Plasmapulssimoottori

Plasmapulssimoottori (, lyh. PPT) on avaruusalusten sähköpropulsiotekniikka, jossa nopeasti purkautuva rajallinen sähkövarasto, kuten kondensaattori, synnyttää ajoaineplasman läpäisevän valokaaren, jossa vaikuttava itseinduktioilmiö saa plasman kiihtymään ulos moottorista sähkömagneettisen Lorentzin voiman vaikutuksesta.

Moottori toimii nimensä mukaisesti pulsseittain, mutta pulssitiheys on tyypillisesti hyvin korkea, minkä seurauksena moottorin työntövoima vaikuttaa tasaisen jatkuvalta. Moottorityyppi kykenee pitkiin ja hitaisiin kiihdytyksiin, joilla voidaan saavuttaa suuria kemiallisia raketteja vastaavia liikemääriä huomattavasti pienemmällä ajoaineen kulutuksella. Plasmapulssimoottorit kuuluvat sähköpropulsion kolmesta päähaarasta sähkömagneettiseen propulsiohaaraan.

Muiden sähköpropulsiotekniikoiden tapaan plasmapulssimoottorien tuottama työntövoima on varsin heikkoa. Ne kykenevät kuitenkin kiihdyttämään ajoaineensa erittäin suuriin nopeuksiin, minkä seurauksena sen käytön hyötysuhdetta mittaava ominaisimpulssi voi moottorityypin osalta olla suhteellisen korkea 800–1 200 sekuntia. Luku on huomattavasti parempi verrattuna esimerkiksi kemiallisten rakettien alle 500 sekuntiin, joskin jää sähköpropulsiomenetelmien keskuudessa häntäpäähän.

Plasmapulssimoottorit ovat rakenteellisesti pienempikokoisia, keveämpiä ja rakenteellisesti kestäviä muihin sähköpropulsiotekniikoihin verrattuna. Moottorityyppi on tosin rakenteellisesta yksinkertaisuudestaan huolimatta yksi monimutkaisimpia mallintaa sen taustalla olevien fysiikan perusperiaatteiden osalta, mikä on johtanut suureen määrään heikkohyötysuhteisia (tuotetun työntövoiman hyötysuhde alle 20 %) PPT-malleja. Tästä huolimatta moottorityyppi on yksi selvitetyimmistä propulsiotekniikoista piensatelliittien osalta sen matalan tehonkulutuksen, luotettavuuden, keveyden ja kohtuullisen ominaisimpulssin seurauksena.

Rakenne ja toimintaperiaate 

Plasmapulssimoottorin pääosat ovat anodi- ja katodikisko, ajoainetanko, ajoaineen syöttöjousi ja sytytystulppa. Moottorin elektroniikkapuolen muodostaa tehonsyöttöyksikkö, joka varaa kiskojen rinnalle kytketyn korkeajännitekapasitorin. Tehonsyöttöyksikkö ottaa virtansa satelliitin virransyöttöväylästä.

Työkierto 
Plasmapulssimoottorin plasmantuoton työkierto koostuu neljästä päävaiheesta:
 Purkauksenkäynnistäjä saa aikaan ensimmäinen läpilyönnin
 Yhdellä elektrodeista käynnistyy ensimmäinen plasmasuihku. Purkauksessa syntyvä plasma taipuu huomattavasti purkauksen aikana vaikuttavan voimakkaan kiloampeeriluokan sähkövirran aikaansaaman magneettikentän seurauksena.
 Toinen, useista yhdistyneistä plasmasuihkuista koostuva purkaus käynnistyy vastaelektrodilla ensimmäisen purkauksen hiivuttua. Purkaus on edelliseen nähden huomattavasti vahvempi, ja tuottaa pääosan yhdessä työkierrossa syntyvästä plasmasta. Elektrodin vaihtuminen on seurausta kondensaattorin työkierron aikana kääntyvästä polariteetista.

