

O comparatie a propunerii de thruster descris mai sus este data in Tabelul 2. Dupa cum se poate observa, sistemele de propulsie electrica ofera, in general, valori de impuls specific de 1000-1500 s si sisteme chimice de aproximativ 200 s. Asadar, este foarte posibil ca propulsarea electrica sa ofere o masa totala a sistemului mai mica, presupunand ca masa thruster-ului si al PPT-ului pot fi mentinute la niveluri acceptabile. Thruster-ii pot fi clasificati la scari macro si micro, cu macro thruster-i ca versiuni mici ale sistemelor de propulsie conventionale ale navetei si cu micro thruster-i creati, in mod special, pentru aplicatii de microsatelit, adesea folosind stil de semiconductor numit in limbajul uzual MEMS. Macro-thruster-ii, cu mase de ordinul a un kg sunt, in general, potriviti pentru aplicatia de propulsare principala, dar sunt prea grei pentru a putea fi folositi in numarul de aplicatii cerute pentru mentinerea navei/ ACS. Microthuster-ii, cu mase de aproximativ 100 de grame, se pot incadra cerintelor de mentinere a navei/ ACS, dar nu detin reactia necesara pentru propulsia principala a vehiculului de 100 kg TechSat21, decat in cazul in care sunt folositi in grupuri. Este posibil sa fie necesara o oarecare combinatie a celor doua posibilitati.

IV. Analiza

(pag.15)

Dat fiind bugetul restrans pentru misiunea navetei TechSat 21, orice fel de optiuni comparative de propulsie trebuie sa se centreze pe predictii ale masei sistemului de propulsie. Pentru a folosi acestei probleme, au fost construite mase detaliate estimate pentru sisteme de propulsie care folosesc diferitele tehnologii propuse. A fost luate in considerare un total de 30 de optiuni de populsie, cu fiecare dintre sistemele potentiale principale de propulsie potrivindu-se cu una sau mai multe sisteme de mentinere a navei. Masa estimata pentru fiecare sistem a fost impartita in 5 categorii: thruster, PPU, carburant, alimentarea cu carburant si diverse - cu unul sau mai multe linii de produse potrivite pentru fiecare categorie. Au fost efectuate evaluari separate pentru cerintele numerelor din 2003 si 2007, date fiind ∆V si cerintele de carburant diferite.

Categoria de thruster-i include thruster-ul sau thruster-ii principali de propulsie si thruster-ii de mentinere a navei. Marimea si/ sau numarul de thruster-i a fost stabilita pentru o cerinta de reactie de ~2mN, pentru o perioada totala de manevrare de 30 de zile, exceptie facand sistemele MFIT si FEEP, unde este permisa o perioada de manevra de 60 de zile datorita raportului lor scazut reactie-putere. In unele cazuri, pentru sistemele de genul thruster Hall sau oricare dintre sistemele chimice, un singur thruster de o marime rezonabila mai mica a oferit o perioada de manevrare mult mai scurta. Pentru controlul atitudinii si pentru mentinerea navei, a fost cerut un total de 6 elemente de thruster ACS cu un minim de reactie de 40 µN. A fost, de asemenea, adaugata in aceasta categorie, orice alt fel de hardware special cerut.

(pag.16)

Pentru sistemele pe baza de propulsie electrica este invariabil necesara o unitate de procesare a puterii cu un voltaj DC inalt, ca cel descris anterior, si folosirea unui semiconductor de conversie DC-DC care a fost postulat in majoritatea cazurilor. De asemenea, se include, in aceasta categorie, orice cabluri de voltaj mare si de curent mare necesare. In cazul PPT-urilor, sunt necesare si un condensator de stocare a energiei si un generator de declansare a pulsului. Daca sistemele ACS si cele principale incorporeaza tehnologii diferite de propulsare electrica, sunt necesare, in general, sisteme separate de procesare a puterii. Principala exceptie de la aceasta regula este abilitatea generatorului PPT de declansare de puls pentru a servi ca un sistem de procesare a intregii puteri pentru un sistem de control al atitudinii al unui micro-PPT, desi pornirea unui hardware aditional este necesara.

