Чем заменят токсичный гидразин на новых спутниках
AstroNews.ru - 30 Марта 2020 20:38:13
По мнению исследователей, разработка новых пропеллентов для спутников, заменяющих токсичный гидразин, сделает запуск спутников и управление ими более безопасными, но также потребует изменения существующих систем.
По мере роста количества спутников будет увеличиваться и количество топлива, которое мы используем для их запуска. И выход на орбиту - это только половина уравнения. Как только спутник находится над Землей, ему нужен способ движения, чтобы убедиться, что он может двигаться в случае необходимости, избегая космического мусора, компенсируя высоту с течением времени, и даже улетая со своей орбиты в конце своей миссии.
В настоящее время стандартным топливом для спутников является топливо на основе гидразина, которое является высокотоксичным. Воздействие гидразина может вызвать множество проблем со здоровьем, включая повреждение печени, почек и центральной нервной системы. Если гидразин разливается, когда спутник все еще находится на земле, его взрывной характер может стать проблемой для общественной безопасности.
Подготовка спутника, работающего на гидразине, для космоса - это опасная задача, требующая особых мер предосторожности для всех, кто в ней вовлечен, включая одежду, похожую на скафандр, которая гарантирует, что, если что-то пойдет не так, люди, работающие с топливом, не будут вдыхать ядовитые пары.
Поэтому неудивительно, что инженеры ищут новые, более чистые способы запуска и перемещения спутников, которые будут использовать вместо этого нетоксичное топливо. «С гидразином довольно неприятно работать с точки зрения здоровья и безопасности, поэтому мы видим гораздо больший интерес к другим видам ракетного топлива», - сказал Эрикас Кнейжис, главный конструктор NanoAvionics, европейского производителя космического оборудования и НАС.
В 2011 году Европейское химическое агентство добавило гидразин в свой список «веществ, вызывающих серьезную обеспокоенность», что означает, что его использование может быть вскоре ограничено.
Спутники Cubesat
NanoAvionics специализируется на технологиях для наноспутников, в том числе CubeSats, которые представляют собой миниатюрные спутники, состоящие из 10-сантиметровых блоков в форме куба, обычно построенных с использованием готовых компонентов и весом около 1 кг каждый. По мере того как более мелкие спутники, подобные этим, становятся все более распространенным явлением - NanoAvionics заявляют, что в период с 2016 по 2020 год количество запусков малых спутников увеличилось на 300%, - спрос на подходящие для них чистые топлива, вероятно, будет расти.
«Когда мы смотрели на рынок CubeSat и особенно на химические двигатели с использованием чистого топлива, продуктов практически не было», - сказал Кнейжис. «Итак, мы увидели эту нишу и начали работать над ней».
В рамках проекта под названием EPSS NanoAvionics разработала менее вредное топливо на основе динитрамида аммония или ADN, соединения, состоящего из азота, кислорода и водорода, особенно для небольших спутников. Система была интегрирована в пилотный спутник и прошла демонстрацию на орбите.
Новая система называется так называемым монотопливом. Пропуская топливо над катализатором, который заставляет его разлагаться, выделяется тепло и газы, которые движут космический корабль. Другие системы используют бипропеллент, в котором две жидкости хранятся раздельно и, как правило, воспламеняются при смешивании.
По словам Кнейжиса, использование бипропеллента повышает риск в процессе производства, поскольку эти два вещества могут случайно соприкоснуться и воспламениться. «В нашем монотопливе мы должны пройти длинный путь, чтобы убедиться, что оно сгорает относительно мягко и стабильно по сравнению с (большинством) бипропеллентных системам», - сказал Кнейжис.
HyproGEO, проект, координируемый аэрокосмической компанией Airbus, также разработал нетоксичную двигательную установку, на этот раз сосредоточенную на спутниках на геостационарной орбите вокруг Земли. Находясь на орбите на расстоянии 36 000 км, эти спутники находятся в фиксированной точке над поверхностью Земли и обычно используются для таких вещей, как связь и радиовещание.
«Чтобы попасть туда, требуется достаточно много энергии», - говорит доктор Фришауф из SpaceTec Partners, члена консорциума HyproGEO.
В настоящее время эта энергия в основном обеспечивается пропеллентами на основе гидразина. Но HyproGEO разработал гибридную силовую установку, в которой вместо нее используется перекись водорода. Топливо, которое на 98% состоит из перекиси водорода - по сравнению с примерно 6% -ным раствором, который есть у некоторых дома, но работать с ним по-прежнему менее рискованно, чем гидразин . Он также распадается на кислород и воду, избегая выделения паров, вредных для человека.
Геостационарные спутники рассчитаны на 10 и более лет работы, поэтому топливо, которое используется для маневрирования, когда они находятся на орбите, должно быть таким же надежным. «Вы должны убедиться, что он будет работать через 15 лет, поэтому это должна быть простая система. Если она сложная, всегда есть риск, что что-то сломается», - сказал доктор Фришауф.
Гибридный двигатель
Решение, которое HyproGEO предложил, состояло в том, чтобы использовать гибридную двигательную установку, которая включает пропускание перекиси водорода через катализатор для производства очень горячего кислорода, а также водяного пара. Этот кислород может сам обеспечивать движение или его можно использовать для поджигания другого вещества для дополнительного ускорения. «Когда вы контролируете поток кислорода, вы можете контролировать тягу двигателя», - сказал доктор Фришауф.
Команда успешно разработала тестовый двигатель для хранения нового топлива, показала, что он разложился, как и ожидалось, а затем сконструировала ракетный двигатель с использованием топлива. С тех пор как эта работа была завершена в 2018 году, норвежская оборонная компания Nammo использовала гибридный двигатель HyproGEO для запуска ракеты на высоту в 107 км от поверхности Земли всего за три минуты, что является временем для суборбитальных ракет, использующих традиционные двигательные установки.
Использование этих новых пропеллентов не только принесет пользу людям, работающим с текущим токсичным топливом, но и сделает всю инфраструктуру более эффективной и дешевой. По словам Кнейжиса, система EPSS, разработанная NanoAvionics, стоит примерно треть аналогичных продуктов, в которых используются традиционные пропелленты.
Со всеми этими преимуществами, что сдерживает появление этих новых пропеллентов? С одной стороны, гибридные двигательные установки традиционно не были способны к длительному полету, необходимому для вывода спутников на геостационарную орбиту, и эту проблему HyproGEO удалось преодолеть.
По словам доктора Фришауфа, в отрасли уже созданы процедуры для работы с традиционными видами топлива, такими как гидразин, - переход к чему-то новому требует разрушения этих систем. «Всегда нужно немного импульса, небольшого толчка, чтобы убедиться, что новая технология может возобладать».