Propulsione spaziale elettrica: il punto di vista industriale A. Passaro – Alta S.p.A.

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

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

3. Presentazione dell’azienda • Alta S.p.A. nasce come spin-off dell’Università 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. • Alta 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 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. Attività • L’attività principale di Alta, derivata direttamente da Centrospazio, è la propulsione spaziale elettrica, 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) 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 prova • 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: • 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 simulatore spaziale più grande in italia e la camera di prova per propulsione avanzata 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 atmosfera • 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. La 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: • Maggiore è la velocità di scarico ve, 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. Criogenici: LO2-LH2 ve ~ 4.0 km/s Propellente solido ve ~ 2.5 km/s Propulsione Elettrica ve sino a 100 km/s Propulsionechimica Propulsione elettrica

9. La propulsione spaziale (2) 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: 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.

10. Classificazione dei propulsori spaziali

11. La propulsione spaziale (3) • Se si considera la sola ve la propulsione elettrica sarebbe preferibile per ogni missione. Però ognimissione presenta requisiti sia a livello di ve (o meglio di Δv) che di spinta. • I propulsori chimici riescono a processare enormi quantità di propellente ottenendo spinte elevate anche a fronte di vebasse. • I propulsori elettrici necessitano di fornire dall’esterno l’energia 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. • La propulsione chimica è utilizzabile in particolare per il decollo, per il controllo d’assetto e per l’innalzamento orbitale impulsivo. • La propulsione elettrica è utilizzabile particolarmente per manovre fini di correzione d’assetto e per l’innalzamento orbitale a bassa spinta.

12. La propulsione elettrica (1) • Esistono essenzialmente tre tipologie di propulsione elettrica (anche se hanno significative intersezioni): • Propulsori 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 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 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)

14. Propulsori elettro-termici • Rappresentano il passo intermedio tra propulsione chimica ed elettrica: il processo accelerativo è gasdinamico (ugello), ma l’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 semplici e robusti e sono competitivi con i propulsori chimici per numerose missioni in orbita.

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

16. Propulsori elettro-statici Motori a griglia (Gridded Ion Engines) All’interno del motore si ionizza il propellente che fuoriesce da uno o più elettrodi cavi. 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. Un neutralizzatore, posto all’esterno del motore, espelle elettroni per mantenere la neutralità del motore stesso.

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

18. Propulsori elettro-statici Motori ad effetto di campo (FEEP) 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 dell’ordine dei 100 km/s 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. Propulsori elettro-statici Motori ad effetto di campo (FEEP) µScope (CNES - Equivalence Principle) LISA (ESA - Gravitational wave detection)

20. Propulsori elettromagnetici Motori ad effetto Hall (HET) 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. Propulsori elettromagnetici • Densità 10181019 m-3 • Temperatura elettronica 10 60 eV • Grado di ionizzazione <50% • Ioni Xe++ e Xe+++ 210% ; <1% • Velocità ioni 15  25k m/s • Velocità neutri 0.3  1 km/s • Raggio di Larmor ioni > 1 m • Raggio di Larmor elettroni 0.11 mm Caratteristiche del plasma nel canale di accelerazione

22. Propulsori elettromagnetici 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 interessanti concetti di EP per il controllo d’assetto.

23. Propulsori elettromagnetici Propulsori magnetoplasmadinamici (MPD) 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. Permettono buoni livelli di Ve ed alta spinta, ma necessitano grandi potenze. T=Tem+Tgd T=Tem+Tgd+ THall THall= THem+THgd

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

25. EP 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 volo. • Negli ultimi 15 anni si è quindi avuto un crescente interesseper l’applicazione industriale della EP, in particolare per le seguenti attività: • progetto ed ottimizzazione dei propulsori e della parte di “potenza” • previsione delle prestazione a medio e lungo termine, soprattutto a livello di sistema • studio della prestazione a terra • prove di vita e qualifica per il volo • missioni di volo • Alta SpA è presente ad ogni livello nell’ambito dell’EP europea.

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

27. Progetto ed ottimizzazione • Operating since 2003 • 5+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. Previsione della prestazione (1)

29. Previsione della prestazione (2)

30. Prove a terra (1)

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 • Densità del plasma • Temperatura elettronica • Densità di corrente nel getto • Distribuzione di energia degli ioni • Tracking del vettore di spinta • Diagnostica non intrusiva • spettroscopia del getto e camera di accelerazione

32. Prove a terra (3) 5 kW 25 kW 50 kW

33. Prove a terra (4)

34. Prove a terra (5)

35. Studi di sistema

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

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. Missioni di volo

39. Conclusioni • 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 missione per le quali la propulsione elettrica rappresenta di gran lunga il miglior candidato. • Alcuni concetti di propulsore elettrico hanno raggiunto un livello di maturità tale da giustificarne l’utilizzo estensivo per missioni anche commerciali. • Esiste un’ampia 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 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.