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ⓘ Propulsione elettrica per uso spaziale




                                     

ⓘ Propulsione elettrica per uso spaziale

Con propulsione elettrica per uso spaziale si intende linsieme di tutti quei motori elettrici sviluppati per la propulsione di veicoli nello spazio.

Sono state sviluppate varie tipologie di propulsori, i quali possono essere classificati in relazione al meccanismo di accelerazione prevalentemente adottato oppure in base al fluido di lavoro. I propulsori elettrici tipicamente offrono impulsi specifici maggiori rispetto ai propulsori tradizionali, tuttavia essi generano una spinta di diversi ordini di grandezza inferiore rispetto ai propulsori chimici a causa degli attuali limiti tecnologici nella potenza elettrica disponibile a bordo delle sonde spaziali. I Russi hanno adottato propulsori elettrici sui propri satelliti per decenni; nel mondo occidentale, invece, essi sono prevalentemente impiegati per manovre di north-south stationkeeping su satelliti geostazionari.

                                     

1. Cenni storici

Lidea di utilizzare la propulsione spaziale può essere ricondotta fino al 1906, quando Robert Goddard ne considerò la possibilità nei suoi taccuini privati. Successivamente, nel 1929 Hermann Oberth trattò largomento nel libro Wege Zur Raumschiffahrt. Tuttavia non fu compiuto alcun tentativo di progettazione di un propulsore elettrico fino al 1948. Un notevole contributo alla ricerca in questo campo venne da Ernst Stuhlinger.

Nonostante migliorasse la comprensione teorica della propulsione elettrica, i primi esperimenti non furono condotti prima degli anni cinquanta, in laboratorio e con una potenza ridotta. Solo negli anni sessanta crebbe linteresse della comunità scientifica a tal punto che sorsero numerosi centri di ricerca che svilupparono tutte le tipologie dei principali propulsori spaziali. Il primo test di un propulsore elettrico avvenne il 20 luglio 1964, quando a bordo del SERT-1 "Space Electric Rocket Test 1" furono testati due differenti motori, uno dei quali produsse la spinta prevista, dimostrando lapplicabilità della nuova tecnologia in impiego spaziale.

In seguito alla riduzione della spesa spaziale con la conclusione del Programma Apollo, anche la propulsione elettrica fu messa da parte, in Occidente. Successivamente ne è ripreso lo studio negli anni novanta, ma il suo impiego si è concretizzato soprattutto nel decennio seguente.

                                     

2. Classificazione

I propulsori elettrici per uso spaziale sono tipicamente raggruppati in tre famiglie, in base al meccanismo di accelerazione prevalentemente adottato.

Essi sono inoltre caratterizzati dal regime di funzionamento adottato: stazionario, se il propulsore opera in modo continuato per una durata prevista, o pulsato, se il propulsore opera per brevi intervalli che possono essere pensati impulsivi con durata inferiore al secondo, intervallati da più lunghi periodi di accumulazione dellenergia.

Unaltra classificazione adottata in letteratura suddivide i propulsori elettrici, in base al fluido di lavoro, in propulsori ionici e propulsori al plasma. Le due classificazioni quasi si sovrappongono: i propulsori ionici utilizzano un meccanismo di accelerazione di tipo elettrostatico, mentre i propulsori al plasma presentano prevalentemente unaccelerazione di tipo elettromagnetico. Una rilevante eccezione è rappresentata dai propulsori ad effetto Hall, classificati tra i motori al plasma.

                                     

3. Propulsori elettrotermici

I propulsori elettrotermici sono stati i primi ad essere sviluppati. In essi, il meccanismo di accelerazione - termogasdinamico - è lo stesso che nei propulsori chimici: il propellente portato ad alta temperatura in un opportuno vano ricavato nel propulsore - analogo alla camera di combustione - è in seguito lasciato espandere attraverso un ugello. In questo modo lenergia termica fornita al propellente è convertita in energia cinetica ed è quindi trasformata in una forma utile a generare una spinta.

La principale differenza tra i propulsori elettrotermici ed i propulsori chimici consiste nella modalità con cui lenergia termica è fornita al propellente: nei primi, infatti, il gas è scaldato o da resistenze poste a diretto contatto con esso - Resistojet - o attraverso un arco elettrico prodotto nel gas dallapplicazione di unopportuna differenza di potenziale - Arcjet.

Quali propellenti sono preferiti gas caratterizzati da un basso peso molecolare.

Le prestazioni dei propulsori elettrotermici in termini di impulso specifico sono generalmente modeste comprese in un range che va da 500 a ~1000 s, ma superano quelle dei propulsori a propellente freddo sprovvisti di una camera di combustione e di alcuni razzi chimici. NellUnione sovietica, propulsori elettrotermici sono stati in uso dal 1971.



                                     

3.1. Propulsori elettrotermici Arcjet

Gli Arcjet sono una tipologia di propulsori elettrici per veicoli spaziali, in cui si genera una scarica elettrica o "arco" in un flusso di propellente idrazina in genere o ammoniaca. Ciò conferisce ulteriore energia al propellente, in modo che si possa estrarre più lavoro da ogni kg di propellente, a spese del maggior consumo di corrente e solitamente costo più elevato. I livelli di spinta dei motori arcjet tipicamente utilizzati sono molto bassi rispetto ai motori chimici.

Quando lenergia elettrica disponibile a bordo è sufficiente, un arcjet ben si adatta a mantenere la posizione del veicolo in orbita e può sostituire i razzi monopropellenti.

