MIT havacılık mühendisleri, ayın doğal yükünden yararlanarak havada uçan bir gezici konsepti test ediyorlar. Bu resim, rover’ın bir konsept görüntüsünü göstermektedir. Kredi: Araştırmacıların izniyle
Havalanan bir araç bir gün ayı, asteroitleri ve diğer havasız gezegen yüzeylerini keşfedebilir.
şirketinde havacılık mühendisleri MİT Ay’ın doğal yükünden yararlanarak havada uçan bir gezici için yeni bir konsepti test ediyorlar.
Bir atmosfere sahip olmadıkları için, ay ve asteroitler gibi diğer havasız cisimler, güneşe ve çevresine doğrudan maruz kalarak bir elektrik alanı oluşturabilir. plazma. Ay’da, bu yüzey yükü, tozu yerden 1 metreden fazla havaya kaldıracak kadar güçlüdür, statik elektriğin bir kişinin saçının uçmasına neden olabilmesi gibi.
Mühendisler NASA ve başka yerlerde yakın zamanda bu doğal yüzey yükünü, havasız cisimlerdeki yüzeylerle doğal olarak aynı yükü tutan bir malzeme olan Mylar’dan yapılmış kanatlı bir planörü havaya kaldırmak için kullanmayı önerdiler. Benzer şekilde yüklü yüzeylerin, planörü yerden kaldıran bir kuvvetle birbirini itmesi gerektiğini düşündüler. Ancak böyle bir tasarım, daha büyük gezegen gövdelerinin daha güçlü, karşı yerçekimi kuvvetine sahip olacağından, muhtemelen küçük asteroitler ile sınırlı olacaktır.
MIT ekibinin havada uçan gezicisi potansiyel olarak bu boyut sınırlamasını aşabilir. Retro tarzı, disk şeklindeki bir uçan daireyi andıran konsept, hem aracı şarj etmek hem de yüzeyin doğal yükünü artırmak için küçük iyon ışınları kullanıyor. Genel etki, araç ile zemin arasında çok az güç gerektiren bir şekilde nispeten büyük bir itme kuvveti oluşturmak üzere tasarlanmıştır. İlk fizibilite çalışmasında, araştırmacılar böyle bir iyon artışının ayda 2 kiloluk küçük bir aracı ve Psyche gibi büyük asteroitleri havaya kaldıracak kadar güçlü olması gerektiğini gösteriyor.
Bu görüntü, test kurulumunun şemasını gösterir. Tasarım, aracı ve altındaki yüzeyi çok az güç gerektirerek şarj etmek için küçük iyon ışınları kullanır. Böyle bir iyon artışı, ayda 2 kiloluk bir aracı ve büyük asteroitleri havaya kaldıracak kadar güçlü olabilir. Kredi: Araştırmacıların izniyle
MIT Havacılık ve Uzay Bilimleri Bölümü’nde yüksek lisans öğrencisi olan baş yazar Oliver Jia-Richards, “Bunu, Japon uzay ajansı tarafından başlatılan Hayabusa misyonları gibi kullanmayı düşünüyoruz” diyor. “Bu uzay aracı, küçük bir asteroidin etrafında hareket etti ve yüzeyine küçük geziciler yerleştirdi. Benzer şekilde, gelecekteki bir görevin, ayın ve diğer asteroitlerin yüzeyini keşfetmek için küçük gezici araçlar gönderebileceğini düşünüyoruz.”
Takımın sonuçları, derginin şu anki sayısında yer almaktadır. Uzay Aracı ve Roketler Dergisi. Jia-Richards’ın ortak yazarları, M. Alemán-Velasco Havacılık ve Uzay Bilimleri Profesörü ve MIT’nin Uzay Tahrik Laboratuvarı yöneticisi Paulo Lozano; ve eski misafir öğrenci Sebastian Hampl, şimdi McGill Üniversitesi’nde.
iyonik kuvvet
Ekibin havada asılı kalan tasarımı, iyonik-sıvı iyon kaynakları adı verilen minyatür iyon iticilerinin kullanımına dayanıyor. Bu küçük, mikrofabrike nozullar, oda sıcaklığında erimiş tuz formunda iyonik sıvı içeren bir hazneye bağlanır. Bir voltaj uygulandığında, sıvının iyonları, belirli bir kuvvetle nozullardan bir ışın olarak yüklenir ve yayılır.
Lozano’nun ekibi iyonik iticilerin geliştirilmesine öncülük etti ve bunları esas olarak uzayda küçük uyduları hareket ettirmek ve fiziksel olarak manevra yapmak için kullandı. Son zamanlarda Lozano, ayın yüklü yüzeyinin ay tozu üzerindeki havaya kaldırma etkisini gösteren araştırmalar görmüştü. Ayrıca NASA’nın elektrostatik planör tasarımını düşündü ve merak etti: İyon iticilerle donatılmış bir gezici, ayın ve daha büyük asteroitlerin üzerinde gezinmek için yeterli itici, elektrostatik kuvvet üretebilir mi?
