1 Propulsione spaziale elettrica: il punto di vista industriale A. Passaro – Alta S.p.A. Firenze, 2 aprile 2009

1

Propulsione spaziale elettrica: Propulsione spaziale elettrica:

il punto di vista industrialeil punto di vista industriale

A. Passaro – Alta S.p.A.

Firenze, 2 aprile 2009

2

SommarioSommario

• Presentazione di Alta SpA

• La propulsione spaziale

• La propulsione elettrica

• Le attività industriali in ambito di EP

• Conclusioni

3

Presentazione dell’aziendaPresentazione dell’azienda

• Alta S.p.AAlta S.p.A.. nasce come spin-off dell’Università di Pisa e del Consorzio Pisa Ricerche (CPR, CentrospazioCentrospazio), nel Dicembre 1999 con lo scopo di sfruttare industrialmente e commercialmente le tecnologie avanzate derivate dalla ricerca in ambito aerospaziale, con obiettivo primario lo spazio.

• Alta è oggi una PMI indipendente, leader , leader Europea per quanto riguarda tecnologie e servizi per la propulsione spaziale avanzata e sotto-sistemi connessi, con successi nel trasferimento di tecnologie dall’ambito spaziale a quelli relativi a energia, ambiente e consulenze.

• Alta annovera tra i propri clienti/partner: ESA, ASI, NASA, ENEL, EADS-Astrium, SNECMA, Laben …

4

AttivitàAttività

• L’attività principale di Alta, derivata direttamente da Centrospazio, è la propulsione spaziale propulsione spaziale elettricaelettrica, nell’ambito della quale sono stati raggiunti importanti risultati :

• 1990: primo arcogetto italiano• 1993: primo propulsore MPD italiano• 1995: primo propulsore Hall europeo• 1999: primo micro-propulsore integrato a

livello mondiale• 2002: primo propulsore Hall ad alta potenza

interamente europeo.• 2004: primo propulsore Hall a bassa potenza

europeo.

5

Attività (2)Attività (2)

Le attività di Alta sono inoltre dedicate a tutti i campi della propulsione spaziale:

– Propulsione chimica– Aerotermodinamica– Simulazione– Sistemistica– Realizzazione e prova

A cui si affiancano attività a carattere prettamente industriale:

– Generazione distribuita di energia– Tecnologie al plasma per la vetrificazione dei rifiuti– Tecnologie al plasma per trattamenti superficiali– Combustione per turbine a gas– Ingegneria del vuoto– Ingegneria elettro-meccanica avanzata– Fluido-dinamica applicata alle imbarcazioni

6

Attività di provaAttività di prova• AltaAlta possiede uno dei maggiori assortimenti europei

di camere di prova spaziali private, accessibili anche a clienti esterni ed è leader Europea per servizi di prova per propulsione elettricapropulsione elettrica:

– 1 Large Space Simulator (200 m3, 1e-9 mbar) per termo-vuoto, end-to-end test del sistema propulsivo su satelliti medio-grandi, test di propulsori ad alta potenza: è il il simulatore spaziale più grande in italiasimulatore spaziale più grande in italia e la camera di prova per propulsione avanzata più grande in Europa. più grande in Europa.

– 1 mid-size space simulator (10 m3, 1e-8 mbar) – 1 mid-size space simulator (7 m3, 1e-9 mbar) – 8 camere a vuoto più piccole (sino a 4 m3 e 1e-9 mbar)

per test tecnologici e di componenti– Galleria del vento ipersonica per la simulazione del

rientro in atmosferarientro in atmosfera– Impianto di prova per turbopompe di sistemi criogenici

(es impeller del motore Vulcain di Ariane), unico in unico in EuropaEuropa

– Laboratorio di micro-fabbricazione in ambiente pulito

7

La propulsione spazialeLa propulsione spaziale

L’unico modo di esercitare una forza su un veicolo spaziale consiste nell’espellere una certa quantità di massa con una certa velocità all’esterno:

e

ge

vmT

DFvmvM

MaggioreMaggiore è la velocità di scarico vvee, maggiore la forza esercitata a parità di propellente espulso e quindi minore la quantità di propellente da imbarcare.

