I motori per il funzionamento in ambienti a bassa gravità su altri pianeti presentano un complesso gioco di fisica, scienza dei materiali e ingegnosità ingegneristica. A differenza dei sistemi di propulsione a terra, che sono ottimizzati per superare forti forze gravitazionali e atmosfere dense, i motori destinati alla Luna, Marte, o gli asteroidi devono funzionare in condizioni in cui la gravità è una frazione della Terra, le atmosfere vanno da livelli di riflusso a sottili temperature di carbonio esaltante.

Comprendere ambienti a bassa gravità

Gli ambienti a bassa gravità sono definiti dalle accelerazioni gravitazionali superficiali in modo significativo inferiore a quello terrestre 9,81 m/s2. La Luna esercita solo 1.62 m/s2 (circa 1/6 g), mentre Marte offre 3.71 m/s2 (circa 38% g). Gli asteroidi e le piccole lune come Phobos hanno livelli di microgravità, spesso misurati in millige o meno, dove anche una spinta delicata può indurre una riduzione dello spazio.

In bassa gravità, il rapporto di spinta-peso (T/W) diventa una metrica dominante. Un motore che può appena sollevarsi sulla Terra può raggiungere un T/W ben sopra 1 su Marte, consentendo una rapida accelerazione con un modesto consumo di propellente.

La velocità di fuga inferiore su questi corpi influenza ulteriormente il design del motore. Ad esempio, la fuga della Luna richiede solo circa 2,38 km/s, rispetto a 11.2 km/s per la Terra. Questo rilassa delta-v richiede motori di salita, permettendo ai progettisti di scambiare più impulsi specifici per una spinta inferiore o viceversa. Su Marte, la velocità di fuga è di 5,3 km/s, ancora sostanzialmente inferiore a quella terrestre, ma la presenza di discese aggetta e di un' sottile atmosferescenze.

Fisica fondamentale della Propulsione nella gravità ridotta

Requisiti di spinta e impulso specifico

L'equazione fondamentale della propulsione a razzo, che corrisponde ai tempi di flusso di massa, alla velocità di scarico, più ai termini di resistenza alla pressione, rimane invariata, ma i vincoli sul flusso di massa e sulla velocità di scarico si spostano a bassa gravità.

I[FLT]]([FLT]]]][FLT1]]]], una misura di efficienza propellante, diventa ancora più preziosa nei mondi lontani dove la rifornitura è impossibile. Ad esempio, un veicolo di salita di Marte potrebbe dare priorità a Isp rapporto di spinta-peso per minimizzare la massa propellante, che deve essere messa in mostra o prodotta in situ

Sistemi di avanzamento e avanzamento

In microgravità o gravità lunare, i propellenti non si stabiliscono in fondo ai serbatoi. Senza gestione attiva, le bolle di gas possono migrare all'assunzione, causando la cavitazione nelle pompe o l'instabilità della combustione.

  • Cabine di esposizione positiva[]] utilizzando diaframmi flessibili o pistoni per separare il liquido dal pressurante.
  • Strutture capillari[ (dispositivi di gestione proporzionanti) che utilizzano la tensione superficiale per guidare il liquido all'uscita.
  • I propulsori di accensione[] che forniscono una piccola accelerazione per risolvere i propellenti prima della combustione del motore principale.

Per la propulsione elettrica a bassa resistenza, il flusso di propellante (tipicamente xeno o krypton) viene misurato tramite un controller di flusso; la gravità gioca poco ruolo, ma la progettazione del serbatoio deve impedire al liquido di bloccare l'estrazione del gas nei sistemi di stoccaggio a due fasi.

Sistemi di trazione e propulsione

Modifiche chimiche delle rastrelliere

I motori chimici rimangono i cavalletti di lavoro per i terrestri e i veicoli di salita a causa della loro elevata spinta. Tuttavia, l'esercizio a bassa gravità richiede diverse modifiche:

  • Deep throttling:[] I motori devono far scendere il 10-20% della spinta massima per evitare di sovraspingere la superficie di atterraggio, una capacità dimostrata dal motore di discesa Apollo LM e ulteriormente affinata per i moderni terrestri lunari come il BE-7 di Blue Origin.
  • Controllo vettoriale delThrust (TVC): In gravità ridotta, i piccoli disallineamenti causano maggiori accelerazioni angolari. Gli attuatori devono essere precisi, e le gamme gimbali si estendono per mantenere la stabilità senza l'effetto di smorzamento della forte gravità.
  • Il design dell'ugello: La pressione ambientale inferiore sulla Luna o su Marte (vicino al vuoto) consente un maggiore rapporto di espansione dell'ugello per un'espansione superiore sp, ma l'ugello deve anche sopportare le sollecitazioni termiche durante l'avvio del vuoto.

