Vloni na Falconu Heavy vypuštěná družice GPIM zahájila manévry, které zajistí její stažení z oběžné dráhy. Družice financovaná NASA v uplynulých měsících úspěšně prokázala efektivitu použití netoxického paliva, které by mohlo najít využití u příštích kosmických misí a nahradit tak hydrazin. Tato látka totiž vyžaduje, aby se s ní před startem pracovalo velmi opatrně. Zkratka, pod kterou družici známe, vznikla z názvu Green Propellant Infusion Mission a této družici již zbývají poslední týdny, než shoří v atmosféře. Pozemní týmy během uplynulého roku vyzkoušely pět trysek na GPIM v různých operačních režimech. Testovala se jejich schopnost řídit orientaci družice v prostoru a ověřovala se také efektivita zážehů při změnách oběžné dráhy.

„GPIM dosáhla toho, k čemu byla postavena,“ říká Brian Marotta, vedoucí z Ball Aerospace zodpovědný za určení pozice GPIM a její řízení a dodává: „V reálných podmínkách jsme kvalifikovali technologii pro náš nový pohonný systém. Využili jsme k tomu schopnou a flexibilní družicovou platformu.“

Mluvčí NASA, Clare Skelly, na začátku týdne uvedla, že družice GPIM zahájila závěrečnou sekvenci zážehů, které postupně sníží perigeum (bod s nejnižší výškou oběžné dráhy) do výšky zhruba 180 kilometrů. Marotta již dříve uvedl, že tyto manévry by měly být dokončeny ještě v průběhu srpna. V této výšce už bude na družici GPIM (o velikosti lednice) působit přirozený odpor horních vrstev atmosféry, který ji bude zpomalovat a zajistí tak během pár týdnů její stažení z oběžné dráhy. Tyto údaje zazněly na 34. ročníku konferenci o malých družicích, která se letos kvůli COVID-19 konala pouze virtuálně.

Hlavním úkolem družice GPIM za 65 milionů amerických dolarů bylo ověřit chování dusičnanu hydroxylamonného a okysličovadla – tato směs dostala označení AF-M315E. Tato směs by v budoucnu mohla nahradit hydrazin, který se používá pro pohonné systémy družic a sond. Hydrazin se často používá společně s oxidem dusičitým, který funguje jako okysličovadlo a to také není zrovna neškodná chemikálie. Jejich smíšením ve spalovací komoře vzniká okamžitě reakce a proto se hodí třeba i pro manévrovací trysky motorů na družicích.

Nové „zelené“ palivo s sebou přináší mnoho výhod, na které jeho tvůrci upozorňovali ještě před startem. Okysličovací směs AF-M315E totiž mohou technici plnit do nádrží aniž by museli obléknout ochranné obleky, které by je chránily v případě úniku. Ve srovnání s hydrazinem je jeho nová alternativa hustší a viskóznější – do stejné nádrže se jej tak vejde více. Díky tomu se má zlepšit účinnost pohonného systému.

„Kdybych porovnal standardní systém s hydrazinem jakožto jednosložkovým palivem, tak máme k dispozici o 50 % vyšší impuls. Především je to díky vyšší hustotě pohonné směsi,“ uvedl Chris McLean, hlavní vědecký pracovník mise GPIM z Ball Aerospace a dodává: „Do stejné nádrže jsme schopni dostat o 50 % pohonných látek víc, které pak mohou déle pohánět družici.“ Netoxická směs AF-M315E navíc není náchylná k zamrzání, které trápí hydrazin. Jeho nádrže proto vyžadují ohřívače, které zajistí, že zůstane tekutý.

Hydrazin je hypergolické palivo, což znamená, že při kontaktu s jinými látkami (například zmíněným oxidem dusičitým) okamžitě vzplane. Oproti tomu AF-M315E vyžaduje pro zážeh vyšší teplotu, díky tomu je manipulace s ním bezpečnější. Inženýři amerického letectva z kalifornské Edwardsovy základny na tuto směs přišli v roce 1998. Jedním z důvodů, proč její nasazení na družici trvalo tak dlouho, souvisí právě s vyššími teplotami, které jsou potřebné k zapálení pohonných látek.

„Hodně to vypadá jako standardní technologie jednosložkového hydrazinu, kromě extrémních požadavků na materiály,“ uvedl McLean před loňským startem a dodal: „V průběhu tohoto programu jsme se postupně propracovali k motoru, který si dokáže poradit s tímto množstvím přebytečné energie a navíc to zvládá opakovaně. Díky rozsáhlým pozemním testům u Aerojet Rocketdyne se nám to podařilo potvrdit.“ Dalším krokem tedy bylo testování na oběžné dráze.

