Спутники CubeSat становятся все более популярными, на данный момент запущено около 2400 спутников. Однако их небольшие размеры ограничивают возможности использования фундаментальных технологий исследования космоса, включая двигательные установки. Они становятся еще более важными, когда разработчики миссий разрабатывают миссии, которые требуют от них путешествий на другие планеты или даже астероиды.
Команда из Университета науки и технологий Халифы в Абу—Даби недавно опубликовала в журнале Aerospace обзор различных существующих в настоящее время двигательных установок CubeSat - давайте рассмотрим их преимущества и недостатки.
В статье двигательные установки подразделяются на четыре категории: химические, кинетические, электрические и "безракетные". Химические системы — это традиционные ракеты, о которых большинство людей думает при запуске спутников: они сжигают химические вещества вместе и выбрасывают газ, образующийся при горении, для создания тяги. Кинетические системы используют такие вещи, как холодный газ, где вместо взаимодействия двух химических веществ они просто выталкивают молекулы газа наружу, заставляя их двигаться в противоположном направлении.
Электрические системы подобны кинетическим, но используют электрическую систему, такую как двигатель на эффекте Холла, для нагрева топлива перед его выбросом. И, наконец, технологии без использования двигателя не содержат активных компонентов и вместо этого пассивно используют силы из самого космоса для перемещения. Самый распространенный пример этого - солнечные паруса.
Давайте начнем с химического двигателя. Это, вероятно, наименее полезная установка для спутников CubeSat, поскольку требования к материалам для обработки небольших взрывов делают вспомогательную инфраструктуру слишком громоздкой и тяжелой, чтобы вписаться в традиционный пакет CubeSat. Несмотря на то, что были разработаны некоторые миниатюрные системы, которые могли бы поместиться в рамку CubeSat, системы с химическим топливом, скорее всего, не будут запущены в ближайшее время.
Кинетические системы гораздо чаще используются для спутников CubeSat, и в статье они подразделяются на две основные категории: холодный газ и реактивная струя. Ранее мы сообщали о системах, использующих в качестве кинетического топлива все, что угодно, от аммиака до воды, которые подпадают под категорию холодного газа. Если газ слегка подогреть перед выпуском, система перейдет в режим реактивной струи. Хотя уровень нагрева и не приближается к уровню взрывов, используемых в химических ракетах, он все же увеличивает силу истечения топлива из сопла двигателя малой тяги.
Электрические двигатели во многом схожи с кинетическими, но для нагрева топлива перед сбросом используется электрическая энергия. В статье эти технологии подразделяются на три основные категории: электротермические, электростатические и электромагнитные. Системы электротермического разряда аналогичны электродуговым двигателям, хотя до сих пор не было разработано ни одной системы, достаточно маленькой, чтобы вписаться в форм-фактор CubeSat, которая могла бы обеспечить необходимую мощность для такой системы.
В системах электрораспыления для ускорения заряженных частиц, используемых в качестве топлива, используются электрические силы, а не нагрев. Заряженные частицы ускоряются с помощью магнитного поля, создаваемого двигательной установкой, и с высокой скоростью проходят через сопло двигателя малой тяги. Электромагнитные системы работают аналогично, используя дугу для ионизации ракетного топлива, которое затем выталкивается магнитным полем, образующимся вокруг ионизированного материала.
В целом, электрические системы становятся все более распространенными на спутниках CubeSat. Тем не менее, требования к материалам для них, как правило, требуют высокоточной обработки и других передовых технологий, что усложняет их разработку по сравнению с простыми кинетическими системами.
Системы, не использующие ракетное топливо, получили более широкое распространение после успешного испытания Lightsail, демонстратора технологии солнечных парусов Планетарного общества. Однако существуют и другие технологии, не использующие ракетное топливо, такие как тросы или магнитный парус, который вращается вокруг Солнечной системы с помощью магнитных полей.
В то же время многие из этих систем остаются на стадии разработки концепции; их способность обеспечивать потенциально неограниченную тягу привлекает разработчиков CubeSat, которые рассчитывают на более долгосрочные миссии. Однако они опять же ограничены разработкой материалов и размерами, поскольку для многих из них требуются большие конструкции, а вместить их в рамки CubeSat непросто.
С учетом того, что в мире продолжается разработка спутников CubeSats, в будущем, несомненно, будет обсуждаться больше идей. Поскольку затраты на запуск снижаются, все больше отраслей промышленности и неправительственных организаций будут заинтересованы в том, как платформа может им помочь. Но независимо от того, где в конечном итоге будут использоваться спутники CubeSat, им придется полагаться на свои двигательные установки, чтобы добраться туда.
