Näytetään tekstit, joissa on tunniste heliogyro. Näytä kaikki tekstit
Näytetään tekstit, joissa on tunniste heliogyro. Näytä kaikki tekstit

sunnuntai 8. huhtikuuta 2012

Irti rakettiyhtälöstä ajoaineettomilla propulsiomenetelmillä

Rakettiyhtälöstä on avaruustoiminnassa iso haitta. Katsaus ajoaineettomiin menetelmiin on siis paikallaan. Avaruuskelpoinen tyhjiöpumppu ja muuta jännää on luvassa.

Fotonipurje

Aurinkopurje on laaja ja ohut heijastava kalvo, joka pysyy auki keskipakoisvoiman tai pitkien tankojen avulla. Jos halutaan hyvä suorituskyky, kalvon pitäisi olla varsin ohut. Fotonipurje toimii kaikkialla missä aurinko paistaa, mutta työntövoima vähenee auringosta mitatun etäisyyden neliössä. Alle noin 700 km korkeudella ilmanvastus voittaa säteilypaineen, joten fotonipurje on nostettava korkeammalle aloitusradalle.
Oma näkemykseni on että pyörivät heliogyro-tyyppiset purjeet olisivat levypurjeita kiinnostavampia, koska niissä kalvoja ei tarvitse taitella vaan ainoastaan rullata, koska niiden työntövoiman suuntaa ja suuruutta voidaan säätää monipuolisemmin ja koska purjekalvot saadaan kauemmas pääaluksesta niin että ne eivät häiritse radioliikennettä ja tiedeinstrumentteja.

Sähköpurje

Sähköpurje koostuu ohuista varatuista metallilangoista, jotka poikkeuttavat aurinkotuulen protoneja suunnastaan ja siten saavat niiltä liikemäärää. Sähköpurje toimii kaikkialla minne aurinkotuuli puhaltaa, eli kaikkialla aurinkokunnassa paitsi Maan ja jättiläisplaneettojen magnetosfäärien sisällä. Työntövoima vähenee kääntäen verrannollisena auringosta mitattuun etäisyyteen eli hitaammin kuin fotonipurjeella. Työntövoiman suuntaa voidaan säätää hieman rajoitetummin kuin fotonipurjeessa, mutta toisaalta sen suuruutta voidaan säätää rajattomasti nollan ja maksimiarvon välillä. Arvioiden mukaan sähköpurjeen työntövoima suhteessa laitteen painoon on huomattavan suuri. Työntövoimaa ei tosin pystytä arvioimaan kovin tarkasti teoreettista tietä ja työntövoimamittausta aurinkotuulessa ei ole vielä tehty.

Sähködynaaminen lieka

Sähködynaamisella liealla voi nostaa tai laskea LEO-satelliitin rataa. Jos rataa nostetaan, laite kuluttaa sähkötehoa, jos sitä lasketaan, se toimii generaattorina. Jos lieka on painovoimastabiloitu eli roikkuu satelliitista kohti maata tai maasta poispäin, laite toimii kuvatulla tavalla vain päiväntasaajaradalla, koska muilla radoilla liekaan kohdistuva magneettinen voima muuttaa myös radan inklinaatiota. Jos lieat pyörivät kuten sähköpurjeessa, sitä voi käyttää monipuolisemmin myös muilla kiertoradoilla.
Peikkona sähködynaamisessa lieassa on että jos lieka katkeaa, irronneesta pätkästä tulee ikävä avaruusromu, joka tosin putoaa alas tyypillisiä satelliitteja nopeammin. Mitä matalampi ratakorkeus, sitä pienempi ongelma tämä on.
Sähköstaattinen lieka eli plasmajarru on niin ohut että se ei uhkaa muita satelliitteja. Menetelmä sopii pieniin satelliitteihin ja nimensä mukaisesti sillä voi vain jarruttaa, ei kohottaa rata. Plasmajarrun käyttämä fysikaalinen periaate on läheistä sukua sähköpurjeelle.

Asteroidivesi

Hiiliasteroidit sisältävät vesijäätä, jota on periaatteessa suoraviivaista louhia lämmittämällä. Vettä voitaisiin kuljettaa maan kiertoradalle sähköpurjeilla. Jos vesipitoinen asteroidi on riittävän lähellä Maata, rakettityypisetkin propulsiomenetelmät saattaisivat olla riittävän taloudellisia. Maan kiertoradalla vettä voidaan tankata elektrolyysipropulsioalukseen, joka sitten pystyy siirtelemään satelliitteja radalta toiselle. MEO- ja GEO-radat ovat valitettavasti välialuetta, joka on elektrodynaamiselle liealle liian korkea ja sähköpurjeelle liian matala. Ajoaineettomista menetelmistä siellä toimii vain fotonipurje, joka on kuitenkin varsin hidas eikä toimi ilmanvastuksen takia matalimmilla radoilla. Elektrolyysiraketit olisivat satelliittien siirtelyyn sangen hyödyllisiä, kunhan halpaa asteroidivettä olisi saatavissa kiertoradalla. Siirto niillä kestäisi tyypillisesti muutaman kuukauden, mikä on nopeampi kuin ionimoottorilla vaikkakin hitaampi kuin hydratsiinilla.

