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

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

2 2Sommario Presentazione di Alta SpA La propulsione spaziale La propulsione elettrica Le attività industriali in ambito di EP Conclusioni

3 3 Presentazione dellazienda Alta S.p.A. Centrospazio Alta S.p.A. nasce come spin-off dellUniversità di Pisa e del Consorzio Pisa Ricerche (CPR, Centrospazio ), 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., leaderAlta è oggi una PMI indipendente, leader Europea per quanto riguarda tecnologie e servizi per la propulsione spaziale avanzata e sotto-sistemi connessi, con successi nel trasferimento di tecnologie dallambito 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 4Attività propulsione spaziale elettricaLattività principale di Alta, derivata direttamente da Centrospazio, è la propulsione spaziale elettrica, nellambito 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 5 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 6 Attività di prova Alta propulsione elettrica Alta 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 elettrica: il simulatore spaziale più grande in italia più grande in Europa. –1 Large Space Simulator (200 m 3, 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 simulatore spaziale più grande in italia e la camera di prova per propulsione avanzata più grande in Europa. –1 mid-size space simulator (10 m 3, 1e -8 mbar) –1 mid-size space simulator (7 m 3, 1e -9 mbar) –8 camere a vuoto più piccole (sino a 4 m 3 e 1e -9 mbar) per test tecnologici e di componenti rientro in atmosfera –Galleria del vento ipersonica per la simulazione del rientro in atmosfera unico in Europa –Impianto di prova per turbopompe di sistemi criogenici (es impeller del motore Vulcain di Ariane), unico in Europa –Laboratorio di micro-fabbricazione in ambiente pulito

7 7 La propulsione spaziale Lunico modo di esercitare una forza su un veicolo spaziale consiste nellespellere una certa quantità di massa con una certa velocità allesterno: Maggiorev e Maggiore è la velocità di scarico v e, 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 lenergia immagazzinata allinterno delle molecole del propellente nel caso della propulsione elettrica, lenergia per laccelerazione è fornita dallesterno tramite campi elettro-magnetici, scariche ecc.

8 8 Propulsione chimica Propulsione elettrica Propulsione Elettrica v e sino a 100 km/s Criogenici: LO2-LH2 v e ~ 4.0 km/s Propellente solido v e ~ 2.5 km/s

9 9 Trascurando la resistenza aerodinamica D, gli effetti gravitazionali Fg e considerando il propellente emesso a velocità costante nellintervallo di accensione, lequazione integrata tra listante iniziale di accensione e quello finale (considerando i transitori trascurabili) fornisce lequazione di Tsiolkovsky: 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)

10 10 Classificazione dei propulsori spaziali

11 11 La propulsione spaziale (3) ognimissione presenta requisitiv e spinta Se si considera la sola v e la propulsione elettrica sarebbe preferibile per ogni missione. Però ogni missione presenta requisiti sia a livello di v e (o meglio di Δv) che di spinta. chimici spinte elevate I propulsori chimici riescono a processare enormi quantità di propellente ottenendo spinte elevate anche a fronte di v e basse. elettrici vincolati alla presenza a bordo di alimentatori limite al livello di spinta effettivamente realizzabile I propulsori elettrici necessitano di fornire dallesterno lenergia al propellente e quindi sono vincolati 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 realizzabile con la propulsione elettrica e quindi al suo impiego in generale. chimicadecollo impulsivo La propulsione chimica è utilizzabile in particolare per il decollo, per il controllo dassetto e per linnalzamento orbitale impulsivo. elettricamanovre fini di correzione dassettoa bassa spinta. La propulsione elettrica è utilizzabile particolarmente per manovre fini di correzione dassetto e per linnalzamento orbitale a bassa spinta.

12 12 La propulsione elettrica (1) Esistono essenzialmente tre tipologie di propulsione elettrica (anche se hanno significative intersezioni): Propulsori elettrotermici Propulsori elettrotermici: lenergia elettrica viene usata per scaldare un gas che viene fatto espandere in un ugello: arcogetti e resistogetti (v e ~ 3 km/s, T~ 1 N) Propulsori elettrostatici Propulsori elettrostatici: un gas ionizzato viene accelerato solo da forze elettrostatiche: propulsori a griglia, FEEP (v e km/s, T~ 1 μN-0.1N) Propulsori elettromagnetici Propulsori 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 (v e 2-10 km/s, T ~ 1 mN-1N)

13 13 La propulsione elettrica (2)

14 14 Propulsori elettro-termici gasdinamicolenergia è fornita al gas elettricamente Rappresentano il passo intermedio tra propulsione chimica ed elettrica: il processo accelerativo è gasdinamico (ugello), ma lenergia è fornita al gas elettricamente. Questo permette di massimizzare la prestazione della parte accelerativa (che dipende dallenergia fornita per unità di massa al gas e dal suo peso molecolare). semplicirobusti I dispositivi elettrotermici risultano essere particolarmente semplici e robusti e sono competitivi con i propulsori chimici per numerose missioni in orbita.

15 15 Propulsori elettrotermici in funzione in camera a vuoto Propulsori elettro-termici (2) utilizzati con successo sin dagli anni 70 Resistogetti e, soprattutto, arcogetti sono utilizzati con successo per il controllo dassetto in orbita sin dagli anni 70.

