Łukasz Mężyk

Improvement of the satellite thruster performances using supercapacitors power supply system

Abstract:

Jednym z najważniejszych systemów w wielu misjach satelitarnych jest system precyzyjnej orientacji i pozycjonowania satelity na orbicie. Pośród innych cech, prostota takiego systemu stała się jedną z najważniejszych, gdyż jest bezpośrednio powiązana z redukcją masy, niezawodnością oraz kosztami produkcji. Równie ważną cechą jest efektywność, która pozwala na ograniczenie zużycia materiału pędnego, co przekłada się bezpośrednio na dodatkowy budżet masowy dla rozszerzenia wyposażenia lub przedłużenie żywotności satelity. Najprostsze systemy orientacji oparte są na silnikach typu cold gas, działających na zasadzie rozprężania przez dyszę gazu bezpośrednio dostarczonego z układu zasilania - bez uprzedniego jego podgrzania. Ich prosta zasada działania oraz nieskomplikowana budowa pozwalają osiągać wysoka niezawodność a jednocześnie koszty produkcji pozostają relatywnie małe. Niestety, silniki tego typu nie osiągają zbyt wysokich parametrów. W celu ich podniesienia, a w szczególności impulsu właściwego, stosuje się w zastępstwie systemy orientacji oparte na technologii silników elektrotermicznych typu resistojet. W tym typie silników gaz podgrzewany jest w komorze grzejnej przy użyciu energii elektrycznej za pośrednictwem oporowo grzanego elementu. Pozwala to na podwyższenie impulsu właściwego, a co za tym idzie, ograniczenie wymaganej ilości materiału pędnego. Kluczowe zadania projektowe w przypadku napędów typu resistojet to znalezienie optymalnego elementu grzejnego, odpowiednia organizacja przepływu wokół niego oraz wydajne źródła zasilania w energię elektryczną.
Resistojet jest silnikiem znanym od początku istnienia technologii satelitarnych a jednak jego parametry wciąż są limitowane przez techniczne możliwości takie jak: ograniczenia materiałowe, wymiana ciepła, straty cieplne, wysokie zużycie energii i wiele innych. W pracy opisano badania oraz proces rozwoju nowego typu silnika resistojet, w którym główną innowacją jest dedykowany system zasilania w energię elektryczną oparty na technologii superkondensatorów. Takie rozwiązanie pozwala na uzyskanie wysokich chwilowych mocy przy niskim, średnim obciążeniu systemu zasilania satelity. Dzięki lekkiej konstrukcji elementu grzejnego, zastosowaniu przepływu zwrotnego w silniku oraz pracy impulsowej, silnik nie potrzebuje również ciężkiej izolacji zewnętrznej.
W pracy zaprezentowano proces rozwoju kolejnych modeli silnika wliczając w to wczesne jego wersje oparte na różnych rozwiązaniach technicznych, a także koncepcje który nie wyszły poza fazę projektową. Do każdej z nich przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań. Opisano model matematyczny oraz nowe narzędzie symulacyjne – program ResistojetSC. Zaprezentowano także budowę oraz osiągi układu zasilania w energię elektryczną opartego na technologii superkondensatorów.

 
Praca ta powstała podczas trwania projektu “Gas Resistojet Thruster for Medium Size Satellite Attitude Control” wspieranego przez Europejską Agencję Kosmiczną w ramach porozumienia PECS.