Propulsori ad alta potenza per alimentare i voli spaziali del futuro
I tradizionali metodi di propulsione chimica, che si basano sulla combustione di carburante per generare la spinta, sono sempre più messi in ombra dai sistemi di propulsione elettrica (EPS, electric propulsion system), in particolare se basati su propulsori a effetto Hall. Sfruttando un campo elettromagnetico per ionizzare e accelerare un gas, questi sistemi migliorano in modo sostanziale l’impulso specifico rispetto a quanto fanno quelli chimici, fornendo ai veicoli spaziali un notevole vantaggio in termini di massa.
La transizione verso i sistemi di propulsione elettrica ad alta potenza
In seguito a intense attività di ricerca e sviluppo, la propulsione elettrica è già diventata realtà: attualmente, infatti, esistono sistemi a bassa potenza che vengono impiegati per le missioni spaziali. La domanda di propulsori ad alta potenza è tuttavia in crescita, spinta dalle necessità delle future missioni di esplorazione e trasporto spaziale e dall’impiego di piattaforme di servizio versatili come i trasportatori spaziali, concepiti per la manutenzione in orbita e la rimozione dei detriti. I sistemi di propulsione elettrica ad alta potenza, in particolare quelli nella classe dei 20 kW, sono fondamentali per queste piattaforme in quanto offrono l’equilibrio ideale tra flessibilità operativa e rapporto spinta/potenza. Tuttavia, il percorso volto a convalidare questi sistemi avanzati per l’uso nello spazio è stato sinora ostacolato da costi proibitivi e da lunghi tempi di collaudo. Il progetto ASPIRE, finanziato dall’UE, si è prefisso di superare queste sfide apportando un significativo progresso in termini di maturità tecnologica e proponendo una strategia di convalida alternativa. Mediante l’esecuzione di un test di accoppiamento a livello di sistema e la successiva integrazione di un metodo di modellizzazione numerica avanzato con campagne di collaudo mirate, la strategia di ASPIRE ha cercato di fornire un percorso metodico ed economico per lo sviluppo e la convalida di sistemi di propulsori a effetto Hall ad alta potenza.
Risultati senza precedenti nei collaudi dei propulsori
Il team è partito da vari scenari applicativi che potrebbero trarre vantaggio da sistemi di propulsione elettrica così potenti, stabilendo requisiti di alto livello. Sfruttando l’esperienza acquisita dalla sperimentazione con sistemi di minore potenza, i ricercatori hanno sviluppato la progettazione di vari sottosistemi e componenti, tra cui l’unità propulsore, il sistema di gestione dei fluidi e l’architettura di potenza. Prima di passare alla fase più impegnativa, ovvero quella di integrare e collaudare il sistema di propulsione elettrica completo a livello di sistema, ciascuno di questi sottosistemi è stato sottoposto a fasi di collaudo separate. Il collaudo finale del sistema integrato è stato eseguito presso l’impianto IV10 di SITAEL, una delle più grandi camere a vuoto per lo svolgimento dei test di propulsione elettrica al mondo. «Durante i nostri innovativi collaudi, il propulsore è stato acceso più volte e ha funzionato con successo nella gamma di potenza desiderata, compresa tra i 12,5 e i 25 kW, utilizzando sia lo xenon che il kripton come propellenti», sottolinea Angarano. Questa fase ci ha permesso di esplorare vari aspetti del funzionamento del sistema di propulsione elettrica in modalità ad azionamento diretto e in condizioni di alta tensione. L’architettura ad azionamento diretto ci permette di ridurre significativamente la massa e di aumentare l’efficienza dell’elettronica di potenza. «Un aspetto innovativo di ASPIRE è la scelta di utilizzare il kripton come propellente. Tradizionalmente, infatti, si utilizza lo xenon; il kripton, tuttavia, offre un’alternativa conveniente che consente di abbassare i costi legati al processo di convalida di almeno un ordine di grandezza», aggiunge Angarano. «Inoltre, anche se non previsto inizialmente, abbiamo deciso di testare il propulsore anche con l’argon, un elemento che da poco è stato considerato un’alternativa ancora più economica del kripton per la propulsione elettrica. Questo è stato il primo test di successo a livello mondiale con argon per il funzionamento di un propulsore da 20 kW.» I ricercatori hanno studiato i fenomeni sul plasma pertinenti sviluppando quindi codici di simulazione per valutare le prestazioni del propulsore nel corso del tempo, nonché in diverse condizioni operative.
Anticipare il futuro dell’esplorazione spaziale
Nessun altro sistema di propulsione elettrica di potenza superiore a 12,5 kW ha ancora raggiunto la fase di convalida, il che colloca il sistema di ASPIRE in prima linea tra le innovazioni pronte alla qualificazione e alla dimostrazione in orbita. Questo risultato positivo è in parte dovuto alla strategia innovativa di ASPIRE che, per la prima volta su scala mondiale, sfrutta strumenti numerici predittivi al fine di snellire il processo di convalida. «È stato un progetto impegnativo, ma alla fine i risultati hanno premiato i nostri sforzi. Non vedo l’ora di vedere presto un propulsore elettrico alimentare un veicolo spaziale verso Marte e oltre», conclude Angarano.
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