امکان عملیات مانور مداری با موتورهای رانش زای جدید
تراستر در واقع رانش‌زا یا موتور کوچکی است که روی ماهواره‌ها و فضاپیماها نصب شده و امکان عملیات مانور مداری را فراهم می‌سازد.
این میکروتراستر جدید با سوخت فلزی جامد و میانگین توان کم (کمتر از ۰.۱ وات در حین کار) است که سطح مقطعی کوچک ( حدود ۵ میلی‌متر) و جرم کمتر از ۲۰۰ گرم دارد و هیچ مخزن تحت فشاری برای آن در نظر گرفته نشده است. همچنین در آن جریان الکتریکی یک تخلیه پلاسما بین پیکربندی کاتد-آند هم‌مرکز ایجاد می‌کند.
در این میکروتراستر، تراست (نیرو جلو برنده) از طریق تخلیه قوس الکتریکی تولید می‌شود که مقداری از ماده کاتدی را به صورت یکنواخت فرسایش می‌دهد تا با سرعت بالا خارج شود در حالی که از طریق نازل‌ها با نیروی لورنتس شتاب می‌گیرد. همچنین تراست را می‌توان با تغییر فرکانس پالس از ۱ تا ۵۰ هرتز کنترل کرد (۱ میکرونیوتن تا ۰.۰۵ میلی‌نیوتن).
در طول آزمایشات توانایی انجام عملیات مستمر بیش از دو ماه را نشان داده است. این سیستم در ولتاژ پایین و با پذیرش توان دی سی از پایه فضاپیما کار می‌کند. پرتوی خروجی ۹۹ درصد یونیزه است. مرکز تحقیقات ایمز ناسا و دانشگاه جورج واشنگتن در حال بررسی کاربردهای زیرسیستم‌های میکرو تراستر برای تصحیح وضعیت و مدار فضاپیمای فون‌ست هستند.
پیشینه تاریخی
تخلیه قوس خلاء با جدا کردن و مصرف ماده کاتدی در خلاء، تولید یک جت پلاسمای کاملاً یونیزه با سرعت بالا می‌کند. چنین دستگاه‌هایی از دهه ۱۹۶۰ میلادی برای پیشرانش مورد بررسی قرار گرفته‌اند. پلاسمای فلزی در نقاط کاتدی با سرعت بسیار بالا عمود بر سطح کاتد تشکیل می‌شود. سرعت خروجی در حدود متربرثانیه است و در نتیجه می‌تواند مستقیماً به عنوان یک منبع پیشرانش استفاده شود. شرایط فیزیکی منحصر به فرد به دست آمده در قوس خلاءها موجب مزیت بالقوه در این دستگاه می‌شود. با استفاده از سوخت جامد، سیستم تغذیه گازی غیر ضروری است و محدوديت‌هاي اين سيستم وجود ندارد. این مساله طراحی تراستر را به طور قابل توجهی ساده می‌کند و جرم تراستر را نیز کاهش می‌دهد در حالی که از احتمال نشت گاز که می‌تواند راندمان تراستر را کاهش دهد، جلوگیری می‌کند.
پلاسمای تولید شده در نقطه کاتدی، بسیار یونیزه است و راندمان دستگاه را بهبود می‌بخشد. تراستر قوس الکتریکی خلاء می‌تواند بدون کاهش راندمان تولید پلاسما، در پالس‌های گسسته عمل کند. این کنترل امکان تنظیم دقیق مانورهای فضاپیما را فراهم می‌کند. با این حال در طراحی معمول هنوز برخی محدودیت‌ها وجود دارد. اول این‌که، برای هر یک از مواد کاتدی مشخص، نیروی تولید شده در هر پالس غیر قابل تنظیم است، و سطح تراست را تنها می‌توان با تغییر چرخه پالس تنظیم نمود. دوم این‌که، از آنجا که پلاسما از نقاط کاتدی تولید و صرفاً توسط گرادیان فشار پلاسما از کانال تراسترخارج می‌شود، راندمان تراست به شدت وابسته به هندسه الکترودهای تراستر است. در مورد هندسه هم‌محوری با یک کاتد تیتانیوم، این راندمان تقریباً ۰.۰۶ درصد است که بسیار پایین به نظر می‌رسد. سوم این‌که، در طراحي‌هاي معمول فرسایش غیر یکنواخت کاتد به طور موثری طول عمر تراستر را محدود می‌کند.