Ekip, fikri test etmek için başlangıçta aracı tek başına şarj eden iyon iticilere sahip disk şeklinde küçük bir gezici modelledi. İticileri araçtan negatif yüklü iyonları ışınlayacak şekilde modellediler, bu da araca ayın pozitif yüklü yüzeyine benzer şekilde etkin bir şekilde pozitif bir yük verdi. Ancak bunun aracı yerden kaldırmaya yetmediğini gördüler.
“Sonra düşündük ki, doğal yükünü tamamlamak için kendi yükümüzü yüzeye aktarırsak ne olur?” Jia-Richards diyor.
Ekip, zemine ek iticileri işaret ederek ve yüzeyin yükünü artırmak için pozitif iyonları ışınlayarak, desteğin geziciye karşı, onu yerden kaldırmaya yetecek kadar daha büyük bir kuvvet üretebileceğini düşündü. Senaryo için basit bir matematiksel model çizdiler ve prensipte işe yarayabileceğini buldular.
Ekip, bu basit modele dayanarak, yaklaşık iki kilo ağırlığındaki küçük bir gezicinin, 10 kilovoltluk bir iyon kaynağı kullanarak Psyche gibi büyük bir asteroit üzerinde yerden yaklaşık bir santimetre havaya yükselmeyi başarabileceğini tahmin etti. Ay’da benzer bir kalkış elde etmek için aynı gezicinin 50 kilovoltluk bir kaynağa ihtiyacı olacak.
Lozano, “Bu tür iyonik tasarım, çok fazla voltaj üretmek için çok az güç kullanır,” diye açıklıyor. “Gereken güç o kadar küçük ki, bunu neredeyse bedavaya yapabilirsiniz.”
süspansiyon halinde
Modelin uzayda gerçek bir ortamda neler olabileceğini temsil ettiğinden emin olmak için Lozano’nun laboratuvarında basit bir senaryo yürüttüler. Araştırmacılar, yaklaşık 60 gram ağırlığında ve bir kişinin avucunun boyutunu ölçen küçük bir altıgen test aracı ürettiler. Bir iyon iticisini yukarı, dördünü aşağı bakacak şekilde yerleştirdiler ve ardından aracı, Dünya’nın yerçekimi kuvvetine karşı koymak için kalibre edilmiş iki yaydan oluşan bir alüminyum yüzey üzerinde askıya aldılar. Tüm kurulum, ayın ve asteroitlerin havasız ortamını simüle etmek için bir vakum odasına yerleştirildi.
Araştırmacılar ayrıca deneyin yaylarından bir tungsten çubuğu askıya aldı ve iticilerin her ateşlendiğinde ne kadar güç ürettiğini ölçmek için yer değiştirmesini kullandılar. İticilere çeşitli voltajlar uyguladılar ve sonuçta ortaya çıkan kuvvetleri ölçtüler ve daha sonra aracın tek başına havaya kaldırabileceği yüksekliği hesaplamak için kullandılar. Bu deneysel sonuçların, kendi modellerindeki aynı senaryonun tahminleriyle eşleştiğini buldular ve bu da onlara, Psyche ve ay üzerinde bir gezici üzerinde gezinme tahminlerinin gerçekçi olduğu konusunda güven verdi.
Mevcut model, 2 kiloluk bir araç için yerden yaklaşık 1 santimetre yükseklikte olan havaya yükselmeye ulaşmak için gereken koşulları tahmin etmek için tasarlandı. İyon iticiler, bir aracı yerden daha yükseğe kaldırmak için daha büyük voltajla daha fazla güç üretebilir. Ancak Jia-Richards, yayılan iyonların daha yüksek irtifalarda nasıl davranacağını hesaba katmadığı için modelin revize edilmesi gerektiğini söylüyor.
“Prensipte, daha iyi modelleme ile çok daha yüksek seviyelere yükselebiliriz” diyor.
Bu durumda Lozano, aya ve asteroitlere yapılacak gelecekteki misyonların, bilinmeyen, engebeli arazide güvenli bir şekilde gezinmek ve manevra yapmak için iyon iticileri kullanan gezicileri yerleştirebileceğini söylüyor.
Lozano, “Yükselen bir gezici ile tekerlekler veya hareketli parçalar hakkında endişelenmenize gerek yok” diyor. “Bir asteroidin arazisi tamamen engebeli olabilir ve gezicinizi havada tutmak için kontrollü bir mekanizmanız olduğu sürece, o zaman asteroidi fiziksel olarak atlatmak zorunda kalmadan çok engebeli, keşfedilmemiş arazilerin üzerinden geçebilirsiniz.”
Kaynak: Oliver Jia-Richards, Sebastian K. Hampl ve Paulo C. Lozano, 31 Mart 2021, Uzay Aracı ve Roketler Dergisi.
DOI: 10.2514/1.A35001
Bu araştırma kısmen NASA tarafından desteklendi.