Una migliore propulsione elettrica a bassa potenza per semplificare il futuro delle reti satellitari
L’industria satellitare si sta evolvendo rapidamente, soprattutto per quanto riguarda la bassa e media orbita terrestre, spingendo l’Europa a fornire rapide innovazioni per migliorare la propria posizione strategica a livello globale. Affinché l’Europa abbia successo nel mercato satellitare, il raggiungimento di obiettivi quali prestazioni elevate, compatibilità con la produzione di massa, rapida adattabilità e prezzi competitivi risulta di cruciale importanza. Per rispondere efficacemente a questo mercato bersaglio, i sistemi di propulsione elettrica a bassa potenza devono essere altamente flessibili, riuscendo a funzionare con propellenti basati sia sullo xeno che sul kripton in un’ampia gamma di potenze, fino a 1 kW.
L’alba dei sistemi di propulsione a bassa potenza
Sulla base dei successi ottenuti da CHEOPS I, il progetto CHEOPS LOW POWER, finanziato dall’UE, si propone di compiere progressi graduali in relazione allo sviluppo del primo sistema europeo di propulsione elettrica a bassa potenza entro l’inizio del 2025. La ricerca si concentra su diversi componenti chiave: l’unità di propulsione a effetto Hall e il sistema di gestione dei fluidi, che ha portato al livello di maturità tecnologica (TRL) 7, nonché l’unità di elaborazione della potenza, che ha raggiunto il TRL 6. «Intendiamo superare le sfide legate alla compattezza, alla modularità, all’allungamento della durata utile, all’abbassamento dei costi e all’incremento dei tassi di produzione, nonché alla flessibilità nella gestione del propellente», osserva la coordinatrice del progetto, Vanessa Vial. «Puntiamo anche all’introduzione di una strategia di convalida per l’unità propulsore che consenta di ridurre i costi ricorrenti attraverso l’adozione di un approccio standardizzato per tutti i clienti.» Per raggiungere questi obiettivi, CHEOPS LOW POWER sta adottando una strategia di progettazione in funzione dei costi utilizzando componenti commerciali pronti per l’uso e implementando approcci di produzione snella. Il progetto intende sfruttare le nuove tecnologie e sviluppare strumenti avanzati di progettazione numerica per la propulsione elettrica al fine di prevedere in modo migliore le prestazioni e il comportamento dei propulsori negli ambienti operativi. Inoltre, i ricercatori cercheranno di standardizzare la diagnostica dei propulsori a effetto Hall, gettando le basi per realizzare la loro prossima dimostrazione in orbita.
Accelerare l’innovazione nel campo della propulsione elettrica a bassa potenza
Alla fine della prima fase del progetto, i test funzionali e meccanici hanno confermato la compatibilità dell’unità propulsore, di quella di elaborazione della potenza e del sistema di gestione dei fluidi con i propellenti basati sullo xeno e sul kripton, raggiungendo una potenza fino a 1 kW; le prestazioni ottenute hanno soddisfatto o addirittura superato gli attuali parametri di riferimento del settore. Un importante risultato è stato raggiunto nel 2023 completando la revisione della progettazione funzionale del sistema di propulsione elettrica a bassa potenza. I test di accoppiamento sono in programma per la metà del 2024, mentre la revisione dello stato di convalida è prevista per la fine di quest’anno. I ricercatori hanno inoltre ottimizzato HYPHEN-2, una piattaforma di simulazione multi-propulsore, implementando nuovi algoritmi che rappresentano in modo più accurato la scarica del plasma, la progettazione dei propulsori e le condizioni limite. Le migliorie hanno ampliato le capacità dello strumento di valutare propellenti alternativi e di stimare la durata utile del sistema di propulsione, conseguendo inoltre una riduzione significativa del tempo di simulazione, pari al 33%. I metodi diagnostici sono stati perfezionati e ampliati al fine di comprendere e analizzare ulteriormente i parametri del plasma all’interno del sistema di propulsione. La spettroscopia di emissione ottica combinata con un modello radiativo collisionale si è dimostrata efficace durante le campagne di prova: i relativi risultati sono stati raffrontati con quelli ricavati dalle misurazioni della sonda Langmuir, rivelando un elevato grado di somiglianza nei parametri interni del plasma ottenuti. «Questi esiti mettono in evidenza il valore della spettroscopia a emissione ottica come strumento diagnostico non invasivo. La sua implementazione nelle strutture di prova e nel monitoraggio in volo è promettente per il rilevamento e il monitoraggio in tempo reale delle variazioni di parametri critici», spiega Vial. Inoltre, la fluorescenza indotta da laser risolta nel tempo è stata determinante per correlare il comportamento transitorio o oscillatorio dell’unità propulsore con la fisica sottostante, che causa le instabilità o le oscillazioni. «Entro il 2025, CHEOPS LOW POWER è destinato a rivoluzionare i mercati dei satelliti a bassa e media orbita terrestre a livello mondiale, in particolare in relazione al settore delle costellazioni satellitari. Nel corso del tempo, l’iniziativa si prefigge di trasformare l’industria della progettazione e della produzione di satelliti grazie all’applicazione di un approccio pionieristico che integra le capacità dell’industria e le esigenze dei clienti», conclude Vial.
Parole chiave
CHEOPS LOW POWER, elettrica a bassa potenza, propellente, xenon, kripton, propulsore a effetto Hall, costellazioni satellitari