Ilmakehän ionimoottori

ESA:n GOCE-painovoimasatelliitti lentää matalalla ja ylläpitää ratakorkeuttaan ionimoottorilla. Ei tarvitsisi muuta kuin varustaa satelliitin keula muotoillulla aukolla ja tyhjiöpumpulla, niin se voisi imeä tarvitsemansa ajoaineen ilmakehästä. Konseptia on mietitty ESA:ssa. Hall-moottorin sisus on boorinitridiä, joten typen pitäisi kelvata ajoaineeksi ilman korroosio-ongelmaa. Hapen erottamiseen typestä on useita keinoja, tai ehkä ionimoottori sietää happeakin. Koska ionimoottorin suihkun nopeus on tyypillisesti 30 km/s, satelliitti tarvitsee vain osan keräämästään kaasusta radan ylläpitoon. Ylijäämä voidaan säilöä tankkiin joka mahdollistaa nousun ylemmälle radalla. Matalalla radalla satelliittiin kohdistuu merkittävä aerodynaaminen voima, joten satelliitti voi muuttaa myös inklinaatiotaan. Saadaan siis alus joka pystyy muuttamaan kiertorataansa rajattomasti, kunhan muistaa käydä välillä lentämässä matalalla radalla tankkaamassa. Sivutuotteena saadaan happea, jota voi käyttää kemiallisessa raketissa jos on tarpeen tehdä nopeampi manööveri. Poltettava aine joudutaan tosin silloin tuomaan muualta, todennäköisesti maasta.
Kuulostaa liian hyvältä ollakseen totta, joten jossain on varmaankin tekninen pullonkaula. Ehkä riittävän monta kuutiometriä sekunnissa siirtävä tyhjiöpumppu painaa liikaa.

Pekka Janhunen

tiistai 28. syyskuuta 2010

Ikaroksen omakuva

Sähköpurjekolumni 28.9.2010

EPSC:n kokous onnistui sähköpurjeen osalta hyvin, saimme paljon positiivista huomiota. Sähköpurjeistunnossa oli noin kymmenen esitelmää ja sitä seurasi reilut neljäkymmentä tutkijaa. Söimme illallista japanilaisen IKAROS-tiimin kanssa. Heidän 14-metrinen valopurjeensa toimii kuulemma muuten hyvin paitsi että sen pyöriminen pyrkii kiihtymään kalvossa olevien ryppyjen takia. He joutuvat hillitsemään pyörimistä kylmäkaasumoottoreilla. Heidän tavoitteensa on lennättää isompaa purjetta myöhemmin tutkimaan Jupiterin troijalaisia asteroideja. Isompi alus tulee olemaan aurinkopurjeen ja ionimoottorin hybridi. Ionimoottorin sähkö luodaan ohutkalvoaurinkopaneeleilla, joilla osa aurinkopurjekalvosta on päällystetty. Ohutkalvoja testataan myös aurinkovoimasatelliitteja varten. Valopurjetta käännellään nestekidetummentimilla. Ehdotin pyörimisongelman ratkaisemiseksi nurkkiin sijoitettavia heliogyroja (samanlaisia joita sähköpurjekin voisi käyttää).

Japanilaiset olivat myös saaneet näyttäviä kuvia avatusta valopurjeestaan. Kuvat otti pieni kuutiosatelliitin kokoinen kertakäyttöinen apualus. Kuvissa purje näyttää vähän huolimattomasti silitetyltä metalliselta karkkipaperilta.
Ikaroksen omakuva. Lähde: Jaxa

