بررسی و مقایسة میکروپیشرانش‌های‌ مبتنی بر فناوری میکروالکترومکانیکی در ماهواره‌های کوچک

نویسندگان

گروه طیف سنجی و تجهیزات میکروالکترونیک، پژوهشکده مواد و انرژی اصفهان، پژوهشگاه فضایی ایران

چکیده

در این مقاله، سامانه‌های میکروپیشرانش مبتنی بر فناوری میکروالکترومکانیکی (MEMS) که به منظور استفاده در ماهواره‌های کوچک طراحی شده‌اند، بررسی و مقایسه می‌شوند. میکروپیشرانش‌های مبتنی بر این فناوری نسبت به سیستم‌های پیشرانش متداول، دارای مزایای متعددی از جمله، اندازه کوچک، تجمیع بالا، تولید انبوه، مصرف توان ناچیز و قیمت پایین می‌باشند. به علاوه، میکروپیشرانش‌های MEMS می‌توانند نیروهای رانش بسیار دقیق، کوچک و تکرارپذیر مورد نیاز برای کنترل وضعیت میکرو و نانوماهواره‌ها را فراهم کنند. این سیستم‌ها شامل میکروپیشرانش گاز سرد،‌ سوخت مایع، سوخت جامد دیجیتالی، جت مقاومتی و الکترواسپری می‍باشند. در مقایسه عملکرد این سیستم‌های میکروپیشرانش مشاهده گردید که میکروپیشرانش سوخت جامد و مایع نسبت به سایر سیستم‌ها،‌ بالاترین نیروی رانش را دارند. همچنین بالاترین تکانة ویژه در میکرورانشگرهای الکترواسپری و کمترین تکانة ویژه در میکروپیشرانش‌های گاز سرد و جت‌ مقاومتی دیده می‌شود. با این حال، سطح بلوغ فناوری در این سامانه‍ها متفاوت است و در طراحی‌های انجام شده با استفاده از فناوری MEMS، چالش‌هایی وجود دارد که هنوز به تحقیقات بیشتر نیاز می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


[1] You, Z., “Space Microsystems and Micro/Nano Satellites,” Butterworth-Heinemann, 2017.

[2] Ketsdever, Andrew D., and Michael M. Micci, eds., Micropropulsion for Small Spacecraft, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2000.

[3] Youngner, D. W. and et. al., “MEMS Mega-Pixel Micro-Thruster Arrays for Small Satellite Stationkeeping,” 14th Annual AIAA. USU Conf. on Small Satellites, Utah State University, 2000.

[4] Rangsten, P., et. al., “MEMS Micropropulsion Components for Small Spacecraft,” 25th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, Utah State University, 2011.

[5] Available: [on line], www.prismasatellites.se.

[6] Nanson, R.A., Navier/Stokes/Direct Simulation Monte Carlo Modeling of Small Cold Gas Thruster Nozzle and Plume Flows, (MSc. Thesis), Worcester Polytechnic Institute, 2002.

[7] Cardin, J. and Acosta, J., “Design and Test of an Economical Cold Gas Propulsion System,” 2000.

[8] Spores, R.A., Masse, R., Kimbrel, S.,GPIM AF-M315E propulsion system,” 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Orlando, FL, 2015.

[9] Miyakawa, N. and et. al., “MEMS-Based Microthruster With Integrated Platinum Thin Film Resistance Temperature Detector (RTD), Heater Meander and Thermal Insulation for Operation up to 1,000° C,” Microsystem technologies, Vol. 18, No. 7-8, 2012, pp. 1077-1087.

[10]Tummala, A.R. and Dutta, A., “An Overview of Cube-Satellite Propulsion Technologiesand Trends. Aerospace,” Aerospace, Vol. 4, No. 4, 2017, pp. 58.

[11]Nicholas, A. and et al., SpinSat Mission Overview,” Naval Research Lab Washington DC, 2013.