La velocità di scarico massima ottenibile dipende essenzialmente dal meccanismo accelerativo utilizzato:

• nel caso di propulsori chimici, si utilizza l’energia immagazzinata all’interno delle molecole del propellente

• nel caso della propulsione elettrica, l’energia per l’accelerazione è fornita dall’esterno tramite campi elettro-magnetici, scariche ecc.

8

Propulsione chimica Propulsione elettrica

Propulsione Elettricave sino a 100 km/s

Criogenici: LO2-LH2

ve ~ 4.0 km/s

Propellente solidove ~ 2.5 km/s

9

Trascurando la resistenza aerodinamica D, gli effetti gravitazionali Fg e considerando il propellente emesso a velocità costante nell’intervallo di accensione, l’equazione integrata tra l’istante iniziale di accensione e quello finale (considerando i transitori trascurabili) fornisce l’equazione di Tsiolkovsky:

te m

mvv 0ln

e

t

v

v

m

mexp

0

Le missioni spaziali sono usualmente definite in termini di un Δv necessario alla loro realizzazione e come si deduce dalla tabella, in cui sono riportati gli incrementi di velocità per alcune missioni, gli ordini di grandezza caratteristici arrivano facilmente a valori di m/s.

La propulsione spaziale (2)La propulsione spaziale (2)

10

Classificazione dei propulsori spaziali

00 g

v

gm

TI e

sp

11

La propulsione spaziale (3)La propulsione spaziale (3)

• Se si considera la sola ve la propulsione elettrica sarebbe preferibile per ogni missione. Però ogniogni missione presenta requisitimissione presenta requisiti sia a livello di vvee (o meglio di Δv) che di spintaspinta.

• I propulsori chimicichimici riescono a processare enormi quantità di propellente ottenendo spinte elevatespinte elevate anche a fronte di ve basse.

• I propulsori elettricielettrici necessitano di fornire dall’esterno l’energia al propellente e quindi sono vincolati alla presenza a bordo di alimentatorivincolati alla presenza a bordo di alimentatori, circuiti magnetici ecc. Questi dispositivi sono relativamente pesanti e necessitano di potenza elettrica: si pone quindi un limite al livello di spinta effettivamente realizzabilelimite al livello di spinta effettivamente realizzabile con la propulsione elettrica e quindi al suo impiego in generale.

• La propulsione chimicachimica è utilizzabile in particolare per il decollodecollo, per il controllo d’assetto e per l’innalzamento orbitale impulsivo impulsivo.

• La propulsione elettricaelettrica è utilizzabile particolarmente per manovre fini di manovre fini di correzione d’assettocorrezione d’assetto e per l’innalzamento orbitale a bassa spinta.a bassa spinta.

12

La propulsione elettrica (1)La propulsione elettrica (1)

Esistono essenzialmente tre tipologie di propulsione elettrica (anche se hanno significative intersezioni):

• Propulsori elettrotermiciPropulsori elettrotermici: l’energia elettrica viene usata per scaldare un gas che viene fatto espandere in un ugello: arcogetti e resistogetti (ve~ 3 km/s, T~ 1 N)

• Propulsori elettrostaticiPropulsori elettrostatici: un gas ionizzato viene accelerato solo da forze elettrostatiche: propulsori a griglia, FEEP (ve 4-100 km/s, T~ 1 μN-0.1N)

• Propulsori elettromagneticiPropulsori elettromagnetici: un gas ionizzato viene accelerato da forze elettrostatiche e magnetiche che possono dipendere anche dalle correnti indotte dal flusso di ioni stessi: propulsori ad effetto Hall, MPD(ve 2-10 km/s, T ~ 1 mN-1N)

13

La propulsione elettrica (2)La propulsione elettrica (2)

14

Propulsori elettro-termiciPropulsori elettro-termici

Rappresentano il passo intermedio tra propulsione chimica ed elettrica: il processo accelerativo è gasdinamicogasdinamico (ugello), ma l’energia è fornita al gas elettricamentel’energia è fornita al gas elettricamente.

Questo permette di massimizzare la prestazione della parte accelerativa (che dipende dall’energia fornita per unità di massa al gas e dal suo peso molecolare).

I dispositivi elettrotermici risultano essere particolarmente semplicisemplici e robustirobusti e sono competitivi con i propulsori chimici per numerose missioni in orbita.