Per la discesa di Marte, i motori che operano in presenza dell'atmosfera affrontano sfide uniche: retropropulsione supersonica (riscaldamento dei motori nel flusso in arrivo) crea complesse interazioni degli urti e zone di ricircolo che possono riscaldare il veicolo.

Propulsione elettrica per le missioni a bassa gravità

I sistemi di propulsione elettrica, i propulsori a effetto Hall e i propulsori magnetoplasmadinamici, offrono una spinta estremamente elevata (sp (1.500–5.000 s) ma a bassa spinta (millinewtons ai newtons).

  • La disponibilità della potenza:[] Gli array solari devono essere abbastanza grandi da generare kilowatt in una luce solare debole (Mars riceve circa il 43% dell’insolazione terrestre; la cintura di asteroidi anche meno).
  • Traduzione di tre punti:[] I propulsori elettrici spesso utilizzano supporti a gomito o spinta differenziale per il controllo dell'atteggiamento.
  • Durata:[] In bassa gravità, c'è meno stress sulle parti in movimento, ma l'erosione del propulsore da sputtering continua. Le missioni a lunga durata richiedono catodo e griglie che possono operare per decine di migliaia di ore.

La sonda SMART-1 dell’Agenzia Spaziale Europea e le missioni Hayabusa del Giappone forniscono dati reali sui propulsori elettrici operativi in lunare e microgravità. Una revisione completa di questi sistemi è disponibile dal portale di propulsione elettrica dell’ESA.

Fattori atmosferici e ambientali

Composizione e densità atmosferica

Marte ha una sottile atmosfera di CO2 (pressione media della superficie ~600 Pa, 95% CO2), mentre Titan vanta una fitta atmosfera di azoto-metano (146.7 kPa, 1,5 volte la pressione del livello del mare della Terra) in bassa gravità (1.352 m/s2, 14% g).

Per Marte, l'ingresso atmosferico genera un enorme calore, fino a 1600 °C per l'ingresso ipersonico, che richiede sistemi di protezione termica (TPS) che possono ablare o irradiare energia. La retropropulsione inizia a velocità supersonica per decelerare il veicolo, ma il motore interagisce con l'atmosfera CO2, producendo ossido nitrico (NO) e altre specie reattive che possono corrodere componenti del motore.

Su corpi senza aria come la Luna o Mercurio, i motori funzionano sotto vuoto duro. Nessuna resistenza aerodinamica aiuta con l'atterraggio; tutta la decelerazione deve provenire dalla propulsione. Questa espansione dell'ugello simplifes elimina qualsiasi possibilità di propulsione o aerocapture di respirazione dell'aria, aumentando la massa di propellente. L'esosfero della Luna contiene anche particelle di polvere carica; lo scarico del motore può trasportare questa polvere su grandi distanze, in posando un rischio di contaminazione agli strumenti scientifici.

Estremi termici

Le temperature di superficie sulla Luna variano da -173 °C di notte a 127 °C durante il giorno. Su Marte, le giornate estive vicino all'equatore possono raggiungere 20 °C, ma le notti scendono a -73 °C. Tali oscillazioni impongono rigorosi requisiti di gestione termica sui motori:

  • Preriscaldamento:[] I propellenti criogenici (LH2, LOX) devono essere mantenuti ai loro punti di ebollizione; senza convezione a gravità, il riscaldamento nei serbatoi diventa irregolare, richiedendo miscelatori interni o riscaldatori esterni.
  • Cooling:[] Il raffreddamento rigenerativo (che va a cavallo attraverso le pareti dell'ugello) deve essere progettato per ridurre i cicli di flusso di gravità, la formazione di ciottoli nei canali può causare macchie e guasti caldi locali.
  • Il design del radiatore: Per i motori termici o elettrici nucleari, il rifiuto del calore nel vuoto si basa esclusivamente sulle radiazioni. La bassa gravità consente ammende radiatori più leggere e dispiegabili, ma devono resistere all'ambiente di lancio.
  • Isulation:[] Le coperte isolanti multistrato impediscono la perdita di calore e proteggono i componenti sensibili dalle radiazioni solari e planetarie.

Selezione dei materiali e sfide strutturali

I materiali per motori a bassa gravità devono sopravvivere a temperature estreme, radiazioni (compresi eventi di particelle solari e raggi cosmici galattici), e possibili attacchi chimici da atmosfere reattive o prodotti di combustione.

