Descripció del projecte
Les òrbites terrestres molt baixes (VLEO) amb un rang d’altitud de 150 a 250 km poden proporcionar avantatges significatius per a les missions de satèl·lits. Els equips d’observació de la Terra, per exemple, poden aconseguir una resolució més alta o es poden dissenyar comparablement més petits i d’una manera més rendible. No obstant això, a causa de la densitat de partícules de l’atmosfera residual, un satèl·lit caurà en poc temps. Una solució és la propulsió elèctrica basada en respirar l’atmosfera (ABEP) que empra les partícules atmosfèriques com a propulsor per a un dispositiu de propulsió elèctrica. L’empenta contínua compensa l’arrossegament, permetent períodes de vida de la missió factibles.
Dins del projecte EU DISCOVERER, es va desenvolupar un propulsor de plasma (IPT) basat en radiofreqüència (RF) Helicon [1]. El IPT es va operar a les instal·lacions de l’Institut de Sistemes Espacials (IRS) a la Universitat de Stuttgart, utilitzant Ar, N2 i O2 com a propulsor, per la qual cosa és aplicable a una missió VLEO. A més, el disseny sense elèctrodes del propulsor mitiga l’erosió dels seus components causada per l’O atòmic, mentre que ofereix un plomall de plasma quasi neutre, evitant l’ús de neutralitzador.
Un dels components més crucials de l’IPT és el disseny de l’antena, anomenada antena gàbia d’ocells, que permet una polarització lineal dels camps EM fomentant l’acceleració de les partícules propulsores carregades, així com maximitzar l’eficiència de l’acoblament elèctric i la càrrega del circuit [2]. Implementant un camp magnètic extern en direcció axial es generen, juntament amb els camps EM generats per l’antena, les condicions idònies per a la generació de ones helicons. L’antena es fa operar en els seus modes ressonants per tal d’aconseguir un alt grau d’ionització i densitat de plasma dins del flux. Tanmateix, encara no es coneixen completament les dependències de les geometries específiques de l’antena (longitud o nombre de potes, per exemple) i el tipus de condensadors en el rendiment d’ionització de les partícules, ni quin efecte té en l’empenta.
D’altra banda, també hi ha altres components, com el generador de camp magnètic extern o el generador de RF, que presenten certs reptes a l’hora de ser operats a l’espai, com el sobrecalentament. Per tant, els problemes que presenten s’han d’identificar, estudiar i solventar per arribar a dissenyar un prototip de propulsor elèctric preparat per a ser utilitzat a l’espai.
El projecte de recerca s’enfoca en el marc d’investigació, desenvolupament i optimització del sistema de propulsió elèctric ABEP, en particular el IPT, per a satèl·lits a VLEO. L’activitat es centra en realitzar un estudi de literatura, inclòs el principi de funcionament del propulsor, el concepte d’impedància adaptada i ressonància de l’antena. A continuació, s’investigarà la dependència que la geometria de la antena de tipus gàbia d’ocells té en l’eficiència d’ionització i en la producció d’empenta, per tal d’entendre amb més detall la física que hi ha radera de l’antena i sobre el plasma generat. Altrament, s’investigarà més a fons la física relacionada amb la dinàmica de les partícules ionitzades dins del propulsor i a la sortida d’aquest.
Finalment, caldrà identificar els límits de disseny i realitzar noves iteracions en el disseny tant de l’antena com del sistema de propulsió ABEP.
El projecte també inclou el disseny i testeig d’un o més prototips ja integrat amb altres subsistemes (presa d’aire, sistema d’alimentació, etc.) en condicions “reals” d’operació al buit. Tanmateix, s’estudiarà l’utilització de certs mecanismes o subsistemes per optimitzar l’operació del propulsor. Al llarg del temps de projecte es preveu la realització de diferents articles científics i tecnològics, així com la comunicació dels resultats en conferències ci amb els estudis realitzats durant el desenvolupament.
[1] F. Romano, RF Helicon Plasma Thruster for an Atmosphere-Breathing Electric. Propulsion System (ABEP). 2021, ISBN: 9783843949538.
[2] L. Chang, X. Hu, L. Gao et al., “Coupling of RF antennas to large volume helicon plasma,” AIP Advances, jour vol 8, number 4, 2018, ISSN: 21583226. DOI: 10.1063/1.5025510. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1063/1.5025510