[12]Larangot, B. and et. al., Solid propellant micro rockets-towards a new type of power MEMS,” NanoTech, At the Edge of Revolution. 2002, pp. 5756.

[13]Tanaka, S. and et. al., “MEMS-based solid propellant rocket array thruster,” Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 46, No. 151, 2003, pp. 47-51.

[14]Tanaka, S. and et. al., “MEMS-Based Solid Propellant Rocket Array Thruster, “Journal of Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 46, No. 151, 2003, pp. 47-51.

[15]Rudnyi, E. and et. al., “Solid Propellant Microthruster: Theory of Operation and Modelling Strategy,” NanoTech 2002, at the Edge of Revolution, 2002, pp. 5755.

[16]Zondervan, K. and et. al., “CubeSat solid rocket motor propulsion systems providing delta-Vs greater than 500 m/s,” 28th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, Utah State University, 2014.

[17]Silva, M.A. and et. al., Vaporizing Liquid Microthrusters with integrated heatersand temperature measurement,” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 265, 2017, pp. 261-274.

[18]Palmer, K., Nguyen, H., and Thornell, G., “Fabrication and Evaluation of a Free Molecule Micro-Resistojet with Thick Silicon Dioxide Insulation and Suspension,” Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 23, No. 6, 2013, pp. 065006.

[19]Kundu, P., Bhattacharyya, T.K. and Das, S., “Design, Fabrication and Performance Evaluation of a Vaporizing Liquid Microthruster,” Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 22, No. 2, 2012, pp. 025016.

[20]Lee, R., Lilly, T.C., Muntz, E.P., “Free Molecule Micro-Resistojet: Nanosatellite Propulsion,” 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Tucson, Arizona, 2005.

[21]Ahmed, Z., Gimelshein, S.F. and Ketsdever, A.D., “Numerical Analysis of Free-Molecule Microresistojet Performance,” Journal of Propulsion and Power, Vol. 22, No. 4, 2006, pp. 749-756.

[22]Pranajaya, F. and Cappelli, M., “Development of a Colloid Micro-Thruster for Flight Demonstration on the Emerald Nanosatellite,” 37th Joint Propulsion Conference and Exhibit, American Institute of Aeronautics & Astronautics, 2001.

[23]Dandavino, S. and et. al., “Design and Fabrication of the Thruster Heads for the MicroThrust MEMS Electrospray Propulsion System,” 33rd International Electric Propulstion Conference, 2013.

[24]Krejci, D. and et. al., “Design and Characterization of a Scalable ion Electrospray Propulsion System,” 30th International Symposium on Space Technology and Science, 34th International Electric Propulsion Conference and 6th Nano-satellite Symposium Hyogo-Kobe, Japan, 2015.

[25]Krejci, D., et. al., “Emission Characteristics of Passively Fed Electrospray Microthrusters with Propellant Reservoirs,” Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 54, No. 2, 2017, pp. 447-458.

[26]Luu, K., et al., “University Nanosatellite Distributed Satelllite Capabilities to Support TechSat 21,” 13th AIAA/USU Conference on Small Satellites, Utah State University, 1999.

[27]Carroll, D. and et. al. “Propulsion Unit for CubeSats (PUC),” Proceedings of the 62nd JANNAF Propulsion Meeting (7th Spacecraft Propulsion), Nashville, TN, USA., 2015.

[28]Frost, C. and Agasid, E., “Small Spacecraft Technology State of the Art,” NASA Technical Report TP-2014-216648/REV1, NASA Ames Research Center, 2014.

[29]Silva, M.A., Guerrieri, C., Cervone, A. and Gill, E., “A Review of MEMS Micropropulsion Technologies for CubeSats and PocketQubes,” Acta Astronautica, Elsevier, Vol. 143, 2017, pp. 234-243.

[30]Holman, T.D. and Osborn, M., “Numerical Optimization of Micro-Nozzle Geometries for Low Reynolds Number Resistojets,” 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Orlando, FL, 2015.