16 16 Propulsori elettro-statici Motori a griglia (Gridded Ion Engines) ionizza il propellente Allinterno del motore si ionizza il propellente che fuoriesce da uno o più elettrodi cavi. griglie metalliche Una serie di griglie 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. neutralizzatore Un neutralizzatore, posto allesterno del motore, espelle elettroni per mantenere la neutralità del motore stesso.

17 17 Propulsori elettro-statici Motori a griglia (Gridded Ion Engines) NASA Deep Space 1 ESA Artemis I propulsori GIE sono stati utilizzati con successo nella missione NASA Deep Space 1 ed ESA Artemis.

18 18 Propulsori elettro-statici Motori ad effetto di campo (FEEP) estratti ed accelerati ioni tramite un forte campo elettrostatico In questo tipo di propulsore, vengono estratti ed accelerati ioni dal propellente (solitamente un metallo liquido) tramite 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 dellordine dei 100 km/s spintemolto basse e precise Le spinte ottenibili sono molto 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.

19 19 Propulsori elettro-statici Motori ad effetto di campo (FEEP) µScope (CNES - Equivalence Principle) LISA (ESA - Gravitational wave detection)

20 20 Propulsori elettromagnetici Motori ad effetto Hall (HET) ccelera elettrostaticamente ionizzato per impatto con elettroni magnetizzaticonfinati In questo tipo di propulsore, si accelera elettrostaticamente un gas propellente che viene ionizzato per impatto con elettroni magnetizzati confinati nella camera di accelerazione.

21 21 Propulsori elettromagnetici Densità m -3 Temperatura elettronica10 60 eV Grado di ionizzazione<50% Ioni Xe ++ e Xe % ; <1% Velocità ioni15 25k m/s Velocità neutri0.3 1 km/s Raggio di Larmor ioni> 1 m Raggio di Larmor elettroni0.1 1 mm Caratteristiche del plasma nel canale di accelerazione

22 22 Propulsori elettromagnetici Propulsori ad effetto Hall (HET) rappresentano ora uno dei più interessanti concetti di EP per il controllo dassetto 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 interessanti concetti di EP per il controllo dassetto.

23 23 Propulsori elettromagnetici Propulsori magnetoplasmadinamici (MPD) plasmascarica campo magnetico indotto In questo caso il propellente è in forma di plasma: una scarica parte da un catodo centrale ed arriva ad un anodo anulare; la corrente stessa generata dal plasma contribuisce con il campo magnetico indotto alla spinta. Possono avere un campo-magnetostatico imposto o esclusivamente auto-indotto. grandi potenze Permettono buoni livelli di Ve ed alta spinta, ma necessitano grandi potenze. T=T em +T gd T=T em +T gd + T Hall T Hall = T Hem +T Hgd

24 24 Propulsori elettromagnetici Propulsori magnetoplasmadinamici (MPD) ancora in fase di studio e sviluppo Questo tipo di propulsore è al momento ancora in fase di studio e sviluppo: alcuni prototipi a bassa potenza hanno volato con successo.

25 25 EP ed industria la maturità necessaria per lapplicazione sistematica in volo 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 lapplicazione sistematica in volo. crescente interesseper lapplicazione industriale Negli ultimi 15 anni si è quindi avuto un crescente interesse per lapplicazione industriale della EP, in particolare per le seguenti attività: progetto progetto ed ottimizzazione dei propulsori e della parte di potenza previsione delle prestazione previsione delle prestazione a medio e lungo termine, soprattutto a livello di sistema studioa terra studio della prestazione a terra prove di vita e qualifica prove di vita e qualifica per il volo volo missioni di volo Alta SpA è presente ad ogni livello nellambito dellEP europea Alta SpA è presente ad ogni livello nellambito dellEP europea.

26 26 Progetto ed ottimizzazione Analisi magnetica e termica CAD Design Prototipo 700 W EQM 2 kW EQM 200 W

27 27 Progetto ed ottimizzazione Operating since vacuum chambers5+1 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 28 Previsione della prestazione (1)

29 29 Previsione della prestazione (2)

30 30 Prove a terra (1)

31 31 Prove a terra (2) 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

32 32 Prove a terra (3) 5 kW25 kW50 kW

33 33 Prove a terra (4)

34 34 Prove a terra (5)

35 35 Studi di sistema

36 36 Studi di sistema (2) -51% drag

37 37 Studi di sistema (3) DSMC simulation of re-entry on Mars at different altitudes in the transitional regime Contamination of the ISS surfaces due to an additional spherical inflatable module

38 38 Missioni di volo

39 39Conclusioni Alta è una PMI operativa principalmente nellambito della propulsione avanzata per satelliti, particolarmente per quello che riguarda la realizzazione e la prova di propulsori elettrici. tipologie di missionepropulsione elettricaEsistono più tipologie di missione per le quali la propulsione elettrica rappresenta di gran lunga il miglior candidato. livello di maturità per missioni anche commercialiAlcuni concetti di propulsore elettrico hanno raggiunto un livello di maturità tale da giustificarne lutilizzo estensivo per missioni anche commerciali. attività a carattere industrialeEsiste unampia gamma di attività 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 europeo propulsione elettricail più grande assortimento privato di camere di prova avanzateAlta è in prima linea in ambito europeo praticamente in tutti i programmi connessi alla propulsione elettrica; possiede inoltre il più grande assortimento privato di camere di prova avanzate per la prova e la qualifica dei propulsori.


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