Lennokkikerholla aurinkokuntaan?
Sähköpurjekolumni 24.1.2017
Avaruustoiminta on kallista koska propulsio maksaa. Esimerkiksi hydratsiinin käsittelyn vaatiman infrastruktuurin ylläpito maksaa organisaatiolle noin 2 miljoonaa vuodessa. Kiinteä moottori on yksinkertainen, mutta ennen pääsyä kantoraketin kyytiin se on todistettava turvalliseksi monin kokein ja analyysein. Sähkörakettimoottorissa puolestaan hintaa nostavat kehitystyössä tarvitut pitkät kokeet isoissa tyhjiökammioissa sekä ajoaine ksenonin korkea hinta. Lisäksi jos sähköraketilla noustaan LEO:ta korkeammalle radalle, hyötykuorma joutuu viettämään pitkähkön ajan säteilyvyöhykkeissä, mikä lisää elektroniikan kustannuksia tai säteilysuojamassaa.
Sähköpurje voi ratkaista propulsiokysymykset aurinkokuntalennoissa, mutta ensin aluksen on päästävä magnetosfäärin ulkopuolelle aurinkotuuleen.
Tietenkin avaruustoiminta halpenee myös jos kantorakettipropulsio halpenee. Pienten alusten pulmana on kuitenkin myös pienten kantorakettien puuttuminen markkinoilta. Pieniä aluksia tarvitaan jotta uudet pienet toimijat pääsevät markkinoille uusilla teknologioillaan.
Hybridiraketti on yksi tapa ratkaista näitä ongelmia. Hybridimoottorin polttoaine on vaaratonta, esimerkiksi muovia tai parafiinivahaa. Hapettimena voi olla esimerkiksi nestehappi tai typpitetroksidi. Typpitetroksidi on myrkyllistä mutta ei kuitenkaan karsinogeenistä, ja typpitetroksiditankki ei voi räjähtää itsestään koska aine ei sisällä kemiallista energiaa. Puhdas typpitetroksidi voi säilyä tankissa huoneenlämpötilassa pitkän ajan ja sitä käytetään perinteisessä tekniikassa hydratsiinin hapettimena. Uudempi hybridirakettien ehdotettu polttoainesekoitus "Nytrox" on nestehapen ja nestemäisen ilokaasun seos. Sen suorituskyky on jonkin verran nestehappea huonompi, mutta säilytyslämpötila -40..-60 C on helpompi kuin nestehapella. Nytroxin pitäisi myös olla puhdasta ilokaasua turvallisempaa, koska tankkiin muodostuva höyry ei ole ilokaasua vaan happea.
Hyvin pientä hybridirakettia voisi käyttää ratamuutokseen esimerkiksi seuraavasti. GTO-radalle laukaistaan jonkin ison kantoraketin oheishyötykuormana cubesat. Alus tuottaa hybridimoottorillaan 500 m/s nopeusmuutoksen, mikä nostaa radan ylimmän pisteen aurinkotuuleen. Siellä alus avaa yksiliekaisen sähköpurjeen ja purjehtii ottamaan lähikuvia asteroideista esimerkiksi asteroidien kaivosfirman tarpeisiin. Data siirretään maahan suorittamalla lopuksi Maan ohilento. Alus olisi mahdollista rakentaa lähes harrastelijavoimin. Jos lisätään aurinkopaneelien pinta-alaa ja pidennetään mission kesto kahdeksaan vuoteen, alus voisi käydä jopa ottamassa kuvia jostain troijalaisasteroidista ja tehdä tiedehistoriaa. Troijalaisten koostumus kertoo nimittäin aurinkokunnan historiasta eli siitä miten planeetat päätyivät nykyisille radoilleen.
