NASA har utvecklat en avancerad framdrivningsteknik för att underlätta framtida planetariska utforskningsuppdrag med hjälp av små rymdfarkoster. Inte bara kommer den här tekniken att möjliggöra nya typer av planetariska vetenskapsuppdrag, en av NASA:s kommersiella partners förbereder sig redan för att använda den för ett annat syfte – att förlänga livslängden för rymdfarkoster som redan är i omloppsbana.
Att identifiera möjligheten för industrin att använda den här nya tekniken främjar inte bara NASA:s mål om teknologi kommersialisering, det kan potentiellt skapa en väg för NASA att förvärva denna viktiga teknik från industrin för användning i framtida planetariska uppdrag.
Planetariska vetenskapsuppdrag som använder små rymdfarkoster kommer att krävas för att utföra utmanande framdrivningsmanövrar – som att uppnå planetära flykthastigheter, orbit capture och mer – som kräver en hastighetsändringsförmåga (delta-v) långt över typiska kommersiella behov och det nuvarande tillståndet -konsten. Därför är den främsta tekniken för dessa små rymdfarkostuppdrag ett elektriskt framdrivningssystem som kan utföra dessa högdelta-v-manövrar.
Framdrivningssystemet måste arbeta med låg effekt (subkilowatt) och ha hög genomströmning av drivmedel (d.v.s. förmågan att använda en hög total massa av drivmedel under sin livstid) för att möjliggöra den impuls som krävs för att utföra dessa manövrar.
Efter många års forskning och utveckling har forskare vid NASA Glenn Research Center (GRC) skapat ett litet elektriskt framdrivningssystem för rymdfarkoster för att möta dessa behov - NASA-H71M underkilowatt Hall-effekt-propellern. Dessutom kommer den framgångsrika kommersialiseringen av denna nya thruster snart att tillhandahålla åtminstone en sådan lösning för att möjliggöra nästa generations vetenskapsuppdrag för små rymdfarkoster som kräver upp till fantastiska 8 km/s delta-v.
Denna tekniska bedrift åstadkoms genom miniatyrisering av många avancerade högeffektsteknologier för elektrisk framdrivning av solenergi som utvecklats under det senaste decenniet för applikationer som Power and Propulsion Element of Gateway, mänsklighetens första rymdstation runt månen.
Små rymdfarkoster som använder NASA-H71Ms elektriska framdrivningsteknik kommer att kunna manövrera oberoende från låg omloppsbana (LEO) till månen eller till och med från en geosynkron överföringsbana (GTO) till Mars.
Denna förmåga är särskilt anmärkningsvärd eftersom kommersiella uppskjutningsmöjligheter för LEO och GTO har blivit rutin, och överskottsuppskjutningskapaciteten för sådana uppdrag säljs ofta till låg kostnad för att distribuera sekundära rymdfarkoster. Möjligheten att utföra uppdrag som kommer från dessa omloppsbanor nära jorden kan avsevärt öka kadensen och sänka kostnaderna för mån- och Mars-vetenskapsuppdrag.
Denna framdrivningsförmåga kommer också att öka räckvidden för sekundära rymdfarkoster, som historiskt sett har varit begränsade till vetenskapliga mål som ligger i linje med det primära uppdragets uppskjutningsbana. Denna nya teknik kommer att göra det möjligt för sekundära uppdrag att väsentligt avvika från det primära uppdragets bana, vilket kommer att underlätta utforskning av ett bredare spektrum av vetenskapliga mål.
Dessutom skulle dessa sekundära vetenskapsuppdrag för rymdfarkoster vanligtvis bara ha en kort tidsperiod för att samla in data under en höghastighetsflygning av en avlägsen kropp. Denna större framdrivningsförmåga kommer att tillåta retardation och orbital insättning vid planetoider för långsiktiga vetenskapliga studier.
Dessutom kommer små rymdfarkoster utrustade med en sådan betydande framdrivningsförmåga att vara bättre rustade för att hantera förändringar i senare skede av det primära uppdragets uppskjutningsbana. Sådana förändringar är ofta en stor risk för vetenskapsuppdrag för små rymdfarkoster med begränsad framdrivningsförmåga ombord som är beroende av den initiala uppskjutningsbanan för att nå sitt vetenskapsmål.
Megakonstellationerna av små rymdfarkoster som nu bildas i låga omloppsbanor har gjort Hall-effekt-propeller med låg effekt till det vanligaste elektriska framdrivningssystemet som används i rymden idag. Dessa system använder drivmedel mycket effektivt, vilket möjliggör införande av omloppsbana, avomloppsbana och många års kollisionsundvikande och omfasning.
Den kostnadsmedvetna utformningen av dessa kommersiella elektriska framdrivningssystem har dock oundvikligen begränsat deras livslängdskapacitet till vanligtvis mindre än några tusen timmars drift och dessa system kan bara bearbeta cirka 10 % eller mindre av en liten rymdfarkosts initiala massa i drivmedel.
Däremot skulle planetariska vetenskapsuppdrag som drar nytta av NASA-H71M:s elektriska framdrivningssystemsteknologi kunna arbeta i 15 000 timmar och bearbeta mer än 30 % av den lilla rymdfarkostens initiala massa i drivmedel.
Denna spelförändrande förmåga är långt bortom behoven för de flesta kommersiella LEO-uppdrag och kommer till en kostnadspremie som gör kommersialisering för sådana applikationer osannolik. Därför sökte NASA och fortsätter att söka partnerskap med företag som utvecklar innovativa kommersiella koncept för små rymdfarkoster med ovanligt stora krav på genomströmning av drivmedel.
En partner som snart kommer att använda NASA:s licensierade elektriska framdrivningsteknik i en kommersiell applikation för små rymdfarkoster är SpaceLogistics, ett helägt dotterbolag till Northrop Grumman. Mission Extension Pod (MEP) satellitservicefordon är utrustad med ett par Northrop Grumman NGHT-1X Hall-effekt thrusters, vars design är baserad på NASA-H71M.
Den lilla rymdfarkostens stora framdrivningsförmåga gör att den kan nå geosynkron jordomloppsbana (GEO) där den kommer att monteras på en mycket större satellit. När det väl har installerats kommer MEP att fungera som ett "framdrivningsjetpaket" för att förlänga livslängden för dess värdrymdfarkost i minst sex år.
Northrop Grumman genomför för närvarande ett långtidsförslitningstest (LDWT) av NGHT-1X i GRC:s vakuumanläggning 11 för att demonstrera dess operativa kapacitet under hela livslängden. LDWT finansieras av Northrop Grumman genom ett fullt återbetalningsbart Space Act Agreement. De första MEP-rymdfarkosterna förväntas lanseras 2025, där de kommer att förlänga livslängden för tre GEO-kommunikationssatelliter.
Att samarbeta med amerikansk industri för att hitta små rymdfarkostapplikationer med framdrivande krav som liknar framtida NASA planetariska vetenskapsuppdrag stöder inte bara amerikansk industri i att förbli en global ledare inom kommersiella rymdsystem utan skapar nya kommersiella möjligheter för NASA att förvärva dessa viktiga teknologier eftersom planetuppdrag kräver dem .
NASA fortsätter att mogna H71M elektriska framdrivningstekniker för att utöka utbudet av data och dokumentation som är tillgänglig för amerikansk industri i syfte att utveckla liknande avancerade och mycket kapabla elektriska framdrivningsenheter med låg effekt.
Tillhandahålls av NASA
