パスファインダー技術デモンストレーター

パスファインダー技術デモンストレーター
ミッションタイプ	技術デモンストレーション
オペレーター	米航空宇宙局（NASA）
ミッション期間	90日間（予定）
宇宙船の特性
宇宙船	PTD-1 → PTD-5
宇宙船の種類	6Uキューブサット
バス	タイヴァク
メーカー	エイムズ研究センターと; グレン研究センター
打ち上げ質量	11kg（24ポンド）
寸法	30 × 20 × 10 cm
力	65ワット
ミッション開始
発売日	2021年1月24日（PTD-1）
ロケット	ファルコン9
発射場	CCAFS、
請負業者	スペースX
軌道パラメータ
参照システム	地球中心軌道
政権	低軌道
高度	太陽同期軌道

NASAのパスファインダー技術デモンストレーター（PTD ）プロジェクトは、キューブサットと呼ばれる一連のナノ衛星に搭載された技術の一連の技術デモンストレーションであり、これらの多目的宇宙船の性能を大幅に向上させます。計画されている5つのPTDミッションはそれぞれ、拡張可能なソーラーアレイを備えた6ユニット（6U）キューブサットで構成されています。^[3]

PTD ミッションに搭載されたこれらの技術の飛行資格と実証は、将来の政府および民間ミッションに役立つことが期待されています。これには、高速ブロードバンドが可能なレーザー通信システムを使用するために宇宙船を安定させて高精度に向ける推進システムとサブシステムが含まれます。

最初のミッションであるPTD-1は、2020年12月にケープカナベラルからファルコン9ロケットで打ち上げられる予定で、ライドシェアELaNaミッション35の一部として^[4]、2021年1月24日に打ち上げられ、HYDROS-C水ベース推進剤システムを実証しました。PTD-3は、2022年5月25日にSpaceX Transporter-5ライドシェアで打ち上げられ、TBIRD赤外線通信システムを実証しました。^[5]

概要

パスファインダー技術実証機（PTD）プロジェクトは、カリフォルニア州のNASAエイムズ研究センターがオハイオ州のNASAグレン研究センターと共同で主導している。PTDプロジェクトは、NASAの宇宙技術ミッション局内の小型宇宙船技術プログラム（SSTP）によって管理および資金提供されている。全体的な目標は、小型宇宙船を強化し、新しい目的地に到達し、新しい環境で動作できるようにするために、主要な新技術の物理的特性をテストすることです。^[6]^{[7]これらの技術は、}地球軌道または深宇宙で動作する小型宇宙船への将来の適用の可能性に備えて、低地球軌道でテストされます。[7] PTD飛行で実証された技術は、より大きな宇宙船に適用可能で拡張可能である可能性があります。 [ ⁷^]

このプロジェクトでは、PTD-1からPTD-5とコード化された5つの6Uキューブサット軌道ミッションを6か月間隔で飛行させ、各飛行でさまざまな技術を評価する予定です。^{[8]各ミッションは、}低地球軌道に放出されてから90日間の寿命を持ちます。^[6]各宇宙船には、軌道維持、操縦、惑星間通過のための推進システム、レーザー高帯域幅通信、宇宙船を安定させ、指定された機器を高精度で向けるための高精度姿勢制御（方向付け）システムなど、さまざまなテストペイロードが搭載されます。[ ^6]^[7]

評価中の技術

テストされる新しいシステムの例としては、エレクトロスプレースラスタ、水ベースの推進、非常に正確な姿勢制御システムなどがあります。^[6]

BET-100μNはブセック社が製造したコロイドスラスタで、2016年にESAのLISAパスファインダーミッションで成功裏に飛行しました。^{[9]各スラスタの消費電力は6}ワット未満です。

姿勢決定および制御システム (ADCS) は、Blue Canyon の Hyper-XACT ADCS を使用します。このパッケージには、スタートラッカー、3～4 個のリアクションホイール、3 本のトルクロッド、磁力計、慣性測定ユニット、および最大 4 個の太陽センサーが組み込まれています。

HYDROS は、水を使用して推進力を提供する化学/電気ハイブリッド技術です。電気分解セルを使用して水推進剤を水素ガスと酸素ガスに分解し、別々のタンクに加圧状態で貯蔵してスラスタノズルで燃焼させます。この推進システムは、Tethers Unlimited, Inc.によって開発されています。