A fost oferit carburant suficient pentru a corespunde cerintelor ∆V specificate ale misiunilor 2003 si 2007, asa cum au fost descrise mai sus. In unele cazuri, a fost estimat ca avantajos sa se ofere un stoc de carburant separat pentru fiecare element al thruster-ului ACS decat sa se ofere un sistem de alimentare dintr-un rezervor central. Pentru aceste cazuri, cerinta este stabilita la un impuls total de 100-N-s pe element pentru misiunea din 2003 si 1 kN-s pentru misiunea din 2007 pentru a lua in considerare folosirea anumitor carburanti posibil neuniformi de catre ACS. Sistemul de alimentare cu carburant contine rezervor pentru carburantul ACS si cel principal, linii de alimentare, valve si sisteme de control al fluxului.

10% procente din masa uscata neta a sistemului de propulsie este retinuta pentru structuri si pentru urcarea generala a hardware-ului. Un 5% aditional este retinut pentru sistemele de control si pentru harnasamentele care folosesc design-ul practic standard al navetei. Acesta nu include sistemul de distributie de voltaj mare incorporat in categoria PPU. In sfarsit, un procent de 15 % este pastrat pentru cresteri neasteptate ale sistemului. Acest total de 30 % din masa uscata neta reprezinta categoria "diverse" si include o marja de eroare in estimarea masei uscate pentru nivelul "sub-sistem". Se presupune ca masa de carburant are o marja de eroare de +/- 5% din cauza nesigurantei in ceea ce priveste impulsul specific al thruster-ului.

Pentru fiecare dintre cele enumerate mai sus, un hardware comercial disponibil in magazin poate fi luat in considerare, daca este necesar, de preferat sa fie calificat pentru spatiu, dar in cazul unor PPU-uri sau a unor componente ale sistemului de alimentare cu carburant, hardware-uri de aviatie sau pentru sol bazate pe caracteristici militare au fost folosite ca segmente de baza. Intentia este mai degraba sa se estimeze cat mai corect o masa a sistemului d zbor decat sa se incerce, de fapt, crearea design-ului unui astfel de sistem. In unele cazuri, sisteme comerciale cu nivele de putere diferite, au fost reduse linear la o scala modesta care sa fie conforma cu cerintele lui TechSat21. Pentru conceptele de thruster experimental, au fost luate in considerare laboratoare de test de zbor pentru hardware-uri si, in cazul unor tehnologii care nu au atins inca nivelul de testare, au fos folosite cele mai bune estimari ale autorilor in ceea ce priveste greutatea sistemelor dezvoltate.

Spatiul impiedica oferirea de pene detaliate ale masei pentru toate optiunile de sisteme de propulsie disponibile, desi un exemplu reprezentativ este ilustrat in Tabelul 3. Figura 3 este o prezentare schematica a aceluiasi sistem, indicand componentele cele mai importante. Acesta este specific pentru toate optiunile de propulsie prin PPT, desi si alte sisteme de propulsie vor avea o configuratie similara. Sunt de preferat 6 ACS thruster-i aranjati trilateral pentru mentinerea X-Y a navei si pentru controlul deviatiei, decat aranjamentul traditional cu 8 thruster-i asezati octogonal. In timp ce aceasta posibilitatea duce la o reducere de mai putin de 13% a eficientei datorita pierderilor de cosinus, usurinta cu care se integreaza hexagonalul TechSat21 si cele ~25 de procente reduse in masa uscata a sistemului datorate numarului mai mare de thruster-i compenseaza pentru pierderile non-ortogonale si duce la recomandarea unui sistem cu trei laturi pentru aceasta aplicatie.

Tabelele 4 si 5 ofera pene comparative pentru toate conceptele incluse in acest studiu, pentru misiunile din 2003 si 2007. Majoritatea sistemelor de propulsie alese corespund cerintelor masei specificate de 10 kg a sistemului de propulsie pentru misiunea 2003.

(Pag. 18)

Cu toate acestea, numai sistemele (care incorporeaza thruster-i) speculative MFIT corespund masei bugetare pentru misiunea din 2007. Un numar de sisteme de propulsie electrica ofera o masa totala de 12 pana la 15 kg, care, in lumina imaturitatii tehnice a sistemului MFIT si, in lipsa altor alternative, trebuie considerati acceptabili. Baza de monocarburant conventional chimic, la o cantitate mai mare de dublul masei bugetare, il scoate pe acest candidat putin rezonabil din cursa pentru misiunea din 2007.

