HiPER High Power Electric Propulsion: a Roadmap for the Future ASI Workshop settimo programma quadro
High Power Electric Propulsion: a Roadmap for the Future (HiPER) Obiettivi del programma: Definire un piano di sviluppo sostenibile e realistico per il futuro utilizzo (sia a breve, che a medio-lungo termine) della propulsione elettrica a alta potenza Avanzare lo stato dell arte dei propulsori elettrici e dei generatori di potenza, attraverso: ricerca di base, campagne sperimentali, realizzazione di nuovi prototipi Definire e analizzare dei profili di missioni che traggano particolare beneficio dall utilizzo della propulsione elettrica ad alta potenza. Tre principali aree di azione : Analisi di missione Propulsione Elettrica Generazione di potenza elettrica nello spazio 2
HiPER Facts 20 soggetti, provenienti da 6 diversi paesi dell Unione Europea hanno partecipato al progetto, coordinati da Alta Durata: 36 mesi (poi estesa a 40); inizio: Ottobre, 2008 Finanziamento pari a 3.6M 3
La propulsione elettrica Nei propulsori elettrici il propellente viene accelerato per effetto di forze elettromagnetiche ed è espulso a velocità molto elevate (circa 10 volte maggiori rispetto ai tradizionali propulsori chimici) Ridotto consumo di propellente Elevata capacità di manovra Affidabilità Dove si usa la propulsione elettrica? Station keeping su satelliti per telecomunicazioni (>200 operativi in orbita), drag-compensation su satelliti in orbita bassa per osservazione terrestre (GOCE), sistema propulsivo principale per missioni scientifiche verso altri corpi celesti (SMART-1, BEPI COLOMBO, HAYABUSA) 4
La propulsione elettrica: verso l alta potenza L utilizzo di potenze più elevate (da 10-20 kw fino a 1-2 MW) può abilitare nuovi tipi di missione, rendere possibili trasferimenti più ambiziosi (in termini di capacità di carico) o più rapidi, permettere missioni interplanetarie con equipaggio. HiPER affronta perciò i seguenti temi: Studio dedicato di missione, per individuare gli scenari che più si avvantaggiano di questa tecnologia Adattamento dei propulsori, per ottimizzarne le prestazioni alle alte potenze Generazione di potenza elettrica in ambiente spaziale ( per potenze >100 kw ) 5
Analisi di Missione - Definizione degli scenari Terra-EML1 Da GTO (con 2500s I sp ) Massa iniziale: 10 tons Potenza 100 kw e Tempo necessario: 91 days Propellente: <1 ton Payload: ~9 tons in halo orbit Obiettivi: Stazione spaziale in EML1 per utilizzo delle risorse lunari e come punto di partenza per missioni interplanetarie Terra-Marte-Terra Da GTO (con 5000s I sp ) Massa iniziale: 10 tons Potenza 250 kw e Tempo totale: ~5 anni Permanenza su Marte: ~2 anni Risparmio propellente: 4-5 tons Obiettivi: - Missione robotica su Marte - Missione cargo - Esplorazione delle lune marziane NEOs Da EML1 (con 2500s I sp ) Massa iniziale: 5 tons Potenza 200 kw e Tempo totale: 4 anni Permanenza su NEO: 1 anno Trasferimento a minimo consumo Obiettivi: - Missioni a carattere scientifico - Sfruttamento risorse in situ - Controllo traiettoria (in caso di rischio di impatto con la Terra) 6
Propulsori elettrici a alta potenza Hall Effect Thrusters Gridded Ion Engines MPD Thrusters Potenza: 10-50 kw Pro: Facilmente scalabile a alte potenze / affidabilità Cons: N.P. HiPER Goal: Progettare, realizzare e provare un prototipo da almeno 20 kw Potenza: 10-20 kw Pro: Alto impulso specifico / elevata vita operativa Cons: Bassa densità di spinta HiPER Goal: Studiare una configurazione per incrementare le prestazioni a alta potenza Potenza: 100 kw to 2 MW Pro: Alta densità di spinta / compattezza Cons: Basso Rendimento / Vita operativa insufficiente per le missioni proposte HiPER Goal: Studiare il comportamento del propulsore attraverso campagna sperimentale 7
