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Sistema avanzado de propulsión eléctrica

El propulsor de calificación del Sistema de Propulsión Eléctrica Avanzada dentro de una de las cámaras de vacío en el Laboratorio de Propulsión Eléctrica y Energía Glenn de la NASA.

El Sistema de Propulsión Eléctrica Avanzada ( AEPS , por sus siglas en inglés ) es un sistema de propulsión eléctrica solar para naves espaciales que está siendo diseñado, desarrollado y probado por la NASA y Aerojet Rocketdyne para misiones científicas a gran escala y transporte de carga. [1] La primera aplicación del AEPS es propulsar el Elemento de Propulsión y Potencia (PPE, por sus siglas en inglés) del Lunar Gateway , [1] que se lanzará no antes de 2027. [2] El módulo PPE está siendo construido por Maxar Space Systems en Palo Alto, California. Dos motores AEPS idénticos consumirían 25 kW generados por el conjunto de paneles solares desplegables (ROSA, por sus siglas en inglés), que puede producir más de 60 kW de potencia. [1]

El elemento de potencia y propulsión (PPE) del Lunar Gateway tendrá una masa de 8 a 9 toneladas métricas y será capaz de generar 50 kW [3] de energía eléctrica solar para sus propulsores de efecto Hall para maniobrabilidad, que pueden ser apoyados por propulsores monopropulsantes químicos para maniobras de control de actitud de alto empuje. [4]

Descripción general

Se ha demostrado que la propulsión solar eléctrica es fiable y eficiente, y permite una reducción significativa de la masa de las naves espaciales. La propulsión solar eléctrica de alta potencia es una tecnología clave a la que se le ha dado prioridad debido a sus importantes beneficios para la exploración en el espacio cislunar y en las misiones tripuladas a Marte. [1]

El sistema de propulsor Hall AEPS fue desarrollado originalmente desde 2015 por el Centro de Investigación Glenn de la NASA y el Laboratorio de Propulsión a Chorro para ser utilizado en la ahora cancelada Misión de Redirección de Asteroides . El trabajo en el propulsor no se detuvo después de la cancelación de la misión en abril de 2017 porque existe una demanda de tales propulsores para una variedad de misiones de la NASA, de defensa y comerciales en el espacio profundo. [1] [5] [6] Desde mayo de 2016, [7] el trabajo adicional en AEPS se ha transferido a Aerojet Rocketdyne que actualmente está diseñando y probando el hardware del modelo de ingeniería. [1] Este es un contrato por un valor de $ 65 millones, donde Aerojet Rocketdyne desarrolló, calificó y entregará cinco subsistemas de propulsores Hall de 12,5 kW, incluidos propulsores, PPU y controladores de flujo de xenón. [8]

Diseño

El AEPS se basa en el modelo de desarrollo de propulsor de 12,5 kW llamado 'Hall Effect Rocket with Magnetic Shielding' (HERMeS). El motor eléctrico solar del AEPS hace uso del propulsor de efecto Hall en el que el propulsor se ioniza y acelera mediante un campo eléctrico para producir empuje . Para generar 12,5 kW en el propulsor se necesitan en realidad un total de 13,3 kW, incluida la energía necesaria para la electrónica de control. Cuatro motores AEPS idénticos (propulsor y electrónica de control) necesitarían teóricamente 4 × 13,3 kW = 53,2 kW, más que los 50 kW generados por los paneles solares del PPE. [1] Se afirma que el conjunto AEPS está pensado para utilizar solo 40 kW de los 50 kW, por lo que el empuje máximo estaría limitado a alrededor de 1,77 N.

El modelo de ingeniería está siendo sometido a varias pruebas de vibración, dinámica del propulsor y pruebas del entorno térmico en 2017. [1] Se espera que AEPS acumule alrededor de 5.000 h al final del contrato y el diseño apunta a lograr un modelo de vuelo que ofrezca una vida media de al menos 23.000 horas [1] y una vida completa de aproximadamente 50.000 horas. [6]

Los tres componentes principales del motor de propulsión AEPS son: un propulsor de efecto Hall, una unidad de procesamiento de potencia (PPU) y un controlador de flujo de xenón (XFC). Los propulsores pueden regularse en un rango de potencia de entrada de 6,67 a 40 kW con voltajes de entrada que van de 95 a 140 V. [1] La masa estimada del propulsor de xenón para el Lunar Gateway sería de 5000 kg. [1] La revisión preliminar del diseño se llevó a cabo en agosto de 2017. [10] Se concluyó que "la unidad de procesamiento de potencia demostró con éxito un funcionamiento estable del sistema de propulsión y respondió adecuadamente a todos nuestros escenarios de contingencia planificados". [11]

Pruebas

Una vista desde el interior de la cámara de vacío que muestra el Sistema de Propulsión Eléctrica Avanzada activado durante las pruebas de calificación en NASA Glenn.