Trebuie luati in considerare si alti factori in afara de masa sistemului de propulsie pentru a compara optiunile de propulsie pentru TechSat21. In mod special, maturitatea tehnica a diferitelor sisteme este o problema majora. Numai sistemele pe baza de mono-carburanti chimici si de tip FEEP, precum si sistemele micro-thruster-ilor PPT au fost cel putin testate in laborator si se bazeaza pe o experienta a sistemelor calificate de zbor care au operat si la niveluri de putere mai mari. Cele mai putin testate sisteme, ca cele MFIT, digitalul MEMS si microthruster-ul coloidal au un risc mai mare si, in consecinta, pot suferi cresteri in ceea ce priveste masa si costurile in timpul dezvoltarii unitatii de zbor. (in timpul zborului).

De asemenea, relevante sunt timpul de manevrare si cererile de putere, desi este clar ca oricare dintre sistemele propuse pot obtine o performanta acceptabila. In mod special, cu o putere de 350 W, sistemul de propulsie TechSat21 poate avea limitata, mai degraba, masa decat puterea. Unitatile de procesare si de gestionare a intregii puteri disponibile ar fi excesiv de grele (5+ kg numai pentru PPU). Toate sistemele de propulsie care sunt competitive pentru TechSat21 opereaza la niveluri ale puterii mai mici de 200 W.

Un factor aditional care influenteaza puternic optiunile preferate de propulsie este costul de a integra si a califica sistemul din punct de vedere spatial. Deoarece naveta spatiala este in prezent favorita pentru lansarea din timpul misiunii demonstrative a tehnologiei critice a lui TechSat21, cerinta reviziei sigurantei navetei poate domina cheltuielile de integrare si calificare. Pentru sisteme cu carburanti chimici reactivi si/sau rezervoare presurizate, cerintele de siguranta ale navetei (de ex. Redundanta tripla in valva) sunt in mod special exigente. (cer foarte mult). Asadar, sunt preferabile sistemele cu carburanti inerti stocati in forme lichide la presiune mica. Avantajoase, in mod special, sunt sistemele de propulsie in care thruster-ul, PPU-ul si carburantii se constituie inerent intr-un singur pachet.

(pag.19)

In sfarsit, precizia sistemului de control al atitudinii poate fi un considerent important. Si oricare dintre sistemele listate pot corespunde cerintelor preliminare specificate in programul lui TechSat21, dar o crestere a emfazei asupra manevrelor de o proximitate mai mare, pot intari (mari) acele cerinte. Sistemele, bazate pe un singur thruster mare cu un control al atitudinii dat numai de TORQUER-I magnetici, pot oferi numai control directional brut , care poate fi problematic. Diferiti acceleratoi ai doi sau mai multi thruster-i principali pot oferi o precizie mai mar, dar introduc un cuplaj intre directia deviatiei si planul de translatie X-Y. Numai sistemele cu un micro-thruster dedicat, bazat pe un sistem de control al atitudinii pot oferi intr-adevar o precizie mare.

Tabelul 6 listeaza acesti parametri si ofera solutii pentru toate optiunile sistemelor de propulsie studiate. Aceste sisteme se impart in 3 categorii. MFIT-ul si, intr-o mai mica masura, microthruster-ii coloidali sunt evident preferabili pentru toate bazele tehnice virtuale si sunt singurele sisteme care corespund masei bugetului pentru misiunea din 2007. Totusi, maturitatea lor tehnica scazuta este problematica pentru lansarea din 2007 si nu poate fi deloc luata in considerare pentru misiunea din 2003. O varietate de combinatii bazate pe thruster-i HAll care au fost verificati (au avut parte de demonstratii) cu putere scazuta sau pe echipe de PPT cu o gama de microthruster-i pentru control al atitudinii ofera mase de sistem de propulsie de 10 kg pentru misiunea din 2003 si de 15 kg pentru lansarea din 2007, cu performante acceptabile in toate celelalte activitati pe care le au de indeplinit. In sfarsit, sistemele bazate pe carburanti chimici ofera o masa adecvata si performanta buna pentru misiunea din 2003, dar devin excesiv de masive pentru cerintele mari de ∆V pentru misiunea din 2007.