Tanie, ekologiczne i bardziej wydajne systemy napędowe małych satelitów
Nic nie jest obecnie w stanie powstrzymać gwałtownego rozwoju rynku małych satelitów. Na przestrzeni zaledwie czterech lat – w latach 2012-2016 – średnia masa satelitów zmniejszyła się o niemal 80 %, a od tamtego czasu liczba małych satelitów umieszczonych na orbitach okołoziemskich wzrosła o 300 %. Pomimo błyskawicznego rozwoju tego segmentu rynku, napędzanego przez rosnący popyt i nowe technologie, systemy napędowe wykorzystywane w satelitach zaczynają pozostawiać coraz więcej do życzenia. Ich główne wady można podsumować w niezwykle krótki sposób, zaledwie dwoma słowami – drogie i niebezpieczne. Co więcej, pomimo istnienia alternatywnych rozwiązań, ich osiągi zdecydowanie nie spełniają wymagań użytkowników.
Pierwsze rozwiązanie w swojej klasie
Istnieje jednak jeden wyjątek od tej reguły. „EPSS to pierwszy w swoim rodzaju system napędowy na potrzeby satelitów, który zapewnia wysokie osiągi, wykorzystując w tym celu ekologiczny i nietoksyczny monergol – dinitramid amonu, który jest dziesięciokrotnie tańszy niż substancje alternatywne i zapewnia osiągi o 30 % lepsze niż konkurencyjne substancje”, twierdzi Vytenis Buzas, dyrektor generalny firmy NanoAvionics. Prace nad projektem EPSS 2 (Enabling Chemical Propulsion System for the Growing Small Satellite Market) rozpoczęły się w 2016 roku. Ich celem było opracowanie i przeprowadzenie testów pilotażowych taniego i charakteryzującego się wysokimi osiągami systemu napędowego wykorzystującego przyjazne dla środowiska paliwo, napędzającego satelity o masie wynoszącej poniżej 150 kilogramów. Jak wspomina Buzas: „Zapotrzebowanie na tego rodzaju system napędowy było wówczas naprawdę duże. Systemy napędowe umożliwiają satelitom wykonywanie złożonych zadań, których pomyślna realizacja jest kluczowa do świadczenia usług o wysokiej wartości. Należą do nich precyzyjne loty w konstelacjach, wykonywanie manewrów na orbicie, unikanie śmieci kosmicznych, synchronizacja i pozycjonowanie urządzeń komunikacyjnych oraz innych przyrządów, kompensacja oporu atmosferycznego oraz wydłużanie okresu eksploatacji, a także sprowadzanie satelity z orbity po zakończeniu misji”. Innymi słowy, system napędowy umożliwia małym satelitom realizację współczesnych zadań, do których wykorzystywane są tego rodzaju urządzenia, wśród których można wymienić między innymi zdalne wykrywanie, radioastronomię i astronomię optyczną, badania przestrzeni kosmicznej w ramach rządowych i prywatnych misji naukowych, badania atmosfery i prognozowanie pogody, komunikację oraz nadawanie, nawigację, zapewnianie bezpieczeństwa, prowadzenie akcji ratunkowych, a także obsługę urządzeń internetu rzeczy. Dzięki napędowi EPSS, misje te nie tylko mogą być znacznie tańsze i dużo bardziej przyjazne dla środowiska – nowa technologia pozwala na osiąganie dużo mocniejszego ciągu i wykonywania dłuższych manewrów orbitalnych.
Prosta i niezawodna konstrukcja
W jaki sposób działa ten nowatorski system? „Napęd EPSS opiera się na stosunkowo prostej, jednak niezwykle niezawodnej konstrukcji, obejmującej zbiornik paliwa, blok sterowania przepływem i silnik rakietowy zasilany monergolem”, wyjaśnia Erikas Kneižys, dyrektor ds. rozwoju w firmie NanoAvionics. „Zbiornik paliwa jest wyposażony w aktywny system kontroli temperatury i opiera się na konfiguracji wykorzystującej przedmuchiwanie oraz elastomerową membranę oddzielającą gaz od paliwa. Blok sterowania przepływem składa się natomiast z zaworu zatrzaskowego, czujnika ciśnienia, układu filtrującego oraz dwóch ułożonych szeregowo zaworów odcinających, wykorzystywanych w roli zaworów sterujących lotem. Z kolei w komorze silnika znajduje się zarówno katalizator, jak i grzałki. Odpalenie silnika następuje z chwilą, w której jednostka sterująca silnika włącza zawory elektromagnetyczne, umożliwiając w ten sposób przepływ paliwa. Wraz ze spływaniem paliwa do komory rozkładu, z której jest wtryskiwane na wstępnie ogrzany katalizator zlokalizowany w komorze silnika, rozpoczyna się reakcja rozkładu, w wyniku której uwalniana jest energia, dzięki czemu natychmiast powstaje ciąg”. Zmniejszenie kosztów produkcji wynika z zastosowania samodzielnie opracowanej i zoptymalizowanej aparatury i elementów, a także przede wszystkim z zastosowania układu katalitycznego umieszczonego w komorze rozkładu silnika. Drugi etap projektu wspieranego przez unijny Instrument dla MŚP dobiegł końca we wrześniu 2019 roku. Uczestnikom projektu udało się doprowadzić opracowany przez siebie system do 9. poziomu gotowości technologicznej dzięki demonstracjom rozwiązania w zastosowaniach orbitalnych, w związku z czym rozwiązanie zostało już wprowadzone do wynoszonych na orbitę satelitów klientów komercyjnych, którzy mogą czerpać korzyści z dłuższego okresu eksploatacji swoich satelitów, dokładniejszej kontroli na orbicie, a także krótszego czasu tworzenia konstelacji.
Słowa kluczowe
EPSS 2, mały satelita, napęd, paliwo, dinitramid amonu