Transición de la propulsión espacial a nitrosa

El éxito futuro de la cadena de suministro de la industria espacial depende de la estandarización de todos los aspectos de una misión espacial, desde la seguridad humana hasta el oxidante utilizado con el combustible. Esta pieza colectiva profundiza en cómo el óxido nitroso es la opción óptima con aportaciones de:

Hace unas semanas, por primera vez, la Fuerza Espacial de EE. UU. solicitó 60 millones de dólares durante los próximos dos años para su programa espacial tácticamente receptivo.

A medida que el espacio tácticamente receptivo siga ganando impulso como prioridad de financiación, la tecnología de propulsión tendrá que ponerse al día. Los satélites tendrán que estar listos para su lanzamiento con un plazo de 24 horas de antelación, lo que significa que la carga de propulsor del satélite debe realizarse sin problemas.

El gobierno de EE. UU. se está poniendo serio después de años de cabildeo por parte de pequeñas empresas de lanzamiento de satélites, pero la ejecución exitosa del programa de lanzamiento total requerirá más que una línea presupuestaria: requerirá el proceso de propulsión de satélites más eficiente posible, que incluya:

Sí, como en Rápidos y Furiosos. Los sistemas basados ​​en nitroso son la categoría de propulsión ecológica de más rápido crecimiento en el mercado espacial comercial. Adecuados para todo tipo de misiones, desde LEO hasta el espacio profundo, los sistemas basados ​​en nitroso son escalables en muchas clases de empuje. Organizaciones gubernamentales como la Comisión Europea, la ESA, el DLR y la Agencia Espacial de Nueva Zelanda ya están invirtiendo en proyectos nitrosos.

"Siempre he sentido que para que las futuras naves espaciales sean verdaderamente de bajo costo, la industria necesitaría alejarse de los propulsores tóxicos como la hidracina y, en su lugar, optimizar los bipropulsores que priorizan la seguridad pero que aún tienen un buen rendimiento", dijo Tom Mueller, el jefe Director ejecutivo de Impulse Space. "Por eso, cuando comencé Impulse, sabía que usaríamos nitroso como oxidante para el desarrollo de nuestros motores".

Una cadena de suministro nacional resiliente: La cadena de suministro de propulsión estadounidense no está asegurada. Estados Unidos depende en gran medida del xenón y el criptón de alta pureza, que se fabrican principalmente en Rusia, China y Ucrania, como se destaca en un artículo reciente del director tecnológico de la Fase Cuatro, Umair Siddiqui. Tampoco hay producción nacional de hidracina, el propulsor elegido por defecto en Estados Unidos, y la mayor parte de la producción se produce en China.

“Para los satélites con cargas útiles significativas que tienen importantes requisitos de propulsión medidos por delta-v grande, el xenón satisface una necesidad, pero los precios son altos y los plazos de entrega son largos. Los costos que alcanzan millones de dólares y la disponibilidad incierta pueden alterar los presupuestos y los cronogramas”, dijo Eric Anderson, presidente de And One Technologies. "Con los costos del óxido nitroso medidos en miles de dólares por satélite, los propietarios de la misión pueden concentrar fondos y esfuerzos en áreas distintas al propulsor".

Con el apoyo de otras grandes industrias como la médica, el óxido nitroso de grado industrial tiene una gran oferta, se produce en Estados Unidos y está disponible a dólares el litro. Según ChemView, hay al menos siete instalaciones de N2O en Estados Unidos que producen entre 50 y 100 millones de libras por año. Dato curioso: las instalaciones de producción de Air Liquide en Washington, Pensilvania, están ubicadas en 1 Nitrous Lane.

Almacenamiento de propulsor: El N2O es un compuesto químico puro. No se desmezcla, no se descompone, no se sale de la solución ni cristaliza. No se degrada de ninguna manera y, por lo tanto, en teoría es infinitamente almacenable. Los tanques se transportan directamente al lugar de lanzamiento o a las instalaciones de integración mediante camiones del proveedor de gas industrial. Se almacena en cilindros de gas de grado industrial dentro de un área ventilada. Cualquiera que pueda manejar un soplete de soldadura puede manejar este tipo de cilindros.