Ajoaine 
Aiemmin työntövoiman ajateltiin tulevan pelkästä ajoaineesta, mutta tuoreemman 2010-luvun alun tutkimustiedon valossa

Vaikka Teflon ei itsessään tuota 2010-luvun alun tutkimustiedon valossa merkittävää osaa moottorin työntövoimasta, on sen läsnäololla moottorin työntövoimaa nostava vaikutus. Teflonin on arvioitu tarjoavan matalaresistanssisen väylän sähköpurkauksen alkamiselle, ja näin katalysoivan varsinaisen elektrodien kulumisesta syntyvän ajoaineplasman muodostumista.

Historia

Varhaisista visioista kylmään sotaan 
Rakettitekniikan alkuisät Konstantin Tsiolkovski ja Robert Goddard loivat toisistaan tietämättä varhaisimmat visiot avaruusalusten sähköpropulsiosta ja ionimoottoreista. Goddard tutki sähköpropulsiota harvakseltaan vuodesta 1906 aina vuoteen 1917, jolloin hän hankki patentin ”metodille tuottaa sähköistettyjä kaasusuihkuja” (engl. ”Method of and Means for Producing Electrified Jets of Gas”). Nämä varhaiset ideat eivät kuitenkaan edenneet sen pidemmälle. Ensimmäinen avaruuslentokelpoinen sähköpropulsiolaite oli Antropovin ja Khabrovin Zond 2 -luotaimeen vuosina 1962–1964 kehittämä plasmapulssimoottori. Luotain laukaistiin onnistuneesti Baikonurista marraskuussa 1964, mutta toisen aurinkopaneelin avaaminen ei alkuun onnistunut sitä liikuttavan narun katkettua. Paneeli saatiin lopulta kuitenkin avattua ravistamalla satelliittia sen plasmapulssimoottorilla. Ongelmat eivät kuitenkaan loppuneet tähän, sillä luotaimen signaali alkoi vähitellen heiketä ja katosi lopulta kokonaan. Vikaantumisen taustalla olleet syyt jäivät epäselviksi.

Plasmapulssimoottorien kehitys oli 1960-luvun alulla Neuvostoliiton ohella käynnissä Yhdysvalloissa, missä niiden parissa työskentelivät Fairchild Republic ja Massachusettsin teknillisen korkeakoulun Lincoln-laboratorio. Ensimmäinen yhdysvaltalainen plasmapulssimoottori laukaistiin LES-6-satelliitin kyydissä syyskuussa 1968, ja sitä käytettiin satelliitin asennonsäätöön vuosikymmenen ajan. Sarjan myöhemmissä, vuonna 1976 laukaistuissa LES-8- ja LES-9-satelliiteissa oli tarkoitus kokeilla pulssiplasmamoottoreita asemanpitotehtävissä, mutta liki valmiiksi kehitetty sähköpropulsiojärjestelmä korvattiin lopulta yksinkertaisemmalla kylmäkaasumoottorilla. Plasmapulssimoottorien käyttökohteena LES-sarjaa seurasi Yhdysvalloissa vuonna 1974 laukaistu SMS-sääsatelliitti, jossa moottorityyppiä käytettiin pyörimisakselin prekession hallintaan.

Plasmapulssimoottoreita käyttivät myös Yhdysvaltain laivaston Transit-satelliittinavigaatiojärjestelmän parantamiseksi vuosina 1975–1976 laukaistut Triad-2- ja Triad-3-prototyyppisatelliitit (TIP II ja TIP III), sekä myöhemmät vuosina 1981–1988 laukaistut tuotantosarjan Nova-navigaatiosatelliitit. TIP-ohjelman satelliiteissa käytettiin kahta redundanttia plasmapulssimoottoria kiertoradalla esiintyvän heikon ilmanvastuksen vaikutuksen kumoamiseen. Moottoreissa oli yksi kilogramma teflon-ajoainetta, joka riitti Triad-satelliiteissa 10 vuoden operointiin. Myöhemmillä Nova-satelliiteilla oli 8–9 vuoden käyttöikä. Triad- ja Nova-satelliittien plasmapulssimoottoreita käytettiin yhteensä noin 50 miljoonaan pulssiin ohjelman 20 vuoden keston aikana. Moottorien kyky korjata jopa 10-11 g:n ratahäiriöitä teki satelliittien efemerideistä varsin tarkat, ja mahdollisti niihin perustuneen varsin tarkan paikannuksen.