  • Leghe ad alta temperatura:[ I superlloy a base di nichel (ad esempio Inconel 718) e i metalli refrattari (niobium, molibdeno) sono utilizzati per le camere e gli ugelli a combustione.
  • I compositi a matrice ceramica (CMC): I compositi in carburo di silicio offrono una maggiore capacità di temperatura rispetto ai metalli, con una densità inferiore.
  • Compatibilità criogenica:[] Le linee di alimentazione e di serbatoi devono resistere all'embrittlement a ossigeno liquido (-183 °C) e a temperature di idrogeno liquido (-253 °C). Leghe di alluminio-litoio e gli acciai inossidabili sono comuni; i compositi richiedono un'attenta progettazione di liner per prevenire perdite.
  • Resistenza alla radiazione:[ I polimeri e i sigilli degradano sotto radiazione prolungata. Gli elastomeri utilizzati per gli anelli O nelle valvole richiedono formulazioni a radiazione indurita (ad esempio, fluorosiliconi).
  • Dust e regolith:[ Sulla Luna, la polvere di silicato abrasivo può abradere parti in movimento e filtri di intaglio.

Le sfide strutturali derivano anche dalla combinazione di bassa gravità e alta accelerazione durante il lancio dalla Terra. Un motore deve sopravvivere ai carichi di lancio della Terra (tipicamente 6-8 g) ma essere abbastanza leggero per giustificare la sua penalità di massa quando si opera in bassa gravità. La produzione aggiuntiva (3D Print) permette geometrie complesse che riducono il conteggio dei componenti e l'indurimento integrale, esempi includono il motore SuperDraco di SpaceX e le varianti RL10 di Aerojet Rocketdyne.

Tecnologie innovative e concetti futuri

Ion e Hall-Effect Thrusters per la discesa a bassa gravità

Mentre tradizionalmente vengono utilizzati per il trasferimento dell'orbita interplanetario, i propulsori ioni sono considerati per l'atterraggio di precisione su piccoli corpi dove il delta-v è basso e la spinta può essere distribuita su minuti. Il propulsore NEXT della NASA (5 kW, 7 mN) potrebbe impostare dolcemente un lander di 500 kg su un asteroide.

Propulsione elettrica termica e nucleare

I missili termici nucleari (NTR) sono propellenti di calore (idrogeno) in un reattore di fissione a 2.500-3.000 K, con il raggiungimento di Isp circa 900 s—quasi raddoppiano quello dei motori chimici.

Vele solari e sistemi senza parabrezza

In microgravità, le vele solari sfruttano la pressione fotonica per una spinta continua senza propellente. Mentre non un motore nel senso tradizionale, si adattano a piccole navi spaziali per l'esplorazione del sistema solare interno. Per le lune a bassa gravità come Europa, dove il rifornimento di propellente è impossibile, una vela solare potrebbe fornire la manutenzione della stazione.

Concetti di combustione avanzati

I motori rotanti di detonazione (RDEs) utilizzano onde di detonazione supersoniche piuttosto che deflagrazione, offrendo fino al 25% di efficienza superiore. In bassa gravità, l'assenza di convezione a galleggiamento può rendere più difficile l'iniziazione di detonazione, ma le camere di combustione compatte potrebbero ridurre la massa del motore.

Test e convalida

La simulazione della bassa gravità sulla Terra è intrinsecamente difficile. Gli ingegneri utilizzano diversi metodi per qualificare i motori per operazioni di gravità ridotta:

  • I voli di tipo “Parabolico[] che producono 20-30 secondi di microgravità o gravità lunare. Questi voli provano l’impostazione del propellante, i trasmettitori di avviamento del motore e la separazione del flusso dell’ugello in un ambiente rilevante (ad esempio, i voli della NASA C-9 per il lander di Morpheus).
  • torri di derivazione[] che forniscono 5-10 secondi di zero-g per la gestione di oggetti di piccola scala e per i fuochi di propulsore (la torre di goccia ZARM a Brema, in Germania).
  • Vacuum Chambers[[]] con simulatori di altitudine che espongono motori a tutta altezza alla bassa pressione dello spazio (ad esempio, la NASA Glenn Research Center Plum Brook Station per i test di altitudine di grandi dimensioni).
  • Stampi di prova verticali[[]] che permettono di vettoriare la spinta in condizioni g simulando l'effetto di gravità ridotta attraverso cavi di sospensione o sistemi di compensazione attivi.
  • Dal fluido computazionale (CFD)[] modelli che rappresentano una ridotta gravità nel trasporto di combustione e fluido.

Le dimostrazioni in volo rimangono lo standard d'oro. Il motore di discesa del modulo lunare Apollo, ad esempio, ha subito una vasta qualificazione non solo su stand di prova, ma anche durante i test dell'orbita Apollo 9 Terra.

Conclusioni

I motori che operano in ambienti a bassa gravità su altri pianeti devono conciliare requisiti contrastanti: elevata spinta per la discesa terminale, bassa spinta per l'utilizzo di precisione, efficiente propellante attraverso una vasta gamma di backpressure, e materiali che sopravvivono a cicli termici e di radiazione letali.