في عام 1999 ، فنيون من جامعة ولاية كاليفورنيا بوليتكنيك (كال بولي) و جامعة ستانفورد تطوير مواصفات تقنية CubeSat. في وقت قصير للغاية ، كانت المؤسسات الأكاديمية تطلق CubeSats لإجراء جميع أنواع البحث العلمي والتحقق من صحة تقنيات الأقمار الصناعية الجديدة. منذ عام 2013 ، تم تنفيذ غالبية عمليات الإطلاق من قبل كيانات تجارية وخاصة بدلاً من الأوساط الأكاديمية.
لسوء الحظ ، تم إعاقة CubeSats حتى الآن بسبب نقص تقنية الدفع الجيدة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك مخاوف من أنه مع انتشار الأقمار الصناعية الصغيرة ، فإن المدار الأرضي المنخفض (LEO) سيصبح مكتظًا. شكرا ل هاو للصناعات وتصميم محرك غير مسبوق (يُعرف باسم ثيرماسات ) التي تستخدم البخار لتوليد الدفع ، كل ذلك قد يتغير قريبًا جدًا.
من بين 2700 CubeSats المقدرة وغيرها من 'الأقمار الصناعية النانوية' التي تم إنشاؤها حتى الآن ، كان لدى أقل من 10 ٪ وسائل الدفع الخاصة بهم. هذا يتركهم تحت رحمة الجاذبية والسحب الجوي ، مما قد يتسبب في إفسادهم بينما لا يزالون يعملون. بالإضافة إلى ذلك ، فهم غير قادرين على المناورة وتعديل مدارهم والابتعاد عن طريق الأقمار الصناعية الأخرى والحطام الفضائي.
كائنات قابلة للتتبع في مدار أرضي منخفض. الائتمان: ESA
أوضح الدكتور تروي هاو (دكتوراه) ، الرئيس التنفيذي لشركة Howe Industries ، في أ بيان صحفي للشركة ، مشكلة خيارات الدفع الحالية ذات شقين:
من ناحية أخرى ، تتطلب هذه الأنظمة طاقة كبيرة للتشغيل ، مما يؤدي إلى سحب الطاقة من الحمولة الأولية. ثم هناك أنظمة الدفع الأكثر 'نشاطًا' (عادةً ما يتم تقليصها من الاستخدام على الأقمار الصناعية الأكبر حجمًا). هذه تعتمد على السوائل السامة عالية الضغط أو حتى المتفجرة ، مثل الهيدرازين.
'هذا يمثل مشكلة لأن معظم CubeSats تشترك في رحلة إلى المدار ويتخوف مقدمو الإطلاق من تعريض حمولتهم الأخرى ، والتي غالبًا ما تكون أكثر قيمة ، للخطر. في حين أن النشر من محطة الفضاء الدولية (وهو أمر شائع بالنسبة لـ CubeSats) يمنع أي دفع للأقمار الصناعية والذي قد يشكل أيضًا خطرًا على المحطة والموظفين '.
يتغلب المحرك البخاري ThermaSat على هذه العقبات بفضل تقنية التوصيل والتشغيل الخاصة به. في حين أن المادة الدافعة عبارة عن ماء عادي ، يختلف ThermaSat عن المحركات البخارية التقليدية من خلال الاعتماد على الطاقة الشمسية. يتم توفير ذلك من خلال سطح بصري مكشوف على مكثف الوحدة (بدلاً من العاكسات الضخمة والبارزة) التي تحول الماء إلى بخار شديد الحرارة قبل إطلاقه من الفوهة الخلفية.
انطباع الفنان عن مشكلة الحطام المداري. الائتمان: UC3M
يتميز المحرك أيضًا بكونه مضغوطًا وخفيف الوزن ويتكون من جزأين متحركين فقط. ومع ذلك ، يمكن أن تنتج 1800 نيوتن ثانية من النبضة الكلية (أو 203 رطل / ثانية من النبضة المحددة) باستخدام 1 كجم فقط (2.2 رطل) من الوقود الدافع (حوالي حجم إبريق الشاي 4 أكواب). هذا يكفي للحفاظ على CubeSat على ارتفاع 375 كم (233 ميل) لأكثر من خمس سنوات وعلى ارتفاعات منخفضة تصل إلى 250 كم (155 ميل) لعدة أشهر.
بدون الدفع ، سيتحلل مدار CubeSat على هذا الارتفاع في غضون أسابيع. من خلال القدرة على الحفاظ على مثل هذه المدارات على مدى فترات زمنية أطول ، يمكن للأقمار الصناعية الصغيرة أن توفر استشعارًا عن بعد عالي الدقة وتقليل زمن انتقال الاتصالات ، وهو ما يمكن أن يكون مفيدًا في حالة حدوث كارثة طبيعية أو أزمة. يمكن لقمر صناعي مزود بـ ThermaSat أن يغير مداره لإلقاء نظرة أفضل على الوضع الجاري.
