Näytetään tekstit, joissa on tunniste SWEST. Näytä kaikki tekstit
Näytetään tekstit, joissa on tunniste SWEST. Näytä kaikki tekstit

maanantai 5. marraskuuta 2012

CubeSat käy moneen

Sähköpurjekolumni nro. 24, 5.11.2012

ESTCube-1 pitää luovuttaa joulukuussa. Satelliitti ei ole vielä valmis, mutta jos kaikki menee hyvin, maaliin tullaan ehtimään. Elektronitykin tilanne on kaikkein kriittisin. Toimiva tykki rakennettiin jo keväällä ja sitä ajettiin onnistuneesti useita viikkoja tyhjiökammiossa, mutta valmistusprosessiin kuuluvaa liimausvaihetta ei olekaan onnistuttu enää toistamaan. Viime viikolla löydettiin uusi valmistusmenetelmä, jossa liimausta ei tarvita. Jos tykki ei ehdi ajoissa, se jää pois ESTCube-1:stä. Silloin satelliitilla ajetaan vain negatiivisesti varatun liean koetta eli plasmajarrumoodia, ja positiivisen liean kokeileminen jää Aalto-1 -satelliitin tehtäväksi.

Elektronitykin haasteet koskevat vain pieniä CubeSatteja, koska niissä joudutaan tehon säästämiseksi käyttämään kylmäkatoditykkejä. Vähänkin isommissa satelliiteissa on sen verran enemmän tehoa saatavilla, että voidaan käyttää putkielektroniikasta tuttuja hehkukatodeja.

Näyttää todennäköiseltä että sähköpurjeen aurinkotuulitestilento tulee olemaan CubeSat-pohjainen. Perusvaihtoehdossa kuuden yksikön CubeSat (noin 30x20x10 cm laatikko) laukaistaan oheishyötykuormana GTO-radalle, minkä jälkeen radan lakipiste nostetaan noin kuukaudessa aurinkotuuleen butaania käyttävällä kylmäkaasutyöntimellä. Tarvittava nopeuden muutos on 500 m/s, jos se tuotetaan aina radan alimman pisteen lähellä. Kyseessä on sama ruotsalainen butaanityönnin, jota on kehitetty EU-hankkeessamme sähköpurjeen etäyksikön moottoriksi, jolla pidetään takila pyörivänä kun liekoja avataan. Butaanimoottori on kuin nestekaasupullo, jonka venttiilistä suihkautetaan kaasua aina kun tarvitaan työntövoimaa. CubeSateissa kemialliset rakettimoottorit on kielletty turvallisuussyistä, mutta kylmäkaasutyönnin on luvallinen. Itse sähköpurjettahan ei voi käyttää GTO-radalta nousemiseen, koska sähköpurje vaatii toimiakseen aurinkotuulta.

Pekka Janhunen

tiistai 10. huhtikuuta 2012

Aurinkotuulitestimissio SWEST


Aurinkotuulipurje on kotonaan vapaassa aurinkotuulessa,
Maan magneettikentän vaikutusalueen ulkopuolella. Kuva: NASA
Sähköpurjekolumni 10.4.2012 

 Haemme mahdollisuutta toteuttaa sähköpurjeen aurinkotuulitestimissio. Vaihtoehtoja on suurehko määrä. Esimerkiksi voidaan rakentaa tavallinen satelliitti, jonka tehtävänä on pelkästään sähköpurjeen testaus. Tästä tehtiin viime syksynä EU-hakemus SWEST, joka ei kuitenkaan mennyt läpi. Italialaiset yrittävät nyt saada sitä läpi eri reittiä. Sähköpurjekoe voitaisiin myös asentaa osaksi jotakin toista satelliittia. Pidin tästä esityksen maaliskuussa ESA:n GSTP6-kokouksessa.

Kaikissa tapauksissa on lisäksi vaihtoehtoina käyttää pelkkiä liekoja, liekojen päissä olevia etäyksiköitä tai etäyksiköitä ja apuliekoja. Jos käytetään pelkkiä liekoja, satelliitissa täytyy olla propulsiojärjestelmä jolla tuotetaan liekojen avaamiseen tarvittava liikemäärämomentti. Jos lieat ovat 250 m pitkiä ja niitä on neljä, siihen riittää esimerkiksi sata grammaa butaania. Tätä lyhyempiä liekoja ei aurinkotuulikokeessa kannata käyttää, koska jännitteellisinä niiden ympärille muodostuva elektronivyöhyke on jo itsessään satakunta metriä leveä. Jos käytetään etäyksiköitä, nekin tarvitsevat propulsiota avausvaiheessa, mutta vähemmän koska niiden voiman varsi on liean mittainen. Etäyksikön propulsiona on tutkittu butaanimoottoria, FEEP-moottoria ja pientä fotonipurjetta.

Aurinkotuulitestimission voisi todennäköisesti tehdä kuutiosatelliitillakin, jos sen saisi jollakin keinolla aurinkotuuleen. Tähän mennessä kuutiosatelliitteja on laukaistu vasta LEO-radalle, mutta kaavailuja GTO-laukaisuista ja jopa Kuun radalle menevästä laukaisusta on näkynyt. On periaatteessa mahdollista rakentaa kuutiosatelliittiin propulsiojärjestelmä, joka pystyy nostamaan sen GTO-radalta aurinkotuuleen.

LEO, GEO ja GTO. Kuva: Basura
Yksi tällainen mahdollisuus voisi olla Cornellin yliopiston käynnistämä hanke kuutiosatelliittiin mahtuvan elektrolyysipropulsion rakentamiseksi. Elektrolyysipropulsiossa ajoaineena on vesi, jota satelliitti hajottaa elektrolyysillä vedyksi ja hapeksi käyttämällä aurinkopaneelien antamaa tehoa. Kaasut kerätään välivarastoon painesäililöihin, jotka tyhjennetään polttamalla rakettimoottorissa kun halutaan työntövoimaa.

NASA ja USA:n ilmavoimat tutkivat elektrolyysipropulsiota 1990-luvulla, mutta luopuivat leikistä jossain vaiheessa. Olen noin 5 vuotta puhunut elektrolyysipropulsion puolesta eri yhteyksissä, joten oli mukava kuulla että Cornell on tarttunut asiaan. Elektrolyysipropulsion ominaisimpulssi on parempi kuin hydratsiinilla ja lisäksi päästään eroon myrkyllisestä ja räjähdysherkästä aineesta. Haittana on ratanostoon kuluva muutaman kuukauden aika, joka on kuitenkin lyhyempi kuin ionimoottoreilla. Elektrolyysipropulsio ei tosin taivu pitkään yhtenäiseen polttoon, joten se ei toimi planeettaluotaimen perinteisen tyylisessä lähettämisessä. Mutta planeettaluotaimethan voivat käyttää sähköpurjetta heti noustuaan aurinkotuuleen. Ehkä tulevaisuudessa satelliitteja siirtelevät elektrolyysialukset tankkaavat asteroideilta peräisin olevaa vettä, joka on tuotu maan kiertoradalle sähköpurjeilla.

Jos GTO-kuutiosatelliittilaukaisuja on tulossa, sähköpurjeen aurinkotuulitestimissiossa meidän täytyy nousta vain GTO-radalta aurinkotuuleen, johon tarvittava impulsiivinen delta-v on noin 500 m/s. Siihen saattaisi riittää ESAIL-hankkeessa kehitettävä butaanimoottori, jos satelliitin muut osat saadaan keveiksi tai jos käytettävissä on isompi kuin kolmen yksikön kuutiosatelliitti.

Pekka Janhunen