eRomfart 2020-045, Norsk Astronautisk Forening, 23.08.2020
Bildene tilhører en nyhetsnotis sendt på epost til medlemmer av Norsk Astronautisk Forening. Dersom du ikke er medlem, men ønsker å motta disse epostene og nyte godt av våre øvrige tilbud, kan du melde deg inn via vårt elektroniske innmeldingsskjema.
GPIM har testet
«grønt» drivstoff
Av Øyvind Guldbrandsen
Etter litt over ett år i rommet startet den amerikanske satellitten GPIM (Green Propellant Infusion Mission) tidligere i august en serie avfyringer for å senke laveste punkt i banen til 180 km. Dette vil føre til at satellitten i løpet av noen uker, trolig en gang i september, naturlig bremses opp inntil den kommer inn i tettere lag av jordatmosfæren, hvor den raskt vil brenne opp.
Satellittens hovedformål har vært å teste en type drivstoff kalt AF-M315E, eller ASCENT (Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic propellant), som aldri tidligere har vært brukt i rommet. AF-M315E er en singeldrivstoffblanding (én drivstofftank) av brennstoff og oksidasjonsmiddel med det kjemiske navnet hydroksylammoniumnitrat og formelen (NH3OH)(NO3). AF-M315E har høyere ytelse, men er først og fremst mindre giftig enn hydrazin, derav betegnelsen «grønt» drivstoff, uten at det nødvendigvis betyr at det ville vært gunstig å vanne potteplantene med det. Varianter av hydrazin har gjennom mesteparten av romalderen blitt brukt i de aller fleste satellitter og andre romfartøy som har vært utstyrt med rakettmotorer for baneendringer og stillingskontroll. De som står bak GPIM-prosjektet, som er finansiert av NASA, ser for seg at bruken av hydrazin etterhvert til fases ut til fordel for AF-M315E.
Illustrasjon av satellitten GPIM (Green Propellant Infusion Mission) i bane rundt Jorden. (Ball Aerospace)
Den ca. 180 kg massive GPIM, som ser ut til å ha svart til alle forventninger, var én av to dusin satellitter, blant dem Planetary Societys solseileksperiment LightSail-2, som var med på den tredje SpaceX Falcon Heavy-raketten, som ble skutt opp 25. juni 2019. Etter oppskytingen foretok andretrinnet flere avfyringer og frigjorde nyttelastene i tre distinkt forskjellige baner. GPIM ble koblet fra trinnet i en bane på 710x724 km/24 graders inklinasjon, og har deretter foretatt mange forskjellige manøvre og baneendringer for å verifisere at stillings- og baneendringssystemet, begge drevet av AF-M315E, har fungert som designet. Satellitten er utstyrt med én rakettmotor med skyvekraft på 22 N (Newton) for banejusteringer og fire skråstilte stillingskontrollmotorer på 1 N hver.
GPIM-prosjektet har kostet rundt 65 millioner dollar og er et samarbeid mellom flere NASA-sentre, forskningsavdelinger ved Det amerikanske luftforsvaret og private selskaper.
Illustrasjon av fremdriftsystemet til GPIM. Tanken i midten rommet ved oppskytingen 14,2 kg AF-M315E. (Aerojet Rocketdyne/Ball Aerospace)
HYDRAZIN
I satellitter og romfartøy blir hydrazin benyttet enten som singeldrivstoff, altså i én tank uten oksidasjonsmiddel, eller som topartsdrivstoff, med brennstoff og oksidasjonsmiddel i separate tanker. Vanligvis brukes da dinitrogentetraoksid (N2O4) som oksidasjonsmiddel. Som singeldrivstoff brukes en katalysator i rakettmotoren eller dysen som umiddelbart får hydrazinet til å varmes opp til rundt 800 grader Celsius og strømme ut av dysen i gassform med høy hastighet. Topartsdrivstoff gir høyere effektivitet, men krever mer kompliserte motor- og rørsystemer i satellitten.
Flere typer øvre trinn og manøvreringstrinn, og til og med hovedtrinnene i enkelte større bæreraketter, som Russlands Proton og USAs nå pensjonerte Titan-raketter, benytter eller har benyttet hydrazinvarianten UDMH (usymmetrisk dimetylydrazin), enten i ren form eller blandet 50-50 med vanlig hydrazin (N2H4), i en miks kalt Aerozine-50.
Både hydrazin og dinitrogentetraoksid er svært skadelig for miljø og organismer, inkludert mennesker. Av den grunn kreves meget strikte, langdryge og kostbare prosedyrer når drivstoffet skal fylles på satellitter og romfartøy, noe som gjør det uaktuelt å benytte i mindre satellittprosjekter med lavt budsjett, f.eks bygget av universiteter eller små institusjoner.
En avgjørende grunn til at hydrazin og eventuelt dinitrogentetraoksid brukes i satellitter er at de kan oppbevares i romtemperatur. For de fleste andre typer flytende drivstoff må minst én av komponentene kjøles kraftig ned. Det er lite praktisk i satellitter og andre romfartøy, som ofte trenger å oppbevare drivstoff i tankene i både år og tiår etter oppskytingen.
