Ulepszony napęd jonowy o niskiej mocy obietnicą dla przyszłych sieci satelitarnych
Branża satelitarna szybko się rozwija, zwłaszcza w sektorach niskiej i średniej orbity okołoziemskiej (LEO/MEO), co zmusza Europę do szybkiego wprowadzania innowacji w celu wzmocnienia jej strategicznej pozycji na świecie. Osiągnięcie wysokiej wydajności, kompatybilności z masową produkcją, zdolności do szybkiej adaptacji i konkurencyjnych cen są kluczowe dla sukcesu Europy na rynku satelitów. Aby móc skutecznie zaspokajać potrzeby tego rynku docelowego, układy napędu jonowego o małej mocy muszą być wysoce elastyczne, zdolne do pracy zarówno z ksenonowymi, jak i kryptonowymi materiałami pędnymi w szerokim zakresie mocy, do 1 kW.
Nadejście systemów napędowych o niskiej mocy
Finansowany ze środków UE projekt CHEOPS LOW POWER wykorzystuje sukcesy wcześniejszego projektu CHEOPS I, aby wprowadzać stopniowe postępy do pierwszego europejskiego układu napędu jonowego niskiej mocy do początku 2025 roku. Badania skupiają się na kluczowych komponentach, takich jak moduł pędnika Halla i system zarządzania płynami, które osiągnęły poziom gotowości technologicznej (TRL) 7, oraz jednostka przetwarzania mocy o poziomie TRL 6. „Szukamy sposobu, aby sprostać wyzwaniom związanym z kompaktowością, modułowością, wydłużoną żywotnością, niskimi kosztami i wysokimi wskaźnikami produkcji oraz elastycznym zarządzaniem materiałem pędnym” — zauważa koordynatorka projektu Vanessa Vial. „Naszym celem jest również wprowadzenie strategii kwalifikacyjnej dla modułu pędnika, aby obniżyć powtarzające się koszty dzięki ustandaryzowanemu podejściu dla wszystkich klientów”. Aby osiągnąć te cele, CHEOPS LOW POWER przyjął strategię projektowania według kosztów, wykorzystując komercyjne, gotowe komponenty i wdrażając metody produkcji typu lean. Planowane jest wykorzystanie nowych technologii oraz opracowanie zaawansowanych narzędzi numerycznych do projektowania napędów jonowych, aby lepiej przewidywać wydajność i zachowanie pędników w środowiskach eksploatacji. Co więcej, naukowcy będą dążyć do standaryzacji diagnostyki pędnika Halla, przygotowując wszystko pod jego nadchodzącą demonstrację na orbicie.
Przyspieszenie innowacji w zakresie napędów jonowych małej mocy
Pod koniec pierwszej fazy projektu testy funkcjonalne i mechaniczne potwierdziły, że moduł pędnika, jednostka przetwarzania mocy i system zarządzania płynami są kompatybilne zarówno z ksenonowymi, jak i kryptonowymi materiałami pędnymi, oraz umożliwiają osiągnięcie mocy do 1 kW. Ich wydajność spełniała, a nawet przewyższała obecne standardy w tej dziedzinie. Ważnym kamieniem milowym było pomyślne zakończenie oceny projektu funkcjonalnego układu napędu jonowego o małej mocy w 2023 roku. Testy sprzęgania zaplanowano na połowę 2024 r., a ocenę statusu kwalifikacji zaplanowano na koniec tego roku. Naukowcy ulepszyli również HYPHEN-2, platformę do symulacji wielu pędników, poprzez wdrożenie nowych algorytmów, które dokładniej odwzorowują wyładowania plazmowe, konstrukcję pędnika i warunki brzegowe. Te ulepszenia rozszerzyły możliwości narzędzia do oceny alternatywnych materiałów pędnych i oszacowania żywotności systemu pędników. Osiągnięto również znaczne skrócenie czasu symulacji o 33%. Udoskonalono i rozszerzono metody diagnostyczne, aby poprawić zrozumienie parametrów plazmy w układzie pędnika i poddać je analizie. Optyczna spektroskopia emisyjna w połączeniu z kolizyjnym modelem radiacyjnym okazała się skuteczna podczas kampanii testowych. Porównanie wyników testów z wynikami pomiarów sondy Langmuira ujawniło wysoki stopień podobieństwa uzyskanych parametrów plazmy wewnętrznej. „Takie wyniki podkreślają wartość optycznej spektroskopii emisyjnej jako nieinwazyjnego narzędzia diagnostycznego. Wdrożenie tego rozwiązania w obiektach testowych i monitorowanie podczas lotu okazało się obiecujące w zakresie wykrywania i monitorowania krytycznych zmian parametrów w czasie rzeczywistym” — wyjaśnia Vial. Co więcej, czasowo-rozdzielcza fluorescencja indukowana laserem odegrała kluczową rolę w korelacji przejściowego lub oscylacyjnego zachowania modułu pędnika z leżącymi u podłoża zjawiskami fizycznymi, które powodują niestabilności lub oscylacje. „Do 2025 roku projekt CHEOPS LOW POWER zrewolucjonizuje rynki satelitów LEO/MEO na całym świecie, a w szczególności sektor konstelacji satelitów. Z czasem inicjatywa ta przekształci sektor projektowania i produkcji satelitów poprzez pionierskie podejście, które integruje możliwości branży i potrzeby klientów od samego początku” — podsumowuje Vial.
Słowa kluczowe
CHEOPS LOW POWER, napęd jonowy małej mocy, materiał pędny, ksenon, krypton, pędnik Halla, konstelacje satelitów