Un nouveau type de système de micropropulsion pour satellites miniatures appelé CubeSats utilise une conception innovante de minuscules buses qui libèrent des rafales précises de vapeur d'eau pour manœuvrer le vaisseau spatial.

« microsatellites » et « nanosatellites » à bas prix beaucoup plus petits que les engins spatiaux conventionnels, sont devenus de plus en plus répandus. Des milliers de satellites miniatures pourraient être lancés pour effectuer diverses tâches, de l'imagerie haute résolution et des services Internet, à la réponse aux catastrophes, surveillance environnementale et surveillance militaire.

« Ils offrent une opportunité pour de nouvelles missions, tels que le vol en constellation et l'exploration que leurs homologues plus grands ne peuvent pas réaliser économiquement, " a déclaré Alina Alexeenko, professeur à l'École d'aéronautique et d'astronautique de l'Université Purdue.

Cependant, pour atteindre leur plein potentiel, CubeSats nécessitera des dispositifs de micropropulsion pour fournir des "bits d'impulsion" précis à faible poussée pour les scientifiques, applications spatiales commerciales et militaires.

Elle a mené des recherches pour développer un nouveau système de micropropulsion qui utilise de l'eau ultra-purifiée.

« On pense que l'eau est abondante sur la lune martienne Phobos, " a-t-elle dit. " ce qui en fait potentiellement une énorme station-service dans l'espace. L'eau est aussi un propulseur très propre, réduisant le risque de contamination des instruments sensibles par le reflux des panaches des propulseurs. »

Les résultats de la recherche sur le nouveau système sont détaillés dans un article présenté lors de la 31e conférence AIAA/USU sur les petits satellites, 5-10 août à Logan, Utah.

Le nouveau système, appelé MEMS Tunable Array à Film-Evaporation, ou propulseur FEMTA, utilise des capillaires suffisamment petits pour exploiter les propriétés microscopiques de l'eau. Parce que les capillaires n'ont qu'environ 10 micromètres de diamètre, la tension superficielle du fluide l'empêche de s'écouler, même dans le vide de l'espace. L'activation de petits éléments chauffants situés près des extrémités des capillaires crée de la vapeur d'eau et fournit une poussée. De cette façon, les capillaires deviennent des vannes qui peuvent être activées et désactivées en activant les éléments chauffants. La technologie est similaire à une imprimante à jet d'encre, qui utilise des radiateurs pour faire sortir les gouttelettes d'encre.

Le document de recherche a été rédigé par l'étudiante diplômée Katherine Fowee; étudiants de premier cycle Steven Pugia, Ryan Clay, Matthew Fuehne et Margaret Linker; associé de recherche postdoctoral Anthony Cofer; et Alexeenko

"Il est très inhabituel pour les étudiants de premier cycle d'avoir un rôle aussi important dans la recherche de pointe comme celle-ci, " a déclaré Alexeenko.

Les étudiants ont effectué la recherche dans le cadre d'un cours de conception de propulsion.

Les CubeSats sont constitués de plusieurs unités, chacun mesurant 10 centimètres cubes. Dans la recherche Purdue, quatre propulseurs FEMTA chargés d'environ une cuillère à café d'eau ont été intégrés dans un prototype CubeSat monobloc et testés sous vide. Le Prototype, qui pèse 2,8 kilogrammes, ou environ six livres, électronique contenue et un capteur d'unité de mesure inertielle pour surveiller les performances du système de propulseur, qui fait tourner le satellite à l'aide de jets de vapeur d'eau de courte durée.

Les satellites typiques ont à peu près la taille d'un autobus scolaire, pèsent des milliers de livres et coûtent parfois des centaines de millions de dollars. Et tandis que les satellites conventionnels nécessitent une électronique spécialisée capable de résister aux conditions difficiles de l'espace, Les CubeSats peuvent être construits à faible coût, composants sur étagère. Des constellations de nombreuses pas chères, des satellites jetables pourraient être lancés, minimiser l'impact de la perte de satellites individuels.

Cependant, des améliorations sont nécessaires dans les systèmes de micropropulsion pour mobiliser et contrôler précisément les satellites.

« Des améliorations substantielles ont été apportées aux technologies de micropropulsion, mais de nouvelles réductions de masse, le volume, et la puissance sont nécessaires pour l'intégration avec les petits engins spatiaux, " a déclaré Alexeenko.

La technologie FEMTA est un système micro-électromécanique, ou un MEMS, qui sont de minuscules machines qui contiennent des composants mesurés à l'échelle du micron, ou des millionièmes de mètre. Le propulseur a démontré un rapport poussée/puissance de 230 micronewtons par watt pour des impulsions d'une durée de 80 secondes.

"C'est une puissance très faible, " a déclaré Alexeenko. " Nous démontrons qu'une rotation de 180 degrés peut être effectuée en moins d'une minute et nécessite moins d'un quart de watt, montrant que FEMTA est une méthode viable pour le contrôle d'attitude des CubeSats."

Les propulseurs FEMTA sont des tuyères microscopiques fabriquées sur des plaquettes de silicium en utilisant des techniques de nanofabrication courantes dans l'industrie. Le modèle a été testé dans la grande chambre à vide de l'installation à vide poussé de Purdue.

Bien que les chercheurs aient utilisé quatre propulseurs, qui permettent au satellite de tourner sur un seul axe, un satellite entièrement fonctionnel nécessiterait 12 propulseurs pour une rotation sur 3 axes.

L'équipe a construit le système avec peu de frais, appareils disponibles dans le commerce qui font partie intégrante de "l'internet des objets, " un phénomène émergent dans lequel de nombreux objets du quotidien tels que les appareils électroménagers et les voitures ont leurs propres adresses Internet.

"Ces étudiants de premier cycle ont intégré toutes les technologies IOT, lequel, franchement, ils en savent plus que moi, " elle a dit.

La centrale inertielle gère 10 types de mesures différentes nécessaires à la manœuvre et au contrôle du satellite. Un ordinateur de bord reçoit sans fil des signaux pour déclencher le propulseur et transmet des données de mouvement à l'aide de cette puce IMU.

"Ce que nous voulons vraiment faire ensuite, c'est intégrer notre système dans un satellite pour une mission spatiale réelle, " elle a dit.

La recherche impliquait une collaboration avec le Goddard Space Flight Center de la NASA dans le cadre du programme de partenariat technologique SmallSat de l'agence spatiale, qui a fourni un financement essentiel depuis le début du concept en 2013.

Une demande de brevet pour le concept a été déposée par le Bureau de la commercialisation de la technologie de la Purdue Research Foundation. Les buses du système ont été fabriquées dans la Scifres

Laboratoire de nanofabrication au Birck Nanotechnology Center dans le Discovery Park de Purdue.