15

Propulsori elettrotermici in funzione in camera a vuoto

Propulsori elettro-termici (2)Propulsori elettro-termici (2)

Resistogetti e, soprattutto, arcogetti sono utilizzati con successoutilizzati con successo per il controllo d’assetto in orbita sin dagli anni ’70sin dagli anni ’70.

16

Propulsori elettro-staticiPropulsori elettro-staticiMotori a griglia (Gridded Ion Engines)

All’interno del motore si ionizza il propellenteionizza il propellente che fuoriesce da uno o più elettrodi cavi.

Una serie di griglie metallichegriglie metalliche viene quindi usata per accelerare gli ioni sino a velocità tipiche di 4 km/s.

Si usano diverse griglie in modo da imporre potenziali diversi per separare ioni ed elettroni e focalizzare il fascio.

Un neutralizzatoreneutralizzatore, posto all’esterno del motore, espelle elettroni per mantenere la neutralità del motore stesso.

17

Propulsori elettro-staticiPropulsori elettro-statici

Motori a griglia (Gridded Ion Engines)

I propulsori GIE sono stati utilizzati con successo nella missione NASA Deep Space 1NASA Deep Space 1 ed ESA ArtemisESA Artemis.

18


Motori ad effetto di campo (FEEP)

In questo tipo di propulsore, vengono estratti ed accelerati ioniestratti ed accelerati ioni dal propellente (solitamente un metallo liquido) tramite un forte campo elettrostaticotramite un forte campo elettrostatico (~10 kV).

Il propellente, iniettato tramite una fessura di 1 μm di spessore, viene ionizzato per effetto punta ed accelerato dal campo elettrico sino a raggiungere velocità dell’ordine dei 100 km/s

Le spintespinte ottenibili sono molto basse e precisemolto basse e precise (ordine del μN) e rendono questi propulsori i candidati ideali per manovre fini di correzione di assetto per esperimenti di micro-gravità e volo in formazione.

AcceleratorEmitter

Propellantreservoir

Slit

Neutralizer

Ve Va Vn

M+

e-

19


Motori ad effetto di campo (FEEP)

Beam probes

Container

Ion beam

µScope (CNES - Equivalence Principle)

LISA (ESA - Gravitational wave detection)

20

Propulsori elettromagneticiPropulsori elettromagnetici

Motori ad effetto Hall (HET)

In questo tipo di propulsore, si accelera elettrostaticamenteccelera elettrostaticamente un gas propellente che viene ionizzato per impatto con elettroni magnetizzatiionizzato per impatto con elettroni magnetizzati “confinati”confinati” nella camera di accelerazione .

21


•Densità 10181019 m-3

• Temperatura elettronica 10 60 eV

•Grado di ionizzazione <50%

• Ioni Xe++ e Xe+++ 210% ; <1%

•Velocità ioni 15 25k m/s

•Velocità neutri 0.3 1 km/s

•Raggio di Larmor ioni > 1 m

•Raggio di Larmor elettroni 0.11 mm

Caratteristiche del plasma nel canale di accelerazione

22


Propulsori ad effetto Hall (HET)

Usati con successo dagli anni ’70 in Unione Sovietica, sono stati utilizzati in occidente recentemente solo come prototipi (ESA - SMART-1): rappresentano ora uno dei più rappresentano ora uno dei più interessanti concetti di EP per il controllo d’assettointeressanti concetti di EP per il controllo d’assetto.

23


Propulsori magnetoplasmadinamici (MPD)

In questo caso il propellente è in forma di plasmaplasma: una scaricascarica parte da un catodo centrale ed arriva ad un anodo anulare; la corrente stessa generata dal plasma contribuisce con il campo magnetico indottocampo magnetico indotto alla spinta.

Possono avere un campo-magnetostatico imposto o esclusivamente auto-indotto.

Permettono buoni livelli di Ve ed alta spinta, ma necessitano grandi potenzegrandi potenze.

T=Tem+Tgd T=Tem+Tgd+ THall

THall= THem+THgd

24


Propulsori magnetoplasmadinamici (MPD)

Questo tipo di propulsore è al momento ancora in fase di studio e sviluppoancora in fase di studio e sviluppo: alcuni prototipi a bassa potenza hanno volato con successo.

25

EP ed industriaEP ed industria

La propulsione elettrica, vista sino a pochi anni fa come un argomento di nicchia a carattere prevalentemente di ricerca, ha ormai raggiunto, per diverse tipologie di propulsori, la maturità necessaria per l’applicazione sistematica in volola maturità necessaria per l’applicazione sistematica in volo.