Ei ehkä uskoisi, mutta avaruustekniikka etenee tällä hetkellä ennennäkemätöntä vauhtia. Kehitystä vievät eteenpäin erityisesti halvat ja nopeasti lentoon saatavat kuutiosatelliitit. Esimerkiksi kunnollinen asennonsäätö on kuutiosatelliiteissa jo arkipäivää. Lähitulevaisuudessa häämöttävät pienet ionimoottorit, joiden avulla kuutiosatelliitit saadaan mille tahansa kiertoradalle. Lisäämällä kuutioon pienet tarttumaraajat siitä saataisiin vaikka yleiskäyttöinen avaruusrobotti, eräänlainen köyhän miehen astronautti. Pienet, halvat ja etäohjatut robotit voisivat korjata ja rakentaa avaruudessa ja niillä voisi harjoitella asteroidien kaivostoimintaa avaruusromua tonkimalla. Pian tulemme näkemään ensimmäiset kuutiosatelliitteihin perustuvat harrastajien rakentamat avaruuskaukoputket ja saamme muitakin kokostandardeja kuin 10 cm laatikot. Piensatelliittien parvet eivät aiheuta avaruusromuongelmaa, sillä tehtävän päätyttyä ne tuodaan alas ionimoottorilla tai plasmajarrulla.

Nyt avaruudessa lentää vielä paljon 1970-luvun tekniikkaa. Muutos on suuri kun standardoinnin ansiosta kehitys harppaa vuosikymmenten yli ja päivittyy 2010-luvulle. Kiertoradalle nousemisessa ei kuitenkaan ole paljon edistytty. Tätä avaruustekniikan perusongelmaa uusi tekniikka kiertää keventämällä hyötykuormia ja myöhemmin hyödyntämällä asteroidien resursseja sähköpurjeilla.

Pekka Janhunen

torstai 10. kesäkuuta 2010

Tarvittavia tekniikoita

Sähköpurjekolumni 10.6.2010

Sähköpurjeen EU-hakemuksen neuvottelut ovat käynnissä ja projekti alkanee joskus syksyllä. Projektin tavoitteena on rakentaa prototyypit sähköpurjeen avainkomponenteista ja siinä on mukana 5 Euroopan maata ja 9 partneria. Avainkomponentteja ovat itse lieka (tavoitteena tuottaa vähintään 1 km), liekarulla kelautuvuustesteineen ja ns. etäyksikkö jollainen sijoitetaan jokaisen liean kärkeen. Liekojen kärjet yhdistetään toisiinsa muovisilla apulieoilla, mikä stabiloi rakenteen mekaanisesti niin että sähköpurjeen lennon aikana liekarullia ei tarvitse kelailla edestakaisin liekojen pituuksien hienosäätämiseksi vaan selvitään ilman liikkuvia osia. Kukin etäyksikkö sisältää rullan josta siihen kuuluva apulieka avataan sekä pienen moottorin. Näiden moottorien avulla käynnistetään liekasysteemin pyöriminen avaamisen yhteydessä ja niiden avulla voidaan myös hidastaa tai nopeuttaa liekojen pyörimistä myöhemmin, mikäli tarve vaatii. Moottori voi olla joko kylmäkaasumoottori (pieni paineistettu kaasusäiliö jonka vieressä on venttiili ja suutin) tai ns. FEEP-ionimoottori. Sekä kylmäkaasu- että FEEP-moottorien prototyypit rakennetaan tässä EU-projektissa. Näillä moottoreilla voi olla käyttöä muuallakin kuin sähköpurjeessa, esimerkiksi satelliitin asennonsäätömoottorina tai piensatelliitin päämoottorina.

FEEP periaatekuva. Lähde: Alta


Liekojen päihin tulevat, 0.3-0.5 kg painavat etäyksiköt ovat vähän kuin nanosatelliitteja itsekin, tosin toiminnoiltaan riisuttuja.

Sähköpurjeen suunnittelijan pitää tavalla tai toisella estää pyörivien liekojen osuminen toisiinsa, vaikka aurinkotuuli vaihtelee ja tönii liekoja hieman eri tavalla. Liekojen kärkiä yhdistävät ja keskipakoisvoiman kaarelle painavat apulieat ovat yksi mahdollinen ratkaisu. Toinen mahdollisuus saattaisi olla asentaa kuhunkin etäyksikköön pieni, käännettävä aurinkopurje (valopurje). Valopurjeliuskan lapakulmaa säätämällä jokaista liekaa voitaisiin "lentää" niin että se pyörii halutulla nopeudella eikä törmää naapureihinsa. Vastaavalla periaatteella toimivia, heliogyroiksi kutsuttuja valopurjeita on tutkittu laskennallisesti, mutta ei lennätetty.

Heliogyron havainnepiirros. Lähde: NASA 1967
Erilaisten toimintahäiriöiden simulointi tulee olemaan välttämätöntä ja mielenkiintoista. Tavoite on että sähköpurje voisi toipua yksittäisen etäyksikön hajoamisesta tai liean katkeamisesta.

Pekka Janhunen