由于一种新的等离子燃料推进器,未来的卫星可以比以往任何时候都更深入地进入太空。

美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的一份新闻稿称,由该实验室的工程师们建造的新推进器,可能开启一个全新的科学研究领域。这是因为推进器最终可以让这些被称为立方星的微小卫星在轨道的上下界之间移动,这是向全面轨道基础设施迈出的一大步。

普林斯顿大学的学生们正在建造一种被称为立方星的装置,作为一个小型火箭推进器的试验台。该推进器由PPPL物理学家Yevgeny Raitses领导开发,有望提高立方星任务的灵活性。目前,世界各地的大学、研究中心和商业机构已经发射了1000多颗微型卫星。这种由等离子体提供动力的推进装置可以提高和降低环绕地球立方体卫星的轨道,这一能力在今天的小型航天器中还没有广泛的应用,并具有探索深太空的潜力。

Raitses说:“本质上,我们将能够在许多任务中使用这些微型推进器。”

数以百计的微型立方星

举个例子:PPPL磁重联实验(MRX)的首席研究员,物理学家Masaaki Yamada设想了数百个这样的微型立方星,该实验研究的是磁重联——等离子体中磁力线的分离和爆炸断裂。这些磁力线会触发极光、太阳耀斑和地磁风暴,从而破坏地球上的手机服务和电网。

关键优势

这种小型化的发动机缩小了一个圆柱形推力器尺寸,该推力器具有高体积到表面的几何形状,是由PPPL霍尔推力器实验(HTX)开发。这个实验研究了等离子体(由自由漂浮电子和原子核或离子组成的物质状态)用于太空推进。

小型化圆柱形霍尔推进器的一个关键优势是,它能够产生比目前大多数环绕地球运行的立方星使用等离子体推进器更高的火箭推力密度。小型化推进器既能提高密度,又能产生高比冲,比冲是火箭燃烧燃料效率的技术术语,比通常用于小型卫星的化学火箭和冷气体推进器所产生燃料效率高许多倍。

高比冲推力器使用更少的燃料,可以延长卫星的任务,使它们更划算。同样重要的是,高比冲可以产生足够大的卫星动量增加,使航天器能够改变轨道,这是目前绕地球运行立方星所不具备的特性。最后,高推力密度将使卫星能够在合理的时间内完成复杂的燃料优化轨道。

这些功能提供了许多好处。例如,立方星可能会下降到较低的轨道,以跟踪飓风或监测海岸线的变化,然后返回到较高的轨道,在那里卫星的阻力较弱,需要更少的燃料推进。

这个大约1英尺长的立方星,普林斯顿大学称它为“老虎卫星”,由三个垂直堆叠在一起的近4英寸铝立方体组成。传感器、电池、无线电设备和其他仪器将填满立方星,在两端安装一个直径大致相当于两个微型推进器,当卫星经过地球赤道时,推进器会点火改变轨道。

机械和航天工程专业的学生

建造立方体卫星的是普林斯顿大学机械和航天工程系大约10名研究生和本科生,Daniel Marlow是1911年Evans Crawford物理学教授,担任教员顾问。本科生有Andrew Redd和Seth Freeman,Redd负责立方星的设计和建造。从事推进器开发的是Jacob Simmonds,他是一名三年级的工程学研究生,这个项目最初是Yamada的立方星原型,现在已经发展成为等离子体推进器试验台。

PPPL还在建设一个测试设施,旨在模拟立方体卫星运行的关键方面。大学生们利用自己的时间建造卫星和这个设施。Marlow说:“只要学生和他们的导师已经确定了与TigerSat项目相关的明确定义的问题,他们就可以获得独立的学分。此外,在我教授的本科生物理入门课程的一些习题中,有一些问题与TigerSat飞行计划有关。”

Simmonds正在为NASA立方星的发射计划起草一份提案,该计划将于11月实施。这项旨在促进公私技术合作和低成本技术开发的计划所选择的项目,其发射成本涵盖了商用和NASA的运载火箭。计划要求在2021年秋季发射一颗老虎卫星(TigerSat)。