Toinen moderni vaihtoehto on monopropellanttimoottori, jossa perinteinen hydratsiini on korvattu jollain turvallisemmalla kemikaalilla. Kaikki monopropellantit ovat kuitenkin määritelmän mukaan energeettisiä yhdisteitä jotka voivat ainakin teoriassa räjähtää myös itsestään. DARPA lopettikin vuonna 2015 turvallisuussyistä ALASA-ohjelmansa, jonka tavoitteena oli käyttää erästä uutta monopropellanttia kantoraketissa. Ruotsalainen ECAPS-firma sen sijaan jatkaa oman monopropellanttinsa kaupallistamista ja on jo testannut sitä onnistuneesti kiertoradalla.
Olisiko tuon pienen sähköpurjeluotaimen laukaiseminen mahdollista pienellä hybridikantoraketilla, esimerkiksi sillä North Starilla jota norjalaiset kehittävät? Periaatteessa kyllä. Esimerkiksi kiinteää rakettia käyttävän lentokoneesta laukaistavan Pegasus-raketin hyötykuormasuhde LEO:lle on noin kaksi prosenttia (hyötykuorma on 443 kg ja lähtömassa 23 tonnia). Suunnilleen sama massasuhde pätee pienelle hybridiraketillekin: hybridin ominaisimpulssi on hieman kiinteää korkeampi, mutta toisaalta pieni koko alentaa ominaisimpulssia hieman. Esimerkiksi jos kantoraketin lähtöpaino olisi yksi tonni, LEO:lle päätyisi 20 kg kuorma ja pakoradalle noin 5 kg paketti, mikä riittäisi pienen aurinkokuntaluotaimen massaksi. Tonnin painoinen kantoraketti voitaisiin laukaista esimerkiksi Hornet-hävittäjän ripustimesta. Innostuisikohan Ilmavoimat piensatelliittien laukaisemisesta?
tiistai 24. tammikuuta 2017
sunnuntai 15. tammikuuta 2017
Aulis-sammakko
Pienen piirin kulttimaineeseen nousseen fiktiivisen Aulis-sammakon tarinaa pääsee nyt seuraamaan avoimessa netissä. Auliksen huimiin seikkailuihin liittyy myös sähköpurje tavalla tai (enimmäkseen) toisella. Mitään Aulis-sammakon kaltaista ei ole ennen kirjoitettu, eikä ehkä tulla kirjoittamaankaan...
Tästä Auliksen matkaan: http://aulissammakko.blogspot.fi
Tästä Auliksen matkaan: http://aulissammakko.blogspot.fi
 |
| "Katsokaas kun minussa on vielä toinenkin jännä puoli. Minä en ole ihan sellainen sammakko joita te olette ehkä nähneet kesämökin kuistin alla. Minä tulen kaukaa Etelä-Amerikasta ja minä olen vähän hallusinogeeninen." |
perjantai 28. lokakuuta 2016
Sähköpurjekolumni 40
Sähköpurjekolumni 28.10.2016
Voisiko sähköpurjeella helpottaa kantorakettien tehtävää eli nousemista kiertoradalle? Ei suoraan, mutta ehkä välillisesti: Haetaan sähköpurjeilla asteroideilta sopivaa raaka-ainetta kuten vettä, tuodaan se matalalle kiertoradalle, tehdään siitä rakettipolttoainetta ja suoritetaan kantoraketin kakkosvaiheen välitankkaus, jonka turvin kakkosvaihe pystyy laskeutumaan Maahan uudelleenkäyttöä varten. Uudelleen tankattu rakettivaihe suorittaa 7 km/s jarrutuspolton ja putoaa lähes pystysuoraan ilmakehään. Lämpösuojausta ei juuri tarvita, mikä pienentää kantoraketin massaa ja huoltokuluja. Tankkia ei tarvitse täyttää kokonaan, koska paluuvaiheessa kuormana on yleensä vain vaiheen oma massa ilman hyötykuormaa. Tuloksena on kokonaan uudelleenkäytettävä kantorakettijärjestelmä, jonka massasuhde ei ole juurikaan perinteistä kertakäyttöistä laukaisinta huonompi ja joka ulkoisestikin muistuttaa perinteisiä raketteja. Mutta kiertoradalla tarvitaan polttoaineen lähde.
