Учёные считают, что поиск и разработка новых видов топлива для космических аппаратов с целью замены токсичного гидразина позволит не только обезопасить запуск и эксплуатацию этих самых аппаратов, но и приведёт к смене существующей парадигмы производства.
По мере роста количества спутников будет увеличиваться и количество топлива, необходимое для их запуска. И вывод аппарата на орбиту – это лишь половина проблемы. Выведенному в космос спутнику необходимо передвижение для корректировки параметров орбиты по какой бы то ни было причине или схода с неё по окончанию срока эксплуатации.
В настоящее время стандартным выбором для спутников является высокотоксичное топливо на основе гидразина. Это вещество в высоких концентрациях может вызывать множество проблем со здоровьем у людей: начиная от повреждения печени, заканчивая болезнями центральной нервной системы. Утечка гидразина на Земле может стать большой социальной проблемой из-за его токсичности и взрывоопасности.
Подготовка спутника, работающего на гидразине, к запуску – это сложная и рискованная задача, требующая особых мер предосторожности для всех, кто в неё вовлечен. Поэтому в работе с этим видом топлива люди используют спецодежду, чем-то напоминающую скафандр, которая гарантирует, что если что-то пойдет не так, они не будут дышать гидразиновыми парами.
Команда, занимающаяся заправкой спутника топливом на основе гидразина
В связи с этим неудивительно, что учёные и инженеры ищут способ обезопасить производство и эксплуатацию спутников путём использования более чистых топлив. В 2011 году Европейское агентство по химикатам добавило гидразин в список веществ, “вызывающих серьёзные опасения”. Этого означает, что его использование вскоре может быть ограничено.
Кубсаты
Компания NanoAvionics специализируется на создании небольшого размера спутников. В их число входят и кубсаты – аппараты в форме куба с гранью в десять сантиметров и массой примерно в килограмм (которые могут собираться и в более крупные конструкции). Небольшие спутники, подобные этим, очень популярны сейчас на рынке: по заверениям NanoAvionics, с 2016 по 2020 год количество запуска подобных аппаратов увеличилось на 300%. Вероятно, и спрос на экологически чистое топливо для малых спутников в ближайшем будущем будет лишь расти.
По словам главного конструктора компании Эрика Кнейжиса, в то время, когда рынок кубсатов только появился, не было ни одной фирмы, которая могла бы предоставить чистое топливо для малых спутников. И в эту нишу залезла NanoAvionics.
В рамках проекта под названием EDSS компания разработала менее вредное, чем гидразин, топливо на основе динитрамида аммония (ADN) – соединения, состоящего из азота, кислорода и водорода. Топливная система была интегрирована в демонстрационный спутник, а затем успешно прошла испытания на орбите.
Эта система работает на однокомпонентном топливе – жидкости, которая при взаимодействии с катализатором разлагается с образованием горячего газа. Что несколько отличается от процесса сгорания более привычного нам двухкомпонентного топлива.
Кнейжис отмечает, что использование двухкомпонентного топлива повышает риск в процессе производства, поскольку имеется вероятность непреднамеренного смешивания окислителя и горючего, что может привести к очень печальным последствиям.
Специалисты NanoAvionics работают с космическим аппаратом
Выгоду из нетоксичных топлив могли бы извлечь не только малые спутники. Компании Airbus в рамках проекта HyproGEO удалось разработать двигательную установку на нетоксичном топливе, которую можно применять на геостационарных спутниках. Зависшие над одной точкой планеты на расстоянии в 36 тысяч километров аппараты обычно используются для таких вещей как связь и радиовещание.
В настоящее время та энергия, которая необходима для доставки спутника в точку назначения, добывается из топлива на основе гидразина. Но инженеры проекта HyproGEO разработали гибридную двигательную установку, в которой вместо гидразина используется перекись водорода. Топливо, на 98% состоящее из перекиси водорода, в сравнении с 6-процентной перекисью, что вы могли использовать для осветления волос – очень кислое, но все ещё более безопасное в эксплуатации, чем гидразин. Ещё одно преимущество перекиси состоит в том, что она распадается на водород и кислород, не выделяя вредных для человека паров.
Геостационарные спутники рассчитаны на 10 и более лет работы. Поэтому топливо, которое необходимо им для маневрирования, должно иметь соответствующий срок годности, а сама топливная система должна быть упрощённой настолько, насколько это возможно.
Гибрид
Решение, предложенное HyproGEO, состояло в создании гибридного ракетного двигателя, в котором перекись водорода при взаимодействии с катализатором образовывала бы высокотемпературный кислород. Этот кислород мог бы либо сам обеспечивать реактивную тягу, либо служить в качестве окислителя для какого-то горючего (для придания дополнительного ускорения). Команде инженеров удалось разработать такой двигатель. Норвежская оборонная компания Nammo использовала его для запуска небольшой ракеты на высоту 107 километров. Носитель достиг цели за три минуты – ничего такого, чего не могла бы сделать суборбитальная ракета, заправленная двухкомпонентным топливом.
Тестирование европейского гибридного ракетного двигателя
Использование новых видов топлива не только может принести пользу здоровью людей, но и делает всю инфраструктуру более эффективной и дешёвой. По словам Кнейжиса, двигательная система NanoAvionics стоит в три раза дешевле аналогичных двухкомпонентных систем.
Но раз эти новые виды топлива так хороши, что же сдерживает их широкое распространение на рынке? Гибридные двигательные установки традиционно были не приспособлены к условиям продолжительного полёта, необходимого для выведения спутников на орбиту. Но HyproGEO частично удалось преодолеть эту проблему.
Всё просто. В космической отрасли уже созданы и отработаны процедуры с традиционным видами топлива, вроде гидразина. И переход на новое топливо означает разрушение старых систем.
Но всегда достаточно лишь одного небольшого толчка для того, чтобы новая технология взяла верх. ссылка | источник