"Comenzamos a construir sistemas basados ​​en nitroso, ya que es un propulsor de alto rendimiento pero seguro que podemos conseguir", dijo Stefan Powell, director ejecutivo de Dawn Aerospace. "Resulta que a los constructores de satélites comerciales les encanta por las mismas razones".

Operaciones de carga convenientes: La carga de propulsor de un OTV a base de nitroso que voló en una misión Transporter se realizó en la instalación de procesamiento de carga útil de SpaceX en la bahía este de la sala limpia de la asamblea general. El operador terrestre que cargó cada propulsor en el vehículo de transferencia orbital (OTV) tardó aproximadamente dos horas cada uno, es decir, cuatro horas en total. El EPP requerido durante el proceso fueron gafas de seguridad y protección auditiva; no se requirieron trajes SCAPE. La única restricción en ese momento era que la carga de propulsor debía realizarse por la noche, cuando había menos gente alrededor.

El personal de seguridad del campo de tiro de la Guayana Francesa para el viaje compartido de Vega adoptó el mismo enfoque. Se permitió que la carga de propulsor se realizara durante las horas del día. Se instalaron mamparas de seguridad; sin embargo, otros integradores de carga útil podrían continuar con sus actividades habituales dentro de las mismas instalaciones.

Al mercado comercial le encanta. Los sistemas basados ​​en nitroso son la categoría de propulsión ecológica de más rápido crecimiento. Hay más de 50 propulsores en órbita que alimentan 12 satélites que utilizan bipropulsor nitroso, y cientos más encargados a empresas comerciales y agencias espaciales.

Los anuncios públicos de empresas que utilizan sistemas a base de nitroso incluyen:

Satélites con sistemas de propulsión construidos por Dawn Aerospace (no exhaustivo):

Apto para viajes compartidos: Los sistemas de propulsión basados ​​en nitroso han volado en todas las misiones SpaceX Transporter, viajes compartidos Starlink y viajes compartidos Vega de Arianespace. Está previsto que vuelen en Terran R. Si hay una fuga, los propulsores con alta presión de vapor, como el nitroso, se vaporizan y dispersan de forma natural, por lo que es poco probable que dañen a cualquier satélite o persona a su alrededor siempre que la bahía o la cápsula estén ventiladas. , que suele ser. Esto es lo opuesto a los propulsores de baja presión de vapor como HTP y ASCENT.

Alta producción y plazos de entrega amigables: Estos sistemas están diseñados para altas tasas de producción con menor riesgo en la cadena de suministro. La impresión 3D permite diseños complejos y refrigeración regenerativa para propulsores, lo que permite el uso de metales comunes como el Inconel. Los metales exóticos como el niobio ya no son necesarios para soportar altas temperaturas, lo que a su vez conduce a mayores tasas de producción, más proveedores, menores costos y menores riesgos. Los sistemas a base de nitrógeno evitan los lechos de catalizador utilizados en los propulsores tradicionales, como el catalizador Shell 405, cuya obtención puede tardar más de 12 meses. Dawn ya suministra sistemas basados ​​en N2O a clientes comerciales en un plazo de cuatro a seis meses desde el primer pedido.

"Nuestro plan es aumentar hasta construir 200 satélites por mes y llegar a 5.000 satélites en dos años", dijo Charles Miller, director ejecutivo de Lynk.

Presión de almacenamiento -> Impresión 3D: Las presiones de almacenamiento son relativamente bajas en comparación con otros tipos de propulsores, lo que significa que se pueden crear diseños únicos para cumplir cómodamente con los requisitos de los recipientes a presión del lanzador. Esto los hace muy adecuados para técnicas de fabricación rápida como la fabricación aditiva, lo que reduce drásticamente los plazos de entrega para satisfacer los requisitos personalizados. La impresión 3D permite diseños de tanques personalizados, incluidos diseños cilíndricos, esféricos y toroidales.