Asteroidien lisäksi rakettipolttoainetta voidaan tuottaa yläilmakehän kaasusta. Matalalla lentävän satelliitin sopivasti muotoillussa etumaskissa voi olla törmääviä ilmamolekyylejä säiliöön keräävä tyhjiöpumppu. Laboratoriossahan tyhjiöpumppuja on monenlaisia ja niitä käytetään tyhjiön tuottamiseen, mutta nyt ollaan kiinnostuneita pumpun tuottamasta kaasusta eikä sen luomasta tyhjiöstä jota avaruudessa riittää muutenkin. Satelliitissa on lisäksi ilmaa ajoaineenaan käyttävä sähkörakettimoottori (ionimoottori tai Hall-moottori), joka kompensoi satelliitin ilmanvastuksen ja ylläpitää aluksen rataa. Euroopan avaruusjärjestö on kehittänyt tällaista ilmaa hengittävää sähkörakettia. Sähköraketin suihkun nopeus (tyypillisesti 20-40 km/s) on paljon 8 km/s ratanopeutta korkeampi, joten sähköraketti itse kuluttaa periaatteessa vain osan kerätystä ajoaineesta. Sähkörakettimoottorin ja ajoaineen välivarastona toimivan tankin avulla satelliitti voi muuttaa ratakorkeuttaan ja radan inklinaatiota. Sopivasti muotoillun rungon aerodynamiikkaa voi lisäksi käyttää hyväksi radan inklinaatiomuutosten vahvistamiseen.
Tällainen satelliitti on tavallaan 150-250 km korkeudella operoiva aurinkosähköllä toimiva lentokone, joka ei uhmaa painovoimaa siivillä vaan suuresta nopeudesta johtuvan ympyräradan keskipakoisvoiman avulla, mutta käyttää ympäröivää ohutta ilmaa työntövoiman tuottamiseen ja radan muuttamiseen.
Tekniikka mahdollistaa siis matalalla lentävän satelliitin, joka pystyy muuttamaan rataansa mielivaltaisesti eikä silti kuluta ajoainetta vaan päinvastoin voi jopa tuottaa sitä. Matala lentokorkeus tekee satelliitin immuuniksi kiertorataromulle: se ei kärsi olemassaolevasta romusta eikä tuota uutta romua. Matalasta lentokorkeudesta on lisäksi etua monissa satelliittien sovelluksissa kuten kaukokartoituksessa ja tietoliikenteessä. Tekniikan yksi mahdollinen lisäsovellus saattaisi ehkä olla kantoraketin tankkaus kiertoradalla propulsiivista paluuta varten.
Koska yläilmakehä koostuu lähinnä typestä ja hapesta, menetelmällä voi tuottaa hapetinta, mutta ei polttoainetta. Hapetin on kuitenkin polttoainetta raskaampi komponentti, joten senkin tuottamisesta paikallisesti olisi merkittävä etu. Polttoainetta täytyy nostaa perinteiseen tapaan maasta tai sitä voidaan tuoda asteroideilta sähköpurjeella ja ilmajarrutuksella.
Voisiko sähköpurjeella helpottaa kantorakettien tehtävää eli nousemista kiertoradalle? Ei suoraan, mutta ehkä välillisesti: Haetaan sähköpurjeilla asteroideilta sopivaa raaka-ainetta kuten vettä, tuodaan se matalalle kiertoradalle, tehdään siitä rakettipolttoainetta ja suoritetaan kantoraketin kakkosvaiheen välitankkaus, jonka turvin kakkosvaihe pystyy laskeutumaan Maahan uudelleenkäyttöä varten. Uudelleen tankattu rakettivaihe suorittaa 7 km/s jarrutuspolton ja putoaa lähes pystysuoraan ilmakehään. Lämpösuojausta ei juuri tarvita, mikä pienentää kantoraketin massaa ja huoltokuluja. Tankkia ei tarvitse täyttää kokonaan, koska paluuvaiheessa kuormana on yleensä vain vaiheen oma massa ilman hyötykuormaa. Tuloksena on kokonaan uudelleenkäytettävä kantorakettijärjestelmä, jonka massasuhde ei ole juurikaan perinteistä kertakäyttöistä laukaisinta huonompi ja joka ulkoisestikin muistuttaa perinteisiä raketteja. Mutta kiertoradalla tarvitaan polttoaineen lähde.