اتخاذ یک رویکرد نوین
در طرح جديد تراستر تخلیه قوس الکتریکی خلاء را با اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی ویژه، بهبود می‌بخشد. حضور میدان مغناطیسی معایب تراسترهای معمول را کاهش می‌دهد. شرایط منحصر به فرد میدان مغناطیسی حاصل از قوس خلاء باعث ایجاد چندین مزیت بالقوه در این دستگاه می‌شود. با حضور یک میدان مغناطیسی، طرح جدید نظم خاصی در رفتار خود نشان می‌دهد که امکان مدل‌سازي وتحليل ساده‌تر عملکرد تراستر را فراهم می‌کند.
به دلیل وجود نیازمندی‌های پیشرانش در فضا خانواده تکنولوژی‌های این طرح جدید برای طیف گسترده‌ای از فضاپیماها، از جمله نانوماهواره‌ها (۱ تا ۱۰ کیلوگرم) تا ماهواره‌هایی بزرگتر از میکروماهواره‌ها (حدود ۱۰۰ کیلوگرم) در انواع ماموریت‌های مختلف بررسی شده‌اند.
از چند سال پیش آزمایشگاه میکروپیشرانش و تکنولوژی نانو چندین نمونه موفق پیکربندی میکروتراستر ساخته است. آنها با نام‌های الکترودحلقوی، الکترود هم‌محور و الکترود متناوب، عملکردها و ویژگی‌های عملیاتی مختلف را نشان می‌دهند. از قبیل این ویژگی‌ها می توان به تراست و طول‌عمر عملیاتی .اشاره کرد
در حال حاضر تیم طراحی در حال بررسي و ارزيابي الزامات مورد نیاز برای زیرسیستم‌های اضافی است که برای یکپارچه‌سازی با هر نوع پلتفرم ماهواره‌ای کوچک مورد نیاز است؛ از جمله محفظه‌ها، مبدل‌های توان، واحدهای توان پلاسما/واحدهای توان پالس‌ها، بردهای مدار چاپی جریان بالا و جریان پایین، حسگرهای تله‌متری، پردازنده‌های فرمان.
سطح آمادگی تکنولوژی فعلی ناسا برای تکنولوژی پایه‌ای این طرح جدد، عدد ۴ ارزیابی شده است (شروع)، و در طول پروژه‌های تحقیقاتی در حال انجام به ۶ افزایش خواهد یافت.
استفاده از سوخت‌های فلزی اجازه می‌دهد تا سیستم میکروتراستر در مقایسه با تراستر یونی و تکنولوژی PPT که به ترتیب از سوخت‌های گاز و تفلون استفاده می‌کنند، مقادیر زیادی سوخت در حجم کوچک تر حمل کند.
زیرسیستم میکروتراستر جدید نسبت به تکنولوژی‌های رقیبش ویژگی‌های جرم و حجم قابل مقایسه و یا بهتری دارد. علاوه بر این به علت سرعت بالای پلاسمای تولید شده توسط قوس کاتدی، میکروتراستر جدید بالاترین ضربه مخصوص را در حدود ۳۵۰۰ ثانیه تولید می‌کند. هر دوی این عوامل (مقادیر زیاد سوخت حمل شده و ضربه مخصوص بالا) پیشتازی تکنولوژی میکروتراستر جدید در پارامتر Delta-V را تضمین می‌کنند.
میکروتراستر جدید توسط درجه یونیزاسیون نزدیک به ۱۰۰ درصد در جت‌های پلاسما در مقایسه با کمتر از ۱۰ درصد در تکنولوژی PPT مشخص می‌شود. درجه پایین یونیزاسیون یک مسئله حیاتی است، چرا که باعث ایجاد شار برگشتي قوی روي ماهواره می‌شود و منجر به بروز مشکلات آلودگی می‌گردد. تکنولوژی میکروتراستر جدید توسط بازده کلی بالا و نسبت تراست به جرم بسیار بالا در مقایسه با تکنولوژی‌های رقیب متمایز می‌شود.
تراستر میکرو کاتد قوسی
میکروتراستر جدید یک دستگاه پیشرانش الکتریکی ساده است که با یک سیم‌پیچ مغناطیسی و واحد پردازش توان ذخیره انرژی القایی (PPU) ترکیب شده و منجر به سیستمی با جرم کم (۱۰۰ گرم) می‌شود.
بررسي میکروتراستر جدید نشان داد که میدان مغناطیسی به شدت روی ویژگی‌های تراستر تاثیر می‌گذارد که موجب افزایش ضربه ویژه و ضربه بیت می‌شود. میکروتراستر جدید مجهز به میدان مغناطیسی به نحوه‌ای کارآمد عمل می‌کند و به سادگی با تغییر قدرت میدان مغناطیسی انعطاف‌پذیری زیادی در ضربه ویژه و ضربه بیت می‌دهد.
