ThermaSat全新設計通過蒸汽噴射推動CubeSats

據外媒報道,Howe Industries向美國國家科學基金會(NSF)提交了一份用於推進CubeSats的太陽能蒸汽火箭發動機的設計方案。由於只有兩個運動部件,ThermaSat發動機使用一個熱冷凝器將蒸餾水迅速沸騰至超熱蒸汽。

ThermaSat全新設計通過蒸汽噴射推動CubeSats

CubeSats由每邊4英寸(10厘米)的標准立方體單元組成,它擁有通過擁一系列小型、簡單、可快速、廉價部署的航天器取代大型、復雜的航天器來徹底改變衛星運行方式的潛在可能性。

然而它們的小尺寸也意味着在設計上需要權衡。更大的衛星可以攜帶數年甚至數十年的推進劑以保持在空間站上或根據需要改變軌道,但CubeSats沒有足夠的空間留給推進器,更不用說運行它們的推進劑和動力系統了。更糟糕的是,CubeSats通常跟火箭的主要有效載荷一起進入軌道,這意味着它們必須避免易燃、易爆、加壓或有毒的推進器燃料。

這是不幸的,因為大多數CubeSats都部署在近地軌道上,這意味着如果沒有推進器它們的軌道就會迅速衰減並在大氣層中燒毀。這限制了微型宇宙飛船的用途,盡管CubeSats通常被設計成建造和發射都很便宜,但實際上成本仍在增加。

為了解決這個問題,Howe Industries正在開發ThermaSat–一個可以安裝在CubeSats其中一面的單獨模塊。其原理非常簡單:水被加熱到變成蒸汽然而由此產生推力,這在公元一世紀就已經被亞歷山大英雄證明了。

ThermaSat全新設計通過蒸汽噴射推動CubeSats

這項技術實施難點是在沒有鍋爐、沒有內部電源或大型太陽反射器來提供熱量的情況下產生蒸汽。相反,ThermaSat會用比反射器更少的表面積集中陽光並通過一個相當聰明的熱電容儲存熱量。

ThermaSat項目的研發工程師Jack Miller指出:「該系統的核心是由相變材料製成的獨特熱電容,它可以集中和存儲暴露表面20平方英寸(129平方厘米)的太陽熱量。通過使用光子晶體和金色鏡子的組合,完全惰性電容達到1052 K(779°C)的氣泡工作溫度,由此帶來的特定能量跟鋰離子電池相當,但它並沒有爆炸的可能性。而安裝在側面的太陽能電池板用於機電設備、備用加熱和有效載荷的電力儲備。」

據Howe Industries介紹,ThermaSat重5.4磅(2.4千克),這其中包含一個標準的推進劑負載–2.2磅(1千克)的蒸餾水,並由兩顆0.07平方英尺(2000立方厘米)CubeSats單元(2U)組成,但它也可以採用一個–或四個單元配置。這些推進器可以為多達16顆CubeSat單元的宇宙飛船提供動力。當水變成蒸汽時,它會產生1.02牛的推力和203秒的比沖量。這足以讓一顆CubeSat在近地軌道上運行五年以上或在極近地軌道上運行幾個月而不是幾周。

此外,ThermaSat還為CubeSat、提供了改變軌道的能力,並且可以非常隱蔽地改變軌道,這是因為水蒸氣是無法檢測到的。這意味着航天器可以編隊隊形、根據指令脫離軌道以及避免跟其他衛星相撞。

作為第一階段小企業創新研究(SBIR)撥款的一部分,Howe Industries已經為NHS開發出了這種設計,現在它希望在軌道測試飛行之前能在第二階段撥款下建造出原型機。

來源:cnBeta