Tilnærmet like lenge kan hydrazin og dinitrogentetraoksid i og for seg også oppbevares i raketter som skal sendes opp, men det blir av sikkerhetsmessige grunner ikke gjort for bæreraketter for satellitter.
Men under den kalde krigen ble slikt drivstoff oppbevart i opptil årevis i de interkontinentale Titan II-rakettvåpnene, som var utplassert i underjordiske siloer rundt i USA, klare til å fyres avgårde på noen få minutters varsel dersom alarmen om sivilisasjonens umiddelbare undergang skulle ule. Da ville det ikke vært tid til å begynne å fylle på drivstoff, slik man måtte med Atlas-rakettene. Der håpet man i stedet på dårlig treffsikkerhet på stridshodene fra motpartens kontinent.
En annen fordel med drivstoffkombinasjonen hydrazin/dinitrogentetraoksid er at den er hypergolsk, det vil si at partene tenner øyeblikkelig ved fysisk kontakt. Hva det enn måtte bringe opp av romantiske assosiasjoner skal være usagt, men i rakettforskningens verden betyr det i praksis enklere og mer pålitelige rakettmotorer.
NITROGEN
Siden hydrazin er så giftig og komplisert å håndtere på en sikker måte, har man lenge vært på leting etter alternative drivstofftyper. I mange tilfeller er det benyttet såkalt kaldgass, vanligvis nitrogengass under trykk. Men dette er lite effektivt og har derfor stort sett vært begrenset til stillingskontroll, eventuelt temmelig små banejusteringer av svært små romfartøy.
Trykknitrogen blir også benyttet på SAFER-enhetene som astronautene har festet nederst til ryggpakningene sine under romvandringer fra Den internasjonale romstasjonen, tidligere også fra romfergen. SAFER skal hjelpe astronautene trygt tilbake til stasjonen dersom den fysiske kontakten glipper, uten at man hittil har hatt behov for å aktivere denne nødløsningen. Også de større MMU-enhetene, brukt hvor astronauter beveget seg ganske langt unna romfergen uten sikkerhetsline, benyttet trykknitrogen.
LMP-103S
Det svenske selskapet Bradford ECAPS har funnet opp et singeldrivstoff kalt LMP-103S, med ammoniumdinitramid (ADN) som hovedingrediens (ca. 2/3), resten er metanol, ammoniakk og vann. ADN (H4N4O4) ble først oppfunnet i Sovjetunionen og har flere bruksområder. LMP-103S har noen av de samme fordelene som AF-M315E, som å være mindre giftig. LMP-103S har 6% høyere spesifikk impuls enn hydrazin (mer om det senere) og 30% høyere tetthet. Begge disse verdiene er litt lavere enn for AF-M315E.
LMP-103S ble først testet i den svenske teknologitestsatellitten Prisma i 2010, senere i i Planet Labs SkySat jordovervåkningsatellitter (hvorav flere er skutt opp med Falcon 9-raketter sammen med Starlink-satellitter, senest 18. august) og i det amerikanske forsvarets testsatellitt STPSat 5, som ble skutt opp i 2018.
For at LMP-103S skal antenne må katalysatoren i rakettmotoren eller dysen varmes opp til 350 grader Celsius. Også AF-M315E må benytte oppvarmede katalysatorer. Dette er blant de største tekniske utfordringene med disse drivstofftypene, siden dysene må fungere feilfritt over hundrevis eller gjerne tusenvis av pulsavfyringer over flere år, hvis brukt til stillingskontroll. Hydrazin trenger ikke oppvarmede katalysatorer.
RAKETTDRIVSTOFF
Brennstoffet i de fleste bæreraketter i dag, enten det er parafin (ofte kjent om RP-1 - Refined Petroleum), metan (CH4, som snart kommer i både Vulcan Centaur, New Glenn og Starship) eller flytende hydrogen (LH2), benytter flytende oksygen (LO2) som oksidasjonsmiddel. Men dette er som nevnt lite aktuelt å bruke i satellitter, der drivstoffet ofte må oppbevares i mange år, siden oksygen må kjøles ned til -183 grader Celsius for å bli flytende under normalt trykk. Hydrogen må kjøles helt ned til -253 grader for å bli flytende. Dette er gjennomførbart i en bærerakett, hvor drivstoffet blir fylt på i nedkjølt, flytende tilstand de siste timene og minuttene før oppskytingen, og ikke rekker å koke bort før den er unnagjort.
