Profesor Paulo Lozano, investigador principal del proyecto
Objetivo de la Investigación
El objetivo de este proyecto es evaluar el uso de electrosprays para la propulsión en nano y pico-satélites. Los llamados CubeSat son satélites de 10x10x10 cm, con un peso de 1 kg que actualmente no cuentan con un sistema de propulsión de alto impulso específico y compacto.
Nuestro equipo está desarrollando actualmente un sistema de propulsión basado en MEMS para CubeSat que proporcionarán el control de actitud y de propulsión principal, con un impulso específico entre 2000 y 3500 segundos en un sistema que no va a ocupar más del 10% al 30% del tamaño de un CubeSat 1U. El anticipado delta-V producido por estos dispositivos depende de la cantidad de propulsor transportado a bordo. Por ejemplo menos de 150 g de propelente se requeriría de un CubeSat 1U para alcanzar la velocidad de escape de la tierra de LEO y explorar el espacio interplanetario.
Equipo:
– Alex Bost (Ingeniero): Dispositivo de montaje, pruebas y desempeño
– Natalya Brikner (Candidato Ph.D.): Compatibilidad de los materiales del impulsor
– Caza Coffman (Candidato Ph.D.): Material poroso y fabricación extractora
– Corey Fucetola (Postdoc): Fabricación e integración propulsor Microtip
– Hanqing Li (Investigación Científico / MTL): Dispositivo y proceso de diseño
– Kento Masuyama (Candidato Ph.D.): Síntesis y fabricación de electrodos
– Fernando Mier-Hicks (Candidato Ph.D.): Electrónica, equilibrio e integración de empuje CubeSat
– Louis Perna (Candidato Ph.D.): fabricación y recubrimiento Silicon MEMS
Investigadores de grado (UROPs):
– Carlos Jiménez
– Kelly Mathesius
Investigador principal:
Prof. Paulo Lozano
Enfoque
El sistema de propulsión está basado en la extracción y aceleración de los iones moleculares pesados utilizando fuertes campos eléctricos en la interfaz entre el propulsor (líquidos iónicos de presión de vapor cero) y de vacío. El proceso de evaporación de campo para producir las partículas cargadas no requiere de un volumen apreciable para la ionización. Además, el propulsor no tiene que ser presurizado y fluye exclusivamente por las fuerzas de capilaridad. La falta de válvulas, tuberías, bombas y presurización permite diseños muy compactos, compatibles con las limitaciones y requisitos de los CubeSat.
Fig 1. Vista conceptual de un módulo empujador del IEPS (cortesía Dan Courtney, )
La máxima compactación se alcanza a través del uso de técnicas MEMS, similares a los utilizados en la fabricación de componentes de microchip. Una parte crucial en el proceso es la integración monolítica de silicio con sustratos de metal poroso micro-fabricados que contienen el ion emisor de estructuras. El diseño de la nueva generación de propulsores de iones compactos es una tarea difícil. Esencialmente, tenemos un propulsor muy pequeño (10x10x2.5 mm), que está literalmente empapado en un líquido conductor e incluye todos los elementos necesario para proporcionar aislamiento eléctrico e hidráulico excepcional en los voltajes de aproximadamente 1000 V cuando se trabaja durante largos tiempos en alto rendimiento.
Fig 2. Izquierda:módulos IEPS fabricados en silicio (SPL). Derecha: Imágenes de microscopía electrónica de estructuras de iones emisores de micro-fabricación en metal poroso (cortesía Dan Courtney, )
El objetivo es integrar los propulsores IEP en diferentes configuraciones CubeSat. Por ejemplo, que tiene 4 módulos propulsores en un CubeSat 1U sería la configuración mínima para proporcionar control de actitud básica y la propulsión principal.
Fig 3. El estudiante graduado Natalya Brikner tiene un prototipo de CubeSat 1U con 4 módulos propulsores IEPS y electrónica PPU (SPL)
Nuestro laboratorio está desarrollando actualmente un sistema de balance por levitación magnética para CubeSat que permite una evaluación completa del rendimiento propulsor mediante maniobras controladas. Esta instalación también permitirá a nuestro equipo estudiar el comportamiento de los propulsores IEP de control de actitud de alta precisión hasta un rango de segundo de arco.
Fig 4. Prototipo de un equilibrio CubeSat de levitación magnética para estudiar el rendimiento del propulsor. La instalación se monta dentro de una cámara de vacío para replicar las condiciones encontradas en el espacio. El pequeño satélite es completamente sin ataduras permitiendo así que las pruebas de los sistemas de CubeSat totalmente integrados (cortesía Fernando Mier-Hicks, )
Hay una serie de misiones CubeSats que se beneficiarían de la tecnología, IEP, por ejemplo:
– La eliminación de desechos orbitales
– Formación del vuelo: arquitecturas de colaboración
– Misiones de mantenimiento: inspección, acoplamiento, montaje y reparación
– puesta fuera de órbita de Satélite al final de la misión
– Control de altitud de 3 ejes (incluyendo señalador de máxima precisión)
– Desaturación de ruedas de reacción
– Cambio de los elementos orbitales
– Contrarrestar la resistencia atmosférica en LEO
– La exploración interplanetaria: empujando a la luna, asteroides y más allá .
figura 5. CAD de un CubeSat 3U utilizando 32 módulos propulsores de control de actitud, IEP de alta precisión y de propulsión principal. Los conjuntos de propulsores IEPS se están desarrollando en un programa de la NASA SBIR Fase II con Espace Inc (cortesía Rebecca Jensen-Clem, Francois Martel, )
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