エアロジェット・ロケットダインのMPS-130エンジンは、ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩（NH ₃ OHNO ₃ ）と呼ばれる新しいイオン液体推進剤を燃焼します。これはAF-M315Eとしても知られる燃料/酸化剤ブレンドで、従来のヒドラジンよりも約50％効率が高く、無毒です。^[6]エアロジェット・ロケットダインは、このエンジンと燃料をグリーン推進剤注入ミッション^[10]と呼ばれるミッションでテストし、 2019年6月25日にスペースX ファルコンヘビーロケットで打ち上げられ、スペーステストプログラム2と呼ばれるテストミッションに参加しました。

PTDプロジェクトでは、低軌道上の宇宙船にコマンドを送信するための低コストの宇宙通信用の商用グローバルスター通信ネットワークも評価します。計画されている5機の宇宙船にはそれぞれ、グローバルスターGSP-1720デュプレックスモデムが搭載されます。^[7]^[11]

PTD-1

2016年2月12日、NASAのパスファインダー技術実証機（PTD）プロジェクトで、技術サブシステム（以下、ペイロード）を搭載するために運用される、宇宙飛行資格のある 6Uキューブサット宇宙船の納入に関する提案依頼書（RFP） NNA16574335Rが発行されました。低推力推進システムの飛行実証が1回計画されており、その後4回の技術実証のオプションがあります。後続ミッションには、高推力推進システムなどのペイロードや、光通信や高精度姿勢決定および制御システムなどのペイロードが含まれる可能性があります。提案依頼書への回答日：2016年4月4日。^[6]

PTD-1宇宙船は現在開発と製造が進められている。水の電気分解から得られる水ベースの推進剤を使用した推進システムを実証する。軌道上では、システムは水に電流を流すことで、搭載されている水を水素と酸素の推進剤に分離する。PTD-1は、2020年12月にファルコン9ロケットに搭載されたライドシェアELaNaミッション35の一部として打ち上げられる予定である。^[4]^[^{更新が必要}^]

PTD-1は、2021年1月24日にSpaceXのライドシェアTransporter-1ミッションで打ち上げられました。

HYDROS 推進テスト

HYDROS は、水を使用して推進力を提供する化学/電気のハイブリッド技術です。電気分解セルを使用して水推進剤をガス状の水素と酸素に分解し、別々のタンクに圧力をかけて保管します。次に、システムは水素と酸素の混合物をシンプルなスラスタノズルで燃焼させ、最大 1ニュートンと258 秒の比推力を提供します。この推進システムは、Tethers Unlimited, Inc.によって開発されています。

純水中では、負に帯電した陰極で還元反応が起こり、陰極からの電子 (e ⁻ ) が水素陽イオンに与えられて水素ガスが形成されます。酸でバランスをとった半反応は次のようになります。

陰極での還元: 2 H ⁺ (水溶液) + 2e ⁻ → H ₂ (ガス)

正に帯電した陽極では酸化反応が起こり、酸素ガスが発生し、陽極に電子が与えられて回路が完成します。

陽極での酸化：2 H ₂ O (液体) → O ₂ (気体) + 4 H ⁺ (水溶液) + 4e ⁻

全体の反応: 2 H ₂ O (液体) → 2 H ₂ (気体) + O ₂ (気体)

推進システムは、太陽電池アレイで発電された電気を使用して、小型の水電気分解装置に電力を供給します。このデモンストレーションでは、宇宙船の速度と高度をプログラム的に変化させることで推進性能をテストします。

PTD-2

PTD-2は、ティッピングポイントプログラムで開発された改良された姿勢決定および制御システムを実証するための6Uキューブサット技術実証ミッションです。HyperXACT設計は、1/2Uフォームファクタを維持しながら、多くの最先端システムに比べて信頼性と指向性が5倍向上します。^[12]

PTD-2 は、NASA の GLOBALSTAR 衛星通信モデムのデモンストレーション用のプラットフォームとしても予定されていました。

PTD-2 は、宇宙船の統合およびテスト中に発生した事故により終了しました。

最終的には PTD-2R (別名 PTD-R) に置き換えられました。PTD-R は、ローレンスリバモア国立研究所が開発したペイロード「ディープパープル」を搭載し、2024 年 8 月 16 日に SpaceX トランスポーター 11 で打ち上げられました。ディープパープルは、UV/SWIR 望遠鏡の共位置合わせペアの技術デモンストレーションです。