Asteroidien lisäksi rakettipolttoainetta voidaan tuottaa yläilmakehän kaasusta. Matalalla lentävän satelliitin sopivasti muotoillussa etumaskissa voi olla törmääviä ilmamolekyylejä säiliöön keräävä tyhjiöpumppu. Laboratoriossahan tyhjiöpumppuja on monenlaisia ja niitä käytetään tyhjiön tuottamiseen, mutta nyt ollaan kiinnostuneita pumpun tuottamasta kaasusta eikä sen luomasta tyhjiöstä jota avaruudessa riittää muutenkin. Satelliitissa on lisäksi ilmaa ajoaineenaan käyttävä sähkörakettimoottori (ionimoottori tai Hall-moottori), joka kompensoi satelliitin ilmanvastuksen ja ylläpitää aluksen rataa. Euroopan avaruusjärjestö on kehittänyt tällaista ilmaa hengittävää sähkörakettia. Sähköraketin suihkun nopeus (tyypillisesti 20-40 km/s) on paljon 8 km/s ratanopeutta korkeampi, joten sähköraketti itse kuluttaa periaatteessa vain osan kerätystä ajoaineesta. Sähkörakettimoottorin ja ajoaineen välivarastona toimivan tankin avulla satelliitti voi muuttaa ratakorkeuttaan ja radan inklinaatiota. Sopivasti muotoillun rungon aerodynamiikkaa voi lisäksi käyttää hyväksi radan inklinaatiomuutosten vahvistamiseen.
Tällainen satelliitti on tavallaan 150-250 km korkeudella operoiva aurinkosähköllä toimiva lentokone, joka ei uhmaa painovoimaa siivillä vaan suuresta nopeudesta johtuvan ympyräradan keskipakoisvoiman avulla, mutta käyttää ympäröivää ohutta ilmaa työntövoiman tuottamiseen ja radan muuttamiseen.
Tekniikka mahdollistaa siis matalalla lentävän satelliitin, joka pystyy muuttamaan rataansa mielivaltaisesti eikä silti kuluta ajoainetta vaan päinvastoin voi jopa tuottaa sitä. Matala lentokorkeus tekee satelliitin immuuniksi kiertorataromulle: se ei kärsi olemassaolevasta romusta eikä tuota uutta romua. Matalasta lentokorkeudesta on lisäksi etua monissa satelliittien sovelluksissa kuten kaukokartoituksessa ja tietoliikenteessä. Tekniikan yksi mahdollinen lisäsovellus saattaisi ehkä olla kantoraketin tankkaus kiertoradalla propulsiivista paluuta varten.
Koska yläilmakehä koostuu lähinnä typestä ja hapesta, menetelmällä voi tuottaa hapetinta, mutta ei polttoainetta. Hapetin on kuitenkin polttoainetta raskaampi komponentti, joten senkin tuottamisesta paikallisesti olisi merkittävä etu. Polttoainetta täytyy nostaa perinteiseen tapaan maasta tai sitä voidaan tuoda asteroideilta sähköpurjeella ja ilmajarrutuksella.
torstai 15. syyskuuta 2016
ESA:n rahoittama plasmajarruhanke alkoi
Eilen (14.9.2016) pidettiin ESA:n rahoittaman plasmajarrun kehityshankkeen aloituskokous. Hanke on lyhyt ja intensiivinen ja sisältää myös kaksi työrupeamaa ESTEC:ssä jossa laitteen vaatimuksia ja toteutustapoja puidaan isommassa insinööritiimissä jossa ovat mukana me, ESA ja niinsanotut suurten systeemien integroijafirmat Airbus, Thales Alenia Space ja OHB.