Uuden vuosituhannen sovellukset 
Moottorikehityksen suuntaus muuttui 2000-luvulle tultaessa. Uudet satelliitit siirtyivät käyttämään kolmiakselivakautusta aiemman spin-stabiloinnin sijasta. 2000-vuosikymmenen hankkeet kärsivät tosin useista epäonnistumisista, ja monista kehitetyistä plasmapulssimoottoreista vain kaksi laukaistiin onnistuneesti. Näistä ensimmäinen oli osana Nasan New Millennium -ohjelmaa laukaistu EO-1-kaukokartoitussatelliitti, jonka plasmapulssimoottori oli jatkokehitelmä varhaisemmista LES-, TIP/Nova- ja SMS-satelliiteissa käytetyistä moottoreista. Plasmapulssimoottoria käytettiin satelliitin poikkiakselin suuntaiseen asennonsäätöön.

EO-1:n moottori arvioitiin alkuun korkean riskin hyötykuormaksi, jolla voisi olla haittavaikutuksia myös satelliitin muihin järjestelmiin. Alkuolettama osoittautui kuitenkin vääräksi, kun moottori toimi ongelmitta 26 tuntia ja 96 000 yksittäistä pulssia käsittäneissä koekäytöissä, jotka osoittivat myös, ettei sillä ollut merkittäviä haittavaikutuksia satelliitin muihin järjestelmiin. Laukaisun jälkiset koekäytöt osoittivat moottorin kykenevän reaktiopyöriin verrattuna yhtä tarkkaan asennonsäätöön, vaikka plasmapulssimoottorin tuottama vääntömomentti oli näihin verrattuna huomattavasti matalampi. Mission alkupuolen kokeilujen jälkeen EO-1:n plasmapulssimoottori on pidetty pois päältä. Moottoria oli kuitenkin tarkoitus koekäyttää vielä satelliitin elinkaaren loppupuolella vuosien 2012–2014 välillä, jolloin sillä tehtäisiin korkeamman riskin koekäyttöjä.

Neuvostoliiton romahtamisen jälkeen vuonna 1996 Princetonin yliopiston sähköpropulsio- ja plasmadynamiikkalaboratorio (lyh. EPPDyL, engl. Electric Propulsion and Plasma Dynamics Lab) käynnisti yhteisen kehityshankkeen COMPASS P3OINT -avaruusmission toteuttamisesta Venäjän tiedeakatemian 
maapallon magneettikentän, ionosfäärin ja radioaaltojen etenemisen tutkimusinstituutin (lyh. IZMIRAN) kanssa. Venäläiset olivat kiinnostuneita käyttämään Kompas-satelliitissa yhdysvaltalaisia LES-8- ja -9-satelliitteja varten kehitettyä plasmapulssimoottoria, jota ei ollut lopulta laukaistu kyseisten satelliittien hyötykuormana. Tutkimuslaitosten yhteistyön lopulliset tulokset olivat 2010-luvun alun tiedon valossa epäselvät, eikä ole varmaa, päätyikö yhdysvaltalaissuunnitteinen propulsioyksikkö koskaan Kompasin kyytiin. Satelliitti laukaistiin Baikonurin alusta 45:ltä joulukuussa 2001, mutta se lopetti toimintansa varsin pian laukaisun jälkeen, eikä ehtinyt tuottaa minkäänlaista käyttökelpoista dataa.