En julio de 2017, se probó el AEPS en el Centro de Investigación Glenn. [12] Las pruebas utilizaron una unidad de procesamiento de energía (PPU), que también podría usarse para otras tecnologías avanzadas de propulsión de naves espaciales. [12] En agosto de 2018, Aerojet Rocketdyne completó la prueba de integración de sistemas temprana en una cámara de vacío, lo que condujo a la fase de finalización y verificación del diseño. [13] [14] En noviembre de 2019, Aerojet Rocketdyne demostró el propulsor AEPS a plena potencia por primera vez. [15]

En julio de 2023, la NASA y Aerojet Rocketdyne comenzaron las pruebas de calificación del AEPS. [16]

Véase también

Referencias

  1. ^ abcdefghijk Descripción general del desarrollo y la aplicación de la misión del sistema avanzado de propulsión eléctrica (AEPS). (PDF). Daniel A. Herman, Todd A. Tofil, Walter Santiago, Hani Kamhawi, James E. Polk, John S. Snyder, Richard R. Hofer, Frank Q. Picha, Jerry Jackson y May Allen. NASA; NASA/TM—2018-219761. 35.ª Conferencia Internacional sobre Propulsión Eléctrica. Atlanta, Georgia, 8 al 12 de octubre de 2017. Consultado: 27 de julio de 2018.
  2. ^ "Programas Artemis: la NASA debería documentar y comunicar planes para abordar el riesgo masivo de Gateway". GAO . 31 de julio de 2024 . Consultado el 1 de agosto de 2024 .
  3. ^ La NASA emite contratos de estudio para el elemento Deep Space Gateway. Jeff Foust, Space News . 3 de noviembre de 2017.
  4. ^ Chris Gebhardt (6 de abril de 2017). «La NASA finalmente establece objetivos y misiones para el SLS: analiza un plan de varios pasos para Marte». NASA Spaceflight . Consultado el 9 de abril de 2017 .
  5. ^ Jeff Foust (14 de junio de 2017). «La NASA cierra la misión de redirección de asteroides». Space News . Consultado el 9 de septiembre de 2017 .
  6. ^ ab Aerojet Rocketdyne firma contrato para desarrollar un sistema avanzado de propulsión eléctrica para la NASA. Aerojet Rocketdyne. Nota de prensa, 28 de abril de 2016. Consultado: 27 de julio de 2018.
  7. ^ La NASA trabaja para mejorar la propulsión solar eléctrica para la exploración del espacio profundo. Noticias de la NASA. 19 de abril de 2016. Consultado el 27 de julio de 2018.
  8. ^ Aerojet Rocketdyne prueba con éxito un sistema avanzado de propulsión eléctrica para ampliar las capacidades tecnológicas espaciales del país. Aerojet Rocketdyne. 6 de julio de 2017.
  9. ^ Estado de los sistemas avanzados de propulsión eléctrica para misiones de exploración. R. Joseph Cassady, Sam Wiley, Jerry Jackson. Aerojet Rocketdyne. 16 de noviembre de 2018.
  10. ^ Desarrollo y calificación de un sistema de vuelo de propulsión eléctrica avanzada de 13 kW. (PDF). Jerry Jackson, May Allen, Roger Myers, Erich Soendker, Benjamin Welander, Artie Tolentino, Chris Sheehan, Joseph Cardin, John Steven Snyder, Richard R. Hofer, Todd Tofil1, Dan Herman, Sam Hablitze y Chyrl Yeatts. 35.ª Conferencia Internacional de Propulsión Eléctrica. Atlanta, Georgia, EE. UU., 8 al 12 de octubre de 2017.
  11. ^ El sistema avanzado de propulsión eléctrica se probó con éxito en el Centro de Investigación Glenn de la NASA. Jason Rhian, Spaceflight Insider . 8 de julio de 2017.
  12. ^ ab "Sistema avanzado de propulsión eléctrica probado con éxito en el Centro de Investigación Glenn de la NASA - SpaceFlight Insider". www.spaceflightinsider.com . 8 de julio de 2017 . Consultado el 28 de julio de 2018 .
  13. ^ Las pruebas exitosas le dan un impulso al Sistema Avanzado de Propulsión Eléctrica de la NASA. David Szondy, New Atlas . 29 de agosto de 2018.
  14. ^ Aerojet Rocketdyne demuestra capacidades avanzadas de propulsión eléctrica. Space Daily . 29 de agosto de 2018.
  15. ^ "El propulsor eléctrico avanzado para el Gateway de la NASA logra una demostración de máxima potencia: arco parabólico". 9 de noviembre de 2019. Consultado el 11 de noviembre de 2019 .
  16. ^ NASA, Aerojet Rocketdyne pone a prueba el sistema de propulsión Gateway. NASA. 12 de julio de 2023. Consultado el 12 de julio de 2023.