Marotta uvedl, že družice GPIM provedla sérii experimentů pro sběr dat, ze kterých se bude vyhodnocovat účinnost a chování „zeleného“ pohonného systému, který mimochodem dodala firma Aerojet Rocketdyne. „Hlavním úkolem bylo v reálných podmínkách kvalifikovat pohonný systém založený na AF-M315E. K tomuto ověření došlo prostřednictvím důkladných testů na oběžné dráze,“ uvedl Marotta a dodal: „V průběhu celého jeho životního cyklu jsme prováděli měření charakteristik účinnosti pohonného systému. Testovali jsme různé úrovně tlaku v nádržích, abychom lépe porozuměli chování pohonné směsi. sledovali jsme také, jak se tyto vlastnosti mění s tím, jak systém na oběžné dráze stárne.“

Družice GPIM vážící 158 kilogramů byla jednou z 24 družic, které v červnu 2019 vypustil Falcon Heavy. Tehdy šlo o sdílenou misi od amerického letectva, při které na oběžnou dráhu mířily náklady od NASA, armády, ale i univerzit. Družice GPIM se oddělila na kruhové dráze ve výšce zhruba 720 kilometrů, která byla vůči rovníku skloněna o 24°. Po rozložení fotovoltaických panelů a předběžné kontrole systémů začala série testů pohonného systému. Jedním z prvních velkých manévrů bylo snížit perigeum družice do výšky 545 kilometrů. To souviselo s dodržením nařízení, aby družice zanikla v atmosféře během 25 let.

Marotta uvedl, že pozemní operátoři GPIM nařídili, aby udržovala svou orientaci s pomocí pěti korekčních trysek poháněných zelenou směsí. Tyto trysky se použily i k znovuzískání orientace poté, co byla družice záměrně uvedena do rotace. Pohonný systém také posloužil ve chvíli, kdy bylo potřeba uvolnit saturované silové setrvačníky. Celý experiment prokázal, že zelený pohonný systém může být použit na družicích, které obíhají Zemi, ale i na misích do hlubšího vesmíru.

„Použili jsme přístup založený na postupných a měřitelných kontrolách pohonného systému. Začali jsme jednoduchými testy a postupně se složitost zvyšovala,“ doplnil Marotta. GPIM pak postupně snižovala své perigeum a nyní přišla závěrečná sada příkazů pro jeho snížení do výšky 180 kilometrů. Marotta uvedl, že zbývající zážehy poskytnou cenná data o tom, jak se směs chová při procesu stárnutí. Poslední korekce by měly spotřebovat zbytek z původních 14,2 kilogramů AF-M315E, které byly v nádrži při startu. Sám Marotta hodnotí misi GPIM jako „velmi úspěšnou“.

Družice nese i sekundární experiment pro Air Force Academy a Naval Research Laboratory, který měří hustotu plazmatu a teploty. Kromě toho má za úkol charakterizovat neutrální částice a ionty v horních vrstvách atmosféry. Na družici najdeme také experimentální zařízení pro Air Force Institute of Technology, který odhaduje pozici družice a její rychlost na základě signálů GPS.

A na závěr se zmíníme i o dalším zeleném palivu pro družice – produktu švédské firmy Bradford ECAPS. Jejich pohonná látka označovaná jako LMP-103S už letěla na demonstrační misi Prisma, najdeme ji na snímacích družicích SkySat od firmy Planet a také na americké experimentální družici STPSat 5. Švédská směs má podobné výhody jako AF-M315E. Americká směs je však hustší, což s sebou nese výše uvedené výhody. „Skutečnost, že máme amerického dodavatele některých technologií je pro některé naše zákazníky důležitá a proto tam zaměřujeme svou pozornost,“ uvedl vloni McLean.

Zelené pohonné látky stále musí soupeřit s tradičními návrhy založenými na hydrazinu. Konkurencí jsou jim ale i iontové pohony nebo nejnověji pohony využívající vodu. „Zelené pohonné směsi nabízí velké výhody – ve srovnání s hydrazinem nejsou nebezpečné a myslím si, že je to velmi atraktivní možnost – především pro malé družice, které vytváří malé společnosti, které třeba nemusí mít prostředky na to, aby pracovaly s hydrazinem,“ uvedl Marotta 3. srpna a dodal: „Myslím si, že už jsme hodně blízko. Může to ještě chvíli trvat a možná budeme potřebovat pár dalších misí, abychom se přes tuhle překážku dostali.“

Přeloženo z:
https://spaceflightnow.com/

Zdroje obrázků:
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/…/gpim_updated_image_0.jpeg
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/…/19-03528_-_gpim_final_day1.jpg
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/…/06/180206-F-ZZ999-0901.jpg
https://upload.wikimedia.org/…/Hydroxylammonium-nitrate-3D-balls.png
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/gpimintegration.jpg
https://www.spacex.com/…/spacex2012/images/stp/STP_Stills_GPIM_1.jpg
https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/W8BU73Q6y25sCv23aWJt5C.jpg
https://upload.wikimedia.org/…/c0/Hydroxylammonium-nitrate-2D.png