Oksygen og hydrogen kan bli flytende i romtemperatur om det oppbevares under veldig høyt trykk. Men det ville krevd kraftige og urimelig tunge tanker om disse skulle ha rommet brukbare mengder, og følgelig vært meget upraktiske i satellitter og raketter
AF-M315E
AF-M315E ble oppfunnet tilbake i 1998 av forskere ved Edwards Air Force base i California, men det skulle ta 22 år før drivstoffet ble testet i rommet. En grunn til den lange tiden er at det krever mye testing og rekvalifisering av ventiler, oppvarmede katalysatorer etc. før man vil bruke en ny drivstofftype med andre egenskaper i rommet. At katalysatorene som nevnt må varmes opp for å antenne drivstoffet er for øvrig en fordel sikkerhetsmessig, men stiller høyere krav til rakettmotorer og materialer.
Siden AF-M315E er vesentlig mindre giftig enn hydrazin vil det kreve betydelig mindre tid og ressurser å fylle det på satellitter under klargjøringen av disse. AF-M315E har også lavere frysepunkt enn hydrazin. Til forskjell fra AF-M315E, som bare trenger å varme opp katalysatorene ved avfyring (om enn relativt mye), så trenger hydrazin nær kontinuerlig energi til varmelementer for å ikke fryse til fast form og eventuelt ødelegge drivstoffrør og annet. Det er noe man f.eks må følge nøye med på i Voyager-sondene, hvor de nå ganske begrensede strømressursene bare er nok til å holde drivstoffet et par grader over frysepunktet på 2 grader Celsius. Voyager-sondene ble skutt opp i 1977, og den tilgjengelige energien fra de radioaktive RTG-strømkildene er betydelig redusert siden den gang, og synkende. I slutten av juli passerte Voyager 1 i all stillhet milepælen 150 AU fra Solen (150 ganger avstanden Jorden – Solen), og kan altså ikke vente seg mykje lys og varme fra den kanten.
Egentlig fryser ikke AF-M315E, men går over i det som kalles en glasstilstand når det blir kaldt nok. Det skal være uproblematisk å oppbevare drivstoffet i denne tilstanden under f.eks lange cruisefaser av en romferd, inntil det må tines opp igjen før bruk.
Som singeldrivstoff har AF-M315E høyere spesifikk impuls (Isp) enn hydrazin (altså uten oksidasjonsmiddel), nærmere bestemt 257 mot 235 sekunder. Spesifikk impuls angir hvor mye skyvekraftenergi som fås ut av en gitt massemengde drivstoff. Isp på 257 s betyr at f.eks 1 kg drivstoff kan gi en skyvekraft på 1 kilopond (tilsvarene 9,8 Newton, som man heller bruker i dag) i 257 sekunder. Forskjellige drivstofftyper har varierende teoretiske grenser for hvor mye Isp det er mulig tyne ut av dem, mens rakettmotorens egenskaper bestemmer hvor nær man kommer denne grensen. En variant av RL-10 som brukes i øvre Delta IV-trinn og forbrenner flytende hydrogen og oksygen ligger foreløpig øverst på listen over operative, kjemiske rakettmotorer, med 465 s.
Generelt brukes det mye ressurser på å konstruere rakettmotorer med høyest mulig Isp, samtidig som man vil beholde andre egenskaper mest mulig optimale. Som pålitelighet, skyvekraftregulering, vektorkontroll (å kunne svinges langs en eller to akser), restartmulighet, pris og høyest mulig forhold mellom motorens skyvekraft og egenmasse. Det har f.eks liten hensikt å utstyre bæreraketten med en rakettmotor med himmelhøy spesifikk impuls dersom motoren selv er så tung at raketten knapt letter fra bakken. Motorer med høy Isp men lavt forhold skyvekraft:masse, som ionemotorer (Isp på opptil flere tusen s), kan derimot være meget nyttige i romfartøy som allerede befinner seg i rommet.
AF-M315E har også høyere tetthet enn hydrazin, 1,47 mot 1,02 gram per kubikkcentimeter. Det igjen betyr at samme massemengde drivstoff kan få plass i en mindre og dermed lettere tank. Til sammen gir dette AF-M315E minst 50% høyere volum-Isp sammenlignet med hydrazin.
Som eksempel på de potensielle fordelene med AF-M315E oppgis det i et papir fra Ball Aerospace og Aerojet Rocketdyne fra 2013 (AIAA 2013-3849) at dersom nedstigningstrinnet til Mars-roveren Curiosity, som landet på Mars i 2012, hadde brukt AF-M315E, ville den ha kunnet myklande et 58 kg tyngre kjøretøy. Dette selv om om nedstigningstrinnet bare ble brukt i den aller siste delen av landingsfasen, etter at varmeskjold og fallskjermer var koblet fra. Samtidig ville man spart flere titalls millioner dollar på prosjektet gjennom enklere håndteringsprosedyrer av drivstoffet før oppskytingen. 
En kjemiker ved Det amerikanske luftforsvarets forskningslaboratorium for rakettfremdrift ved Edwards AFB inspiserer en kolbe med AF-M315E, nå også kalt ASCENT. I stedet for en hermetisk beskyttelsesdrakt med egen oksygenforsyning trenger han kun engangshansker og vernebriller som ekstra beskyttelse. (Air Force Materiel Command)