Kompas-ohjelma jatkui Venäjällä ensimmäisen satelliitin epäonnistumisesta huolimatta. Ohjelman toinen satelliitti, Kompas-2 oli varustettu Venäjällä valmistetulla teflon-ajoainetta käyttäneellä plasmapulssimoottorilla. Satelliitti laukaistiin toukokuussa 2006 muunnetun Štil-SLBM-ohjuksen kyydissä K-84-sukellusveneestä Barentsinmerellä. 86-kilogrammaisen satelliitin oli tarkoitus tutkia maanjäristyksiä ja niihin liittyviä ilmiöitä, mutta senkään käyttöönotto ei sujunut ongelmitta. Satelliitin tila oli laukaisun jälkeen epäselvä, eikä ollut varmuutta, oliko se hallitsemattomassa pyörimisliikkeessä ja olivatko sen aurinkopaneelit avautuneet. Liian vähäisten tehovarantojen takia IZMIRAN ilmoitti tieteellisten hyötykuormien käytön olevan mahdotonta, mikä käytännössä kuoletti koko satelliitin. Tilanne muuttui kuitenkin marraskuussa 2006, kun Kompas-2 onnistuttiin herättämään uudelleen henkiin ja saatiin vihdoin käyttöön.

Mikro- ja nanosatelliittien propulsioksi 
Pienikokoiset- ja massaiset mikro- ja nanosatelliitit alkoivat voimakkaasti yleistyä 2000-luvulle tultaessa muun muassa CubeSat-standardin määrittelyn myötä. Propulsioyksiköt olivat piensatelliiteissa varsin harvinainen alijärjestelmä, sillä niiden saatavuus on ollut pienissä kokoluokissa varsin heikkoa. Plasmapulssimoottori on ollut yksi varteenotettavimpana pidetty piensatelliittien propulsiomuoto, sillä se on muihin propulsiotekniikoihin nähden varsin yksinkertainen, keveämpi ja suhteellisen halpa toteuttaa. Varhaisia piensatelliittikokoluokan hankkeita ovat olleet muun muassa 2000- ja 2010-luvun vaihteen tienoilla kehitetyt Yhdysvaltain ilmavoimien akatemian FalconSAT-3:n yPPT-moottori, ION-F-satelliittiperheen Dawgstar-satelliitin moottori ja Surreyn yliopiston avaruuskeskuksen ja Surrey Satellite Technologyn yhteishankkeena kehitetyn STRaND-1-satelliitin propulsiomoduuli.

Dawgstar-satelliitti oli yksi kolmesta Yhdysvaltain ilmavoimien tutkimuslaboratorion (AFRL) ION-F-satelliittimissioon kaavaillusta satelliitista. ION-F-hankkeen tavoitteena oli osoittaa plasmapulssimoottorien käyttökelpoisuus kolmen satelliitin muodostaman konstellaation muodostelmalennossa, asemanpidossa ja kiertoradan hallinnassa. Dawgstarin plasmapulssimoottori kehitettiin Primex Aerospace ja Washingtonin yliopiston yhteishankkeena. ION-F-hankkeen oli tarkoitus valmistella myöhempää TechSat-21-hanketta, mutta molemmat jäivät lopulta toteutumatta. ION-F oli ollut tarkoitus laukaista avaruussukkulan kyydissä, mutta laukaisu lykkääntyi Columbia-sukkulan tuhouduttua vuonna 2003 lennolla STS-107 ja peruttiin lopullisesti jonkin aikaa myöhemmin.

AFRL kehitti myös omaa μPPT:nä tunnettua pienkokoluokan plasmapulssimoottoria vuodesta 2001 alkaen. Moottorin pieni koko mahdollisti sähköpurkauksen käynnistymisen koaksiaalirakenteisten elektrodien välillä olleessa PTFE-ajoaineessa ilman ulkoista purkauksenkäynnistäjää (engl. discharge initiator). Moottoria oli alun perin tarkoitus käyttää TechSat-21:ssä, mutta hanke peruuntui vuonna 2003. μPPT:n kehitystä jatkettiin tästä huolimatta yhteistyössä Busekin kanssa, ja projektin tuloksena syntyi Micro Propulsion Attitude Control System (MPACS) -nimellä tunnettu propulsioyksikkö. Satelliitin vakautukseen käytettiin painovoimagradianttimenetelmää, mutta sen gradienttipuomin aukeaminen tapahtui suunniteltua aiemmin ja satelliitti joutui epävakaaseen tilaan vuosien ajaksi.

Lähteet 

Micropropulsion Research at AFRL

Viitteet

Aiheesta muualla 

Avaruustekniikka