tiistai 23. elokuuta 2016
Sähköpurjekolumni 39
Sähköpurjekolumni 23.8.2016
Lähetämme syyskuussa ESA:lle ehdotuksen, jossa sähköpurjeilla varustettu cubesat-laivasto tutkii satoja asteroideja lentämällä niiden ohi pienen kameran kanssa. Kukin alus on varustettu yhdellä 10-20 km pitkällä sähköpurjeliealla ja lentää usean asteroidin ohitse. Ohilennon data talletetaan aluksen flash-muistiin. Lopuksi kukin alus suorittaa Maan ohilennon, jonka aikana kaikki kertyneet datat siirretään maa-asemalle. Lento asteroidivyöhykkeen läpi tapahtuu autonomisesti käyttäen navigointiin lähiasteroideja. Asteroidien kaukokartoitus- ja navigointi-instrumentti on Aalto-1:ssä lentävän VTT:n spektrikameran perillinen jota VTT kehittää tällä hetkellä eteenpäin myöskin ESA:n AIM-nimistä asteroidimissiota varten. Lennon tuloksena tulemme näkemään satoja asteroideja lähikuvissa ja voimme lisäksi saada selville niiden pinnan mineraalikoostumuksen infrapunaspekristä. Jos cubesat-laivastossa on esimerkiksi 50 alusta, se voidaan laukaista esimerkiksi intialaisten PSLV-kantoraketilla, joka jaksaa nostaa pakoradalle noin 500 kg kuorman.
Sähköpurje mahdollistaa tämän uudentyyppisen asteroidien tutkimusmenetelmän. Lisäksi mahdollistajia ovat flash-muistien kasvanut datatiheys sekä kameratyyppisten instrumenttien minityrisoituminen. Datan tallentamista luotaimeen tarvitaan, sillä jos laivaston kaikkiin aluksiin pidettäisiin jatkuvaa radioyhteyttä, operointikulut nousisivat korkeiksi ja aluksissa pitäisi myös olla jonkinlainen suunnattava high gain -antenni. Jos puolestaan kamera olisi painavampi, alukset tarvitsisivat moniliekaisen sähköpurjeen ja aluksia mahtuisi kyytiin vähemmän. Moniliekaisen sähköpurjeen tapauksessa kamerainstrumentti pitäisi lisäksi todennäköisesti asentaa kääntyvälle alustalle, jotta se voisi nähdä asteroidin riippumatta pääaluksen asennosta joka seuraa liekatakilan asentoa. Yksiliekaisessa aluksessa tilanne on helpompi koska itse alusta voidaan käännellä riippumatta liean orientaatiosta. Silloin kamerateleskooppi voidaan asentaa kiinteästi 3-U cubesatpötkön toiseen päähän.
Kutsu johon ehdotuksemme menee on ESA:n erityinen, melko harvoin toistuva ideakutsu. Siinä avaruusjärjestön tiedeohjelma pyytää uusia ideoita ohi normaalien missioehdotuskäytäntöjen. Normaaleissa missioehdotuksissa kaikkien käytettävien tekniikoiden pitää olla lähes lentovalmiita (TRL-taso 6), mutta ideakutsussa tällaista vaatimusta ei ole. Haluamme saada ESA vakuuttuneeksi siitä että sähköpurjeen avulla voidaan toteuttaa missio joka tuottaa enemmän asteroiditiedettä kuin kaikki aiemmat asteroidilennot yhteensä eli tuottaa lähikuvia ja spektrejä sadoista asteroideista. Verrattuna muihin ESA:n tiedemissioihin ehdotus on myös rahallisesti halpa koska laukaisumassa on pienin saatavilla oleva ja identtiset piensatelliitit voidaan rakentaa sarjatyönä.