تبحث الفرق الهندسية في Howe حاليًا في تحسين قدرة محركها بحيث يمكنها تمكين فترات إقامة طويلة في مدارات أقل - مثل مدة أسبوع على ارتفاع 150 كم (90 ميل). حسبما إلى جاك ميلر ، مهندس البحث والتطوير لبرنامج ThermaSat:
'قلب النظام هو المكثف الحراري الفريد ، المصنوع من مواد متغيرة الطور ، والتي تركز وتخزن الحرارة الشمسية المجمعة من 20 بوصة مربعة فقط من مساحة السطح المكشوفة. باستخدام مزيج من البلورات الضوئية والمرايا ذات اللون الذهبي ، يصل المكثف الخامل تمامًا إلى درجة حرارة تشغيل تصل إلى 1052 كلفن (1433 فهرنهايت). ينتج عن هذا طاقة معينة يمكن مقارنتها ببطارية ليثيوم أيون ، ولكن من دون احتمال حدوث انفجار '.
مفهوم العربة الجوالة HI-POWER. الائتمان: Troy Howe / Howe Industries
بحسب هاو إندستريز ورق ابيض ، يتمتع النظام بوزن جاف يبلغ 1445 جم (3.2 أرطال) و 2445 جم (5.4 رطل) عند التزويد بالوقود بالكامل. إنه قادر على دعم التكوين القياسي (2U) CubeSats ولكن يمكن أيضًا إقرانه بحمولات 1U و 4U و 16U. يمكن أن تولد ما يصل إلى 200 م / ث (656 قدم / ث) من التسارع (دلتا- V) وتتطلب 2.3 - 4.6 وات من الطاقة الكهربائية (التي توفرها الألواح الشمسية).
بالإضافة إلى الاحتفاظ بالمحطة ، يمكن استخدام ThermaSat لرفع المدارات ، ومهام تحديد الموقع الجغرافي (التي تتطلب الطيران التشكيلي) وكذلك لإنزال المدار المجدول وتجنب الاصطدام (من المحتمل أن يصبح ذلك من المتطلبات). يمكن للنظام أيضًا تمكين النشر السريع للكوكبة (دون الاعتماد على السحب المتغير).
نظرًا لأنه لا يتطلب طاقة من القمر الصناعي ، يمكن استخدام ThermaSat لترقية الأقمار الصناعية الأكبر بوحدة دفع إضافية. ولكن وفقًا لـ Howe Industries ، فإن أعظم أصول محركها 'steampunk' هو الطريقة التي يمكن بها تمكين 'فئة جديدة من الأقمار الصناعية الذكية المستقلة القادرة على نقل البيانات وحتى' الحشد 'معًا للقيام بمهام محددة'.
قامت Howe Industries بتطوير ThermaSat بدعم من شركة مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) كجزء من المرحلة الأولى بحوث ابتكار الأعمال الصغيرة (SBIR) منحة. مع تسليم التصميم الآن إلى NSF ، يعتزم Howe متابعة منحة المرحلة الثانية SBIR ، والتي ستستلزم إنشاء نموذج أولي وإعداده لرحلة تجريبية في الفضاء.
صممت Howe Industries أيضًا عددًا من التطبيقات لوكالة ناسا ، بما في ذلك يعمل بلتيير ذو الإشعاع العالي على عاكس التنغستن الخارجي (HI-POWER) و مسبار السرب تمكين مفاعل ATEG (سبير) مسبار. يعتبر مفهوم HI-POWER مفهومًا للرادياتير ذي الحالة الصلبة خفيف الوزن للمركبات الجوالة التي يمكن أن تضمن الإدارة الحرارية بدون الكتلة أو الكتلة المضافة التي تأتي عادةً مع مثل هذه الأنظمة.
وفي الوقت نفسه ، يدعو مفهوم المسبار SPEAR إلى مركبة فضائية تعمل بالدفع النووي تعتمد على مولدات كهروحرارية متقدمة (ATEGs) ومفاعل خفيف الوزن لتقليل الكتلة. والنتيجة النهائية لذلك هي مركبة فضائية خفيفة الوزن يمكن أن تسمح بمهام طويلة الأمد وفعالة من حيث التكلفة إلى الفضاء السحيق - مثل المريخ وحزام الكويكبات والمشتري وما بعده.
في وقت سابق من هذا العام ، تم اختيار مفهوم HI-POWER لتمويل المرحلة الأولى كجزء من مفاهيم ناسا المبتكرة المتقدمة (NIAC) التماس 2020 . وبالمثل ، تم اختيار مسبار SPEAR لتمويل المرحلة الأولى من قبل 2019 نياك وتم اختياره للمرحلة الثانية من التطوير بحلول عام 2020 NIAC.
لمزيد من المعلومات ، تحقق من Howe Industries ورق ابيض و ThermaSat ورقة المواصفات .
قراءة متعمقة: الفضاء يوميا و هاو للصناعات