Pędniki dużej mocy napędzające przyszłe loty kosmiczne
Tradycyjne metody napędu chemicznego — które polegają na spalaniu paliwa w celu wytworzenia ciągu — są stopniowo wypierane przez jonowe układy napędowe (EPS), w szczególności te oparte na pędnikach Halla. Układy EPS wykorzystują pole elektromagnetyczne do jonizacji i przyspieszania gazu, dzięki czemu oferują znaczną poprawę impulsu właściwego w porównaniu z ich chemicznymi odpowiednikami, zapewniając statkom kosmicznym znaczne korzyści w zakresie masy.
Droga do elektrycznych układów napędowych o dużej mocy
W wyniku szeroko zakrojonych badań naukowych i rozwojowych napęd elektryczny stał się rzeczywistością, a systemy o niskiej mocy są już wykorzystywane w misjach kosmicznych. Rośnie jednak zapotrzebowanie na silniki dużej mocy, wynikające z potrze przyszłych misji eksploracji kosmosu i transportu kosmicznego, a także wdrażaniem wszechstronnych platform usługowych, takich jak holownik kosmiczny do serwisowania i usuwania śmieci na orbicie. Układy EPS o dużej mocy, szczególnie te w klasie 20 kW, mają przełomowe znaczenie dla tego typu platform, ponieważ oferują idealną równowagę między elastycznością operacyjną a stosunkiem ciągu do mocy. Jednak droga do zakwalifikowania takich zaawansowanych systemów do użytku w kosmosie napotkała utrudnienia ze względu na wysokie koszty i długi czas testów. Znaczący postęp w dojrzałości technologii i alternatywna strategia kwalifikacji zaproponowana przez finansowany ze środków UE projekt ASPIRE miały na celu przezwyciężenie tych wyzwań. Strategia ASPIRE objęła przeprowadzenie testów sprzęgania na poziomie systemu, a następnie integrację zaawansowanego modelowania numerycznego z ukierunkowanymi kampaniami testowymi, aby znaleźć opłacalną i metodyczną ścieżkę rozwoju i kwalifikacji układów pędników Halla o dużej mocy.
Bezprecedensowe osiągnięcia w testowaniu pędników
Zespół rozpoczął od różnych scenariuszy aplikacji, które mogłyby skorzystać z układów EPS o tak dużej mocy, ustalając wymagania wysokiego poziomu. Naukowcy wykorzystali doświadczenie zdobyte podczas pracy nad układami EPS o niższej mocy do udoskonalenia konstrukcji różnych podsystemów i komponentów, w tym modułu pędnika, układu zarządzania płynami i architektury zasilania. Każdy z tych podsystemów przeszedł oddzielne fazy testów przed podjęciem najtrudniejszego zadania integracji i testowania całego EPS na poziomie układu. Ostateczny test zintegrowanego układu EPS został przeprowadzony w obiekcie IV10 firmy SITAEL, jednej z największych komór próżniowych do testowania napędów jonowych na świecie. „W trakcie naszych przełomowych testów pędnik był wielokrotnie uruchamiany i działał z powodzeniem w pożądanym zakresie mocy 12,5–25 kW, wykorzystując zarówno ksenon, jak i krypton jako materiałów pędnych” — podkreśla Angarano. Faza ta pozwoliła nam zbadać różne aspekty działania układu EPS w trybie napędu bezpośredniego i w warunkach wysokiego napięcia. Architektura napędu bezpośredniego pozwala nam znacznie zmniejszyć masę i zwiększyć wydajność energoelektroniki. „Przełomowym aspektem ASPIRE jest uwzględnienie kryptonu jako materiału pędnego. Tradycyjnie stosowano ksenon, ale krypton stanowi opłacalną alternatywę, ponieważ pozwala zmniejszyć koszty kwalifikacji o co najmniej rząd wielkości” — dodaje Angarano. „Co więcej, chociaż nie mieliśmy tego w pierwotnych planach, zdecydowaliśmy się też przetestować pędnik z argonem. Ostatnio argon zaczął być rozpatrywany jako jeszcze bardziej opłacalna alternatywna dla kryptonu w napędach jonowych. Był to pierwszy na świecie udany test eksploatacji pędnika o mocy 20 kW z argonem”. Naukowcy zbadali istotne zjawiska plazmowe i opracowali programy symulacyjne do oceny wydajności pędnika w czasie i w różnych warunkach pracy.
Pionierskie badania na rzecz przyszłości eksploracji kosmosu
Żaden inny układ EPS o mocy powyżej 12,5 kW nie osiągnął jeszcze etapu kwalifikacji, co plasuje system ASPIRE w czołówce rozwiązań gotowych do kwalifikacji i demonstracji na orbicie. Ten gwałtowny postęp był możliwy po części dzięki innowacyjnej strategii przyjętej przez projekt ASPIRE, która zakłada wykorzystanie predykcyjnych narzędzi numerycznych (po raz pierwszy w skali całego świata) do uproszczenia procesu kwalifikacji. „To był wymagający projekt, ale ostatecznie wyniki nagrodziły nasze wysiłki. Z niecierpliwością czekam, by wkrótce zobaczyć pędnik jonowy napędzający statek kosmiczny na Marsa i dalej” — podsumowuje Angarano.
Słowa kluczowe
ASPIRE, kwalifikacja, krypton, argon, pędnik Halla, materiał pędny, pędnik dużej mocy, napęd jonowy dużej mocy