In Germania, i ricercatori presso l Institute of Space Systems Aviation dellUniversità di Stoccarda hanno sviluppato vari arcjet alimentati a idrogeno in grado di produrre potenza da 1 a 100 kW. Lidrogeno, riscaldato, raggiunge una velocità di uscita di poco inferiore ai 16 chilometri al secondo.

                                     

4. Propulsori elettrostatici

Nei propulsori elettrostatici il propellente dopo essere stato ionizzato è accelerato prevalentemente dalla forza di Coulomb, cioè in seguito allapplicazione di un campo elettrostatico nella direzione dellaccelerazione.

                                     

5. Propulsori elettromagnetici

I propulsori elettromagnetici sfruttano la forza di Lorentz per accelerare il plasma. Tale forza agisce su di essi in base alla loro velocità, alla loro direzione e a quella del campo magnetico a cui sono soggetti.

                                     

5.1. Propulsori elettromagnetici Propulsori Magnetoplasmadinamici MPD/Acceleratori a Forza di Lorenz in Litio LiLFA

I propulsori magnetoplasmadinamici MPD e gli acceleratori a forza di Lorentz in litio LiLFA hanno approssimativamente lo stesso principio di costruzione. Idrogeno, argon, ammonio e azoto possono essere usati come propellente. Il gas entra nella camera principale dove viene ionizzato in plasma dal campo elettrico tra lanodo e il catodo, conducendo poi corrente tra essi. Questa nuova corrente crea un campo magnetico attorno al catodo che attraversa il campo elettrico, accelerando di conseguenza il plasma a causa della forza di Lorentz. Il propulsore LiLFA usa la stessa idea generale del propulsore MPD ad eccezione di due principali differenze: il LiLFA usa vapore di litio, che ha il vantaggio di poter essere immagazzinato in forma solida. Laltra differenza è che il catodo viene sostituito da diverse bacchette di catodo di piccole dimensioni inserite in un tubo catodico cavo. Il catodo nel propulsore MPD si corrode facilmente a causa del contatto costante con il plasma. Nel propulsore LiLFA invece il vapore di litio viene iniettato nel catodo cavo e non viene ionizzato nella sua forma di plasma corrosiva fino a che non esce dal tubo. Il plasma viene poi accelerato dalla stessa forza di Lorentz.



                                     

5.2. Propulsori elettromagnetici Propulsori per induzione a impulso PIT

I propulsori per induzione a impulso Pulsed Inductive Thrusters, PIT usano impulsi di spinta invece di una spinta continua e sono in grado di funzionare con livelli di potenza dellordine dei Megawatt MW. I PIT consistono in una grossa spira avvolta attorno a un tubo a forma conica che emette il gas propellente solitamente ammoniaca. Per ogni impulso di spinta che viene dal PIT è necessario costruire una grossa carica allinterno di un gruppo di condensatori situati dietro la spira per poi rilasciarla. Questo crea una corrente che si muove in circolo in direzione j ^ {\displaystyle {\hat {j}}}. La corrente crea poi un campo magnetico nella direzione radiale uscente B → r {\displaystyle {\vec {B}}_{r}}, che crea una corrente nel gas di ammonio che è stato appena rilasciato nel verso opposto della corrente originale. Questa corrente opposta ionizza lammonio positivamente, il quale viene poi accelerato a causa del campo elettrico in direzione j ^ {\displaystyle {\hat {j}}} che attraversa il campo magnetico B → r {\displaystyle {\vec {B}}_{r}} che causa la forza di Lorentz.

                                     

5.3. Propulsori elettromagnetici Propulsori al plasma senza elettrodi

I propulsori al plasma senza elettrodi hanno due caratteristiche uniche: la rimozione degli elettrodi di anodo e catodo e la capacità di regolare la spinta. La rimozione degli elettrodi rimuove il fattore di erosione che limita il tempo di vita degli altri motori ionici. Il gas neutro viene ionizzato da radiazioni elettromagnetiche e poi trasferito in unaltra camera dove viene accelerato da campi elettrici e magnetici oscillanti con una forza conosciuta anche come forza ponderomotiva. Questa separazione delle sezioni di ionizzazione e accelerazione danno al motore la capacità di regolare la velocità del flusso di propellente, cambiando di conseguenza lampiezza della spinta e i valori di impulso specifico.

                                     

6. Confronti

La seguente tabella compara i dati attuali dei test di alcuni propulsori elettrici, la cui maggior parte spinge gli ioni con una differenza di potenziale di 300 Volt.

I seguenti propulsori sono sperimentali e sono stati testati soltanto in modalità a impulso.

                                     
  • pressione parziale. Il sistema di propulsione solare elettrica del veicolo spaziale SMART - 1 dell Agenzia Spaziale Europea usava un propulsore a effetto
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  • di propulsione spaziale altamente efficiente con poca spinta funzionante con energia elettrica Questi modelli usano elettrodi ad alto voltaggio per accelerare
  • Il modulo di servizio è una parte di un veicolo spaziale che contiene diverse strumentazioni utili per il funzionamento dello stesso ma che non è abitabile
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  • La vela magnetica è un metodo proposto per la propulsione spaziale che userebbe un campo magnetico statico per deflettere le particelle cariche emesse
  • nei cannoni duoplasmatron e nella propulsione spaziale la seconda è impiegata nelle teste Kaufman usate tra l altro per la rifinitura delle ottiche. Si
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