Vì sao một CubeSat cần hai kiểu động cơ nhưng chỉ một bình nhiên liệu?

Một vệ tinh chỉ lớn tương đương hộp giày vẫn phải xoay xở với hai nhu cầu trái ngược: di chuyển thật nhanh khi cần đổi quỹ đạo, nhưng cũng phải điều chỉnh rất tiết kiệm trong thời gian dài. Hệ thống ASCENT của NASA được thiết kế để giải bài toán đó bằng một bình nhiên liệu duy nhất, cấp cho cả động cơ hóa học tạo lực đẩy cao và động cơ phun điện lực đẩy thấp. Ý tưởng này có thể giúp vệ tinh nhỏ bớt cồng kềnh mà vẫn giữ được nhiều cách cơ động trong không gian. [1]

Điểm đáng chú ý không chỉ nằm ở loại nhiên liệu mới. Thách thức lớn hơn là khiến một hệ thống chung phục vụ hai kiểu động cơ, chịu được môi trường chân không và nhiệt độ khắc nghiệt, đồng thời giữ cho toàn bộ vệ tinh cân bằng trước khi bay. [1]

Vì sao vệ tinh thường cần hai hệ thống đẩy?

Hai kiểu cơ động phục vụ hai mục tiêu khác nhau. Động cơ hóa học tạo lực đẩy lớn trong thời gian ngắn, phù hợp với những chuyển động nhanh như đưa tàu vào quỹ đạo hoặc thực hiện thao tác cần thay đổi vận tốc rõ rệt. Ngược lại, động cơ điện tạo lực đẩy nhỏ hơn nhưng hoạt động hiệu quả trong các thao tác chậm, chẳng hạn duy trì vị trí hoặc nâng, hạ quỹ đạo từng bước. [1]

Cách bố trí truyền thống thường tách riêng hai hệ thống này. Mỗi hệ thống có thể cần bình chứa, đường ống và bộ phận điều khiển riêng. Trên một vệ tinh lớn, phần khối lượng và thể tích tăng thêm có thể được chấp nhận. Với CubeSat, nơi không gian bên trong rất hạn chế, các đường ống và bình nhiên liệu chiếm chỗ đồng nghĩa với việc phải giảm thiết bị khác. [1]

Một bình nhiên liệu có thể cấp cho hai động cơ thế nào?

ASCENT, viết tắt của Advanced Spacecraft Energetic Non-Toxic, dùng một chất đẩy không độc trong bình trung tâm. Từ bình này, nhiên liệu được đưa tới hai loại bộ đẩy: một động cơ hóa học tạo lực đẩy cao và các bộ đẩy phun điện tạo lực đẩy thấp. Cấu hình ấy không biến hai động cơ thành một thiết bị, mà dùng chung phần lưu trữ và cấp nhiên liệu ở phía trước chúng. [1]

Lợi ích trực tiếp là giảm khối lượng và thể tích của hệ thống đẩy. Phần không gian tiết kiệm được có thể dành cho thiết bị khoa học hoặc các bộ phận khác của vệ tinh. Khối lượng nhỏ hơn cũng mở ra khả năng đưa những nhiệm vụ tương tự lên các tên lửa nhỏ hơn, với chi phí phóng thấp hơn theo định hướng mà NASA nêu cho các sứ mệnh tương lai. [1]

Cơ động nhanh và điều chỉnh chậm bổ sung cho nhau ra sao?

Có thể hình dung quỹ đạo như một lộ trình cần cả những lần đổi hướng rõ rệt lẫn các bước chỉnh rất nhỏ. Động cơ hóa học đảm nhận những thao tác ngắn cần lực đẩy mạnh. Sau đó, động cơ điện có thể thực hiện các điều chỉnh từ tốn và tiết kiệm hơn. Trong nhiệm vụ trình diễn, nhóm vận hành dự kiến lần lượt thực hiện các thao tác hóa học và điện, rồi thử nâng và hạ quỹ đạo bằng cách chuyển đổi giữa hai kiểu động cơ. [1]

Sự kết hợp này quan trọng vì một vệ tinh không chỉ cần “đi được”, mà còn phải giữ đúng tư thế và vị trí tương đối trong thời gian dài. Lực đẩy cao giúp xử lý những thay đổi nhanh; lực đẩy thấp giúp thực hiện các bước nhỏ mà không cần dành riêng một hệ thống thứ hai với bình nhiên liệu độc lập. [1]

Vì sao thử rò rỉ bằng helium lại là bước then chốt?

Dùng chung một bình nhiên liệu khiến độ kín của đường ống và van trở thành vấn đề đặc biệt quan trọng. Trong phép thử, kỹ sư nén helium vào vệ tinh rồi đặt nó trong buồng chân không để kiểm tra xem các mối nối và phớt có giữ kín hay không. Helium được chọn làm khí thử trong quy trình này; kết quả được NASA mô tả là các phớt đã hoạt động đúng yêu cầu. [1]

Sau đó, vệ tinh trải qua thử nghiệm nhiệt chân không. Buồng thử mô phỏng môi trường gần như không có không khí cùng những biến thiên nhiệt độ lớn ngoài không gian. Mục tiêu là xem các thiết bị điện tử, bộ đẩy và cơ cấu cơ khí có hoạt động bình thường trong điều kiện tương tự quỹ đạo hay không, thay vì chỉ kiểm tra chúng trong phòng ở điều kiện thuận lợi. [1]

Vì sao một vệ tinh nhỏ cần nhiều nhóm cùng làm việc?

Hệ thống ASCENT không phải sản phẩm của một bộ phận duy nhất. NASA Marshall quản lý sứ mệnh; Massachusetts Institute of Technology phát triển các bộ đẩy phun điện; Plasma Processes chế tạo mô-đun đẩy hóa học; còn Georgia Institute of Technology tích hợp thân vệ tinh. Mỗi nhóm phụ trách một phần, nhưng tất cả phải khớp nhau ở bình nhiên liệu, van, điều khiển và giao diện cơ khí. [1]

Ngoài thử rò rỉ và chân không nhiệt, vệ tinh còn được quay để đo đặc tính khối lượng và vị trí trọng tâm. Một vệ tinh mất cân bằng có thể khó giữ đúng tư thế, ảnh hưởng đến khả năng hướng ăng-ten về Trái Đất hoặc đưa tấm pin về phía Mặt Trời. Vì vậy, đổi mới ở đây không chỉ là tạo ra một động cơ khác; đó là làm cho toàn bộ hệ thống nhỏ gọn vận hành như một thể thống nhất. [1]

Nếu cuộc trình diễn trên quỹ đạo đạt mục tiêu, ASCENT sẽ cho thấy một vệ tinh nhỏ có thể dùng chung nguồn nhiên liệu cho hai cách cơ động vốn thường bị tách riêng. Điều đáng nhớ nằm ở sự phối hợp: một bình chứa đơn giản hơn chỉ có giá trị khi đường ống kín, trọng tâm ổn định và hai loại động cơ cùng nhận đúng phần việc của mình. [1]