Lähetämme syyskuussa ESA:lle ehdotuksen, jossa sähköpurjeilla varustettu cubesat-laivasto tutkii satoja asteroideja lentämällä niiden ohi pienen kameran kanssa. Kukin alus on varustettu yhdellä 10-20 km pitkällä sähköpurjeliealla ja lentää usean asteroidin ohitse. Ohilennon data talletetaan aluksen flash-muistiin. Lopuksi kukin alus suorittaa Maan ohilennon, jonka aikana kaikki kertyneet datat siirretään maa-asemalle. Lento asteroidivyöhykkeen läpi tapahtuu autonomisesti käyttäen navigointiin lähiasteroideja. Asteroidien kaukokartoitus- ja navigointi-instrumentti on Aalto-1:ssä lentävän VTT:n spektrikameran perillinen jota VTT kehittää tällä hetkellä eteenpäin myöskin ESA:n AIM-nimistä asteroidimissiota varten. Lennon tuloksena tulemme näkemään satoja asteroideja lähikuvissa ja voimme lisäksi saada selville niiden pinnan mineraalikoostumuksen infrapunaspekristä. Jos cubesat-laivastossa on esimerkiksi 50 alusta, se voidaan laukaista esimerkiksi intialaisten PSLV-kantoraketilla, joka jaksaa nostaa pakoradalle noin 500 kg kuorman.
Sähköpurje mahdollistaa tämän uudentyyppisen asteroidien tutkimusmenetelmän. Lisäksi mahdollistajia ovat flash-muistien kasvanut datatiheys sekä kameratyyppisten instrumenttien minityrisoituminen. Datan tallentamista luotaimeen tarvitaan, sillä jos laivaston kaikkiin aluksiin pidettäisiin jatkuvaa radioyhteyttä, operointikulut nousisivat korkeiksi ja aluksissa pitäisi myös olla jonkinlainen suunnattava high gain -antenni. Jos puolestaan kamera olisi painavampi, alukset tarvitsisivat moniliekaisen sähköpurjeen ja aluksia mahtuisi kyytiin vähemmän. Moniliekaisen sähköpurjeen tapauksessa kamerainstrumentti pitäisi lisäksi todennäköisesti asentaa kääntyvälle alustalle, jotta se voisi nähdä asteroidin riippumatta pääaluksen asennosta joka seuraa liekatakilan asentoa. Yksiliekaisessa aluksessa tilanne on helpompi koska itse alusta voidaan käännellä riippumatta liean orientaatiosta. Silloin kamerateleskooppi voidaan asentaa kiinteästi 3-U cubesatpötkön toiseen päähän.
Kutsu johon ehdotuksemme menee on ESA:n erityinen, melko harvoin toistuva ideakutsu. Siinä avaruusjärjestön tiedeohjelma pyytää uusia ideoita ohi normaalien missioehdotuskäytäntöjen. Normaaleissa missioehdotuksissa kaikkien käytettävien tekniikoiden pitää olla lähes lentovalmiita (TRL-taso 6), mutta ideakutsussa tällaista vaatimusta ei ole. Haluamme saada ESA vakuuttuneeksi siitä että sähköpurjeen avulla voidaan toteuttaa missio joka tuottaa enemmän asteroiditiedettä kuin kaikki aiemmat asteroidilennot yhteensä eli tuottaa lähikuvia ja spektrejä sadoista asteroideista. Verrattuna muihin ESA:n tiedemissioihin ehdotus on myös rahallisesti halpa koska laukaisumassa on pienin saatavilla oleva ja identtiset piensatelliitit voidaan rakentaa sarjatyönä.
lauantai 18. kesäkuuta 2016
Lyhyt sähköpurjevideo Ilmatieteen laitokselta
Sähköpurje esiintyy lyhyesti myös toisenkin, revontuliaiheisen videon loppupuolella:
keskiviikko 15. kesäkuuta 2016
Sähköpurje lentää myös Sodankylän elokuvajuhlissa!
 |
| Sini Iron Sky 2-leffan kuvauksissa: kohta pötkitään dinosauruksia karkuun! |
Sähköpurje on mukana menossa, liitelemässä osana Sinin esitystä!! Paikkana on Sodankylän kunnan valtuustosali, Jäämerentie 1, lauantaina 18.6. klo 12.30-16.30 ja sisäänpääsy on vapaa. Matinea myös simultaanitulkataan englanniksi.
Ilmatieteen laitoksen tiedotus tapahtumasta.
Tilaa:
Blogitekstit (Atom)