Negli ultimi 15 anni si è quindi avuto un crescente interessecrescente interesse per l’applicazione industrialeper l’applicazione industriale della EP, in particolare per le seguenti attività:

• progettoprogetto ed ottimizzazione dei propulsori e della parte di “potenza”

• previsione delle prestazioneprevisione delle prestazione a medio e lungo termine, soprattutto a livello di sistema

• studiostudio della prestazione a terraa terra

• prove di vita e qualificaprove di vita e qualifica per il volo

• missioni di volovolo

Alta SpA è presente ad ogni livello nell’ambito dell’EP europeaAlta SpA è presente ad ogni livello nell’ambito dell’EP europea.

26

Progetto ed ottimizzazioneProgetto ed ottimizzazione

Analisi magnetica e termica

CAD Design

Prototipo 700 W

EQM 2 kW

EQM 200 W

27

Progetto ed ottimizzazioneProgetto ed ottimizzazione

• Operating since 2003• 5+15+1 vacuum chambers vacuum chambers for microthruster

and component tests, with thermal vacuum capability

• 1 high vacuum/controlled atmosphere glove-box with lock chamber & thermal vacuum capability

28

Previsione della prestazione (1)Previsione della prestazione (1)

1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 30000

5000

1 104

1.5 104

2 104

2.5 104

Impulso specifico [s]

Pot

enza

[W

]

SPT-70SPT-100T-100ESPT-140SPT-200SPT-290

2

.

)(

2

gI

Pm

sp

Da

29

Previsione della prestazione (2)Previsione della prestazione (2)

30

Prove a terra (1)Prove a terra (1)

31


Diagnostica intrusiva (sonde elettrostatiche)

• sonde di Faraday (Faraday Cups Array)

• sonde di Langmuir

• RPA

• sonde a tempo di volo

• ExB

Diagnostica non intrusiva

• spettroscopia del getto e camera di accelerazione

• Densità del plasma

• Temperatura elettronica

• Densità di corrente nel getto

• Distribuzione di energia degli ioni

• Tracking del vettore di spinta

80 60 40 20 0 20 40 60 800

2

4

6

8

10

12

14

+60°+30°0°-30°-60°

Current Density at 1m from Thruster Exit

Rake Scan Angle [deg]

Cur

rent

Den

sity

[A

/m2]

Interpolated current density data contour plot [A/m^2]

32


5 kW 25 kW 50 kW

33


34


35

Studi di sistemaStudi di sistema

36

Studi di sistema (2)Studi di sistema (2)

-51% drag

37

Studi di sistema (3)Studi di sistema (3)

DSMC simulation of re-entry on Mars at different altitudes in the transitional regimeDSMC simulation of re-entry on Mars at different altitudes in the transitional regime

Contamination of the ISS surfaces due to an additional spherical inflatable moduleContamination of the ISS surfaces due to an additional spherical inflatable module

38

Missioni di voloMissioni di volo

39

ConclusioniConclusioni

• Alta è una PMI operativa principalmente nell’ambito della propulsione avanzata per satelliti, particolarmente per quello che riguarda la realizzazione e la prova di propulsori elettrici.

• Esistono più tipologie di missionetipologie di missione per le quali la propulsione elettricapropulsione elettrica rappresenta di gran lunga il miglior candidato.

• Alcuni concetti di propulsore elettrico hanno raggiunto un livello di maturitàlivello di maturità tale da giustificarne l’utilizzo estensivo per missioni anche commercialiper missioni anche commerciali.

• Esiste un’ampia gamma di attività a carattere industrialeattività a carattere industriale che sono necessarie per il passaggio dalla carta alla realtà di un sistema di propulsione elettrico, in primis la capacità estensiva di prova a terra.

• Alta è in prima linea in ambito europeoAlta è in prima linea in ambito europeo praticamente in tutti i programmi connessi alla propulsione elettricapropulsione elettrica; possiede inoltre il più grande assortimento il più grande assortimento privato di camere di prova avanzateprivato di camere di prova avanzate per la prova e la qualifica dei propulsori.

Documents

1 Propulsione spaziale elettrica: il punto di vista industriale A. Passaro – Alta S.p.A. Firenze, 2 aprile 2009