20kW Hall Effect Thruster Manufacturing, Assembly & Test Potenza operativa: 2.6 to 23.5 kw Portata di Xe: 5 to 42.5 mg/s Diff. di potenziale: 100 to 500 V Propulsore a effetto Hall Spinta Prestazioni Misurate 1050 mn Impulso specifico V Portata Xe Potenza 2700 s 500 V 41 mg/s 22.4 kw Rendimento 60 % 8
Propulsore magneto-plasma-dinamico (MPD) Prototipo progettato: Funzionamento quasi-stazionario (impulsi di 500 ms) Potenza nominale: 100 kw Impulso specifico: 2500 s Rendimento: 25% 9
Generazione di potenza in ambiente spaziale Generatori Solari Generatori Nucleari Orizzonte temporale: breve termine Tecnologia consolidata, adatta per missioni in orbita terrestre o dirette verso pianeti interni Potenza obiettivo: 250-300 kw SFIDE: potenza specifica; controllo satellite; dispiegamento pannelli in orbita HIPER GOAL: Progettare, realizzare e provare un prototipo di panello solare di nuova generazione, adatto per i livelli di potenza in gioco Orizzonte temporale: medio-lungo termine Necessaria per missioni dirette verso i pianeti esterni o per potenze > 0.5 MW 10 anni di vita operativa; potenza elettrica fino a 2MW; potenza specifica 40 kg/kw SFIDE: controllo termico; sicurezza al lancio; protezione dalle radiazioni HIPER GOAL: Definire l architettura di un sistema di generazione di potenza a fissione nucleare da usare in combinazione con propulsori elettrici 10
Realizzazione di un pannello solare di nuova generazione Substrato di Kapton, struttura gonfiabile Celle a tripla giunzione Lente di Fresnel per concentrare la luce solare (8X) dispiegata tramite supporti di materiale a memoria di forma GaAs TJ cells Areal power density @ launch [W/m 2 ] Standard panels HiPER Panel 300 300 Specific power @ launch [W/kg] 45 150 Stowed power density @ launch [kw/m 3 ] Specific power @ EOL GEO-15yrs [W/kg] 8 15 20 30 35 110 11
Conclusioni & sviluppi futuri Studio di missione Definizione di tre scenari che possono trarre il massimo vantaggio dalla propulsione elettrica ad alta potenza e relative analisi di missione Sviluppi futuri: Propulsori elettrici Motori Hall: test di un prototipo da 20 kw Motori MPD: ricerca di base Motori a Ioni: studio di una architettura alternativa Generatori elettrici Solari: realizzazione e prova di un prototipo Nucleari: definizione completa di un sistema di generazione di potenza A breve termine: Motore Hall 20kW + generatore solare, per missioni all interno del sistema Terra-Luna A medio-lungo termine: Motori MPD/Ioni + generatore nucleare, per missioni dirette verso Marte, NEOs o verso pianeti esterni L esperienza di HiPER Nel campo della propulsione elettrica, HiPER ha rappresentato la prima esperienza, a livello europeo e mondiale, di collaborazione tra un così elevato numero di soggetti specializzati. 12
... NASA is now considering the prospects for multi-hundred-kilowatt solar-electric propulsion as an enabling technology for future human flights to near Earth objects and Mars (Aerospace America, March 2012) Electric propulsion is the most cost-effective technology in existence for providing substantial post-launch propulsion capability in deep space (Caltech / NASA JPL, April 2012) 13
HiPER High Power Electric propulsion: a Roadmap for the future Contact: t.misuri@alta-space.com Alta SpA, via A. Gherardesca 5, 56121, Pisa Ospedaletto, www.alta-space.com