Паровой двигатель для спутников CubeSat

Компания Howe Industries представила проект парового ракетного двигателя на солнечной энергии для приведения в движение микроспутников CubeSats. Имея всего две движущиеся части, двигатель ThermaSat использует термический конденсатор для мгновенного превращения дистиллированной воды в перегретый пар.

CubeSat, состоящий из стандартизованных блоков в форме куба со стороной 10 см, может произвести революцию в работе спутников, заменив большие и сложные космические аппараты группировками маленьких и простых, которые можно развернуть быстро и недорого.

Однако их небольшой размер также означает, что в конструкции есть компромисс. Более крупные спутники могут нести запас топлива на годы или даже десятилетия, чтобы удерживать их на орбите или изменять ее по мере необходимости, но у CubeSats не так много места для двигателей, не говоря уже о топливных и энергетических системах для их работы.

Хуже того, CubeSats обычно выходят на орбиту вместе с основной ракетной нагрузкой, что означает, что они должны избегать легковоспламеняющихся, взрывоопасных, находящихся под давлением или токсичных видов топлива для двигателей.

Это прискорбно, потому что большинство CubeSat развернуты на низкой околоземной орбите, а это означает, что без двигателей их орбиты быстро нарушаются, и они часто сгорают в атмосфере. Это ограничивает полезность крохотного космического аппарата, и даже несмотря на то, что CubeSat обычно разрабатываются таким образом, чтобы их создание и запуск были недорогими, затраты все равно увеличиваются.

Чтобы преодолеть это, Howe Industries разрабатывает ThermaSat, который представляет собой отдельный модуль, который может быть установлен на одной стороне CubeSat. Принцип, лежащий в основе этого, настолько прост, что он впервые был продемонстрирован Героном Александрийским еще в первом веке нашей эры: вода нагревается до тех пор, пока не превращается в пар, который создает тягу.

Сложнее всего создать пар без бойлера, без внутреннего источника питания или больших солнечных отражателей, обеспечивающих тепло. Вместо этого ThermaSat концентрирует солнечный свет, используя меньшую площадь поверхности, чем отражатели, и сохраняет тепло с помощью довольно умного теплового конденсатора.

«Сердцем системы является уникальный тепловой конденсатор, сделанный из материалов с изменяющейся фазой, который концентрирует и накапливает солнечное тепло, собираемое всего с 20 квадратных дюймов (129 кв. см) открытой поверхности», — говорит Джек Миллер, инженер отдела исследований и разработок ThermaSat.

«Используя комбинацию фотонных кристаллов и окрашенных в золото зеркал, полностью инертный конденсатор достигает рабочей температуры 1052 K (779°C). Это дает удельную энергию, сравнимую с литий-ионной батареей, но без возможности взрыва. Боковые солнечные панели служат для электромеханики, резервного обогрева и в качестве резерва мощности для полезной нагрузки».

По данным компании, ThermaSat весит 2,4 кг, включая стандартную нагрузку 1 кг дистиллированной воды, и состоит из двух блоков CubeSat (2U). Они могут обеспечить движение космических аппаратов размером до 16 единиц CubesSat. Когда вода превращается в пар, она создает тягу 1,02 Н и удельный импульс в 203 секунды. Этого достаточно, чтобы удерживать CubeSat на низкой околоземной орбите в течение более пяти лет или на очень низкой околоземной орбите в течение месяцев вместо недель.

Кроме того, ThermaSat предоставляет CubeSat возможность изменять свою орбиту. Это означает, что космические спутники могут летать строем, сходить с орбиты по команде и избегать столкновения с другими спутниками.