NASA PTD サイト https://www.nasa.gov/smallspacecraft/pathfinder-technology-demonstrator/

PTD-3

2022年5月25日にSpaceXのTransporter-5ライドシェアミッションで打ち上げられた6UキューブサットPTD-3には、3Uテラバイト赤外線配信（TBIRD）レーザー通信テストが含まれています。^[13]^[14] TBIRDは、LEOから地上局に200Gbpsでデータを送信します。^[15] 2022年12月までに、TBIRDは300マイルの軌道から地球への100Gbpsのデータ転送を実証し、200〜1,000Gbpsのテストを計画しています。^[16] 2023年4月28日には、200ギガビット/秒（Gbps）のスループットが達成されました。^[17]

PTD-4

6Uキューブサットは、軽量一体型ソーラーアレイおよびアンテナ（LISA-T）を実証するものである。LISA-Tは、アンテナが一体化された、非常に高出力で小型の展開可能なソーラーアレイである。LISA-Tは、アラバマ州ハンツビルにあるNASAのマーシャル宇宙飛行センターで開発されている。LISA-Tは、現在利用可能なソーラーアレイ技術と比較して、質量と貯蔵容積が少なく、単位質量あたりの電力が大きい。2023年12月時点で、打ち上げ日は設定されていない。このナノ衛星は、スペースXのトランスポーター11ミッションでPTD-Rとともにヴァンデンバーグ宇宙軍基地から打ち上げられる予定である。^[18]^[3]^[19] トランスポーター11は2024年8月に打ち上げられた。

参照

水の電気分解を利用して推進剤を生成する別の宇宙船、Cislunar Explorers
現場で採取した水を使った宇宙船推進システム「ワールド・イズ・ノット・イナフ」

参考文献

^ 「パスファインダー技術デモンストレーター：低軌道での新しいキューブサット技術の実証」（PDF）。nasa.gov。NASA 。2018年4月23日。 2020年10月10日閲覧。この記事には、パブリックドメインであるこのソースからのテキストが組み込まれています。
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^ PTD-2
^ CubeSat が NASA の宇宙からの最速レーザーリンクを実証へ SpaceDaily、2022 年 5 月
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^ 「NASA、ベンチャークラスの打ち上げサービスに関する最新情報を提供 - NASA」。2023年12月13日。 2024年1月18日閲覧。
^ PTD-4 (リサ-T)

外部リンク

PTD-1 NASA ビデオ (YouTube)

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[upcoming_launches-4] 「ElaNa CubeSatの今後の打ち上げ」NASA。2020年8月10日。 2020年10月10日閲覧。この記事には、パブリックドメインであるこのソースからのテキストが組み込まれています。

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[9] Rovey, J. 「推進とエネルギー：電気推進（2009年の年次レビュー）」（PDF）。Aerospace America、2009年12月、p. 44。 2015年12月8日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2020年10月10日閲覧。

[Tech_Demo-10] Mohon, Lee (2013). 「技術実証ミッション: グリーン推進剤注入ミッション (GPIM)」NASA . 2014年2月27日閲覧。この記事には、パブリックドメインであるこのソースからのテキストが組み込まれています。

[PTD_Results_2016-11] パスファインダー技術デモンストレーター: GlobalStar のテストと結果。(PDF) ヴァネッサ・クロダ通信サブシステムリーダー、2016 年 4 月 20 ～ 22 日、CalPoly CubeSat ワークショップ

[12] PTD-2

[13] CubeSat が NASA の宇宙からの最速レーザーリンクを実証へ SpaceDaily、2022 年 5 月

[NASA-PTD-3-TBIRD-14] CubeSat が NASA の最速の宇宙レーザーリンクを実証へ NASA、2022 年 5 月

[15] 小型衛星が光学注入に大きな影響を与える NASA、2022年2月

[16] 通信システムが宇宙からのこれまでで最速のレーザーリンクを実現

[17] Tavares, Frank (2023年5月11日). 「NASAとパートナーが宇宙から地上への最速レーザー通信リンクを実現」NASA . 2023年8月26日閲覧。

[18] 「NASA、ベンチャークラスの打ち上げサービスに関する最新情報を提供 - NASA」。2023年12月13日。 2024年1月18日閲覧。

[19] PTD-4 (リサ-T)