¿Pero no es peligroso? : Nitrous recibió escrutinio en 2007 debido a un accidente de Virgin Galactic y Scaled Composites. Aunque nunca se informó la causa exacta, el plan de mejora en el informe del equipo de investigación de accidentes de Cal OSHA incluía:

El óxido nitroso es un propulsor y todos los propulsores deben tratarse con respeto. Eso significa una capacitación adecuada y saber cómo trabajar con él en un ambiente seguro, limpio y bien ventilado y utilizando únicamente materiales cuya compatibilidad esté científicamente probada, no epoxis que podrían descomponerse en el oxidante para crear una solución premezclada. Existe una larga trayectoria de empresas e institutos que trabajan y utilizan correctamente el N2O, lo que demuestra su seguridad.

Escalabilidad extrema: Los propulsores a base de nitrógeno ya varían entre 0,25 lbf (1 N) y 240 lbf (1068 N) en su clase de empuje. Es un propulsor muy flexible que se puede utilizar para una variedad de programas, incluidos CubeSats, grandes etapas de transferencia interplanetaria, módulos de aterrizaje en Marte y estaciones espaciales.

Encuentro y atraque: Quitar los lechos de catalizador y pasar a sistemas de encendido basados ​​en chispas conduce a miles de operaciones de arranque en frío, en estado estable y de pulsos diminutos. Los propulsores pueden operar tanto en modo bipropulsor como en modo de gas frío, independientemente uno del otro o al unísono, exclusivo para operaciones de encuentro y proximidad.

Reabastecimiento de combustible y medición de propulsor simples en órbita: Los sistemas de propulsión a base de óxido nitroso utilizan gases licuados almacenados en condiciones de saturación en equilibrio líquido-vapor a temperaturas operativas típicas de 14 a 95 °F. La transferencia de propulsor desde un depósito de servicio a una nave espacial cliente se puede lograr mediante control térmico, calentando los tanques del depósito de servicio para crear un diferencial de presión, que transfiere el propulsor de un tanque a otro. Una vez que se completa la transferencia, el propulsor dentro de los tanques cliente y de servicio se puede calentar de forma independiente hasta el punto en que cada propulsor alcance un estado supercrítico. Luego se puede medir la presión, que se correlacionará con la cantidad esperada de masa de propulsor en un tanque.

No intentes combatir el frío; úsalo a tu favor: Los entornos más fríos del espacio profundo son mejores para el almacenamiento a largo plazo de N2O, que tiene un punto de congelación de -130°F (-90°C). No requiere energía constante del calentador, por lo que los sistemas se pueden apagar y sobrevivirá, a diferencia de la hidracina, el agua y el HTP, que tienen altos puntos de congelación.

Un propulsor de doble propósito para orbitar viviendas humanas: "Aún no hemos hecho públicos los detalles de nuestra estación espacial, pero no es ningún secreto que tenemos un gran equipo basado en nitroso dentro de Vast a través de la adquisición de Launcher", dijo Max Haot, presidente de Vast. "Mientras trabajamos para expandir la humanidad por todo el sistema solar, sería inteligente tener un propulsor de doble propósito que también pueda usarse para cirugía y odontología, o destilarse en aire respirable".

Puedes hacerlo en Marte: Aunque es más difícil de producir que el oxígeno líquido y el metano, puedes almacenarlo durante muchos años. De hecho, Impulse Space utilizará óxido nitroso como propulsor de la primera misión comercial que aterrizará en Marte, en colaboración con Relativity.

Fiabilidad de larga duración: En conjunto, se han realizado decenas de miles de reinicios de propulsores sin que se haya medido ninguna degradación en el rendimiento del arranque. A diferencia de los propulsores basados ​​en catalizadores, es probable que casi no haya límite en el rendimiento total. Junto con el reabastecimiento de combustible en órbita, este es el futuro del transporte espacial que nos permitirá trascender la tiranía de la ecuación del cohete de Tsiolkovsky.

Para obtener más información sobre las empresas que lideran el esfuerzo nitroso, siga leyendo:

Dawn Aeroespacial: www.dawnaerospace.com/green-propulsion

Espacio Impulso: www.impulsespace.com

Vasto: www.vastspace.com