Ridefinizione del lancio piccolo: la spinta elettrica di spostamento verso l'alto

Per decenni, i piccoli satelliti e CubeSats hanno investito i loro giri come carichi secondari su grandi razzi, costretti dal programma e dall'orbita della missione primaria. L'aumento dei veicoli di lancio su piccola scala dedicati, i pirotecnici progettati per sollevare carichi di payima di poche centinaia di chilogrammi o meno, ha aperto nuove possibilità per le implementazioni flessibili, frequenti e convenienti.

I sistemi di propulsione elettrica, come i propulsori ioni e i propulsori ad effetto Hall, funzionano accelerando il propellente (tipicamente xeno o krypton) usando campi elettrici o magnetici.

Mentre il lancio completamente elettrico dal terreno è impraticabile a causa del basso rapporto di spinta-peso dei propulsori elettrici attuali, la combinazione di un booster chimico che solleva il veicolo in orbita, seguita da una fase superiore elettrica per l'inserimento orbitale e oltre, rappresenta una architettura ibrida pratica.

Perché elettrici opuscoli di propulsione per piccoli veicoli di lancio

Sbloccando le orbite più alte con meno propellente

Il vantaggio principale della propulsione elettrica per i veicoli di lancio è la sua eccezionale efficienza del carburante. Una fase chimica superiore potrebbe utilizzare diversi centinaia di kg di propellante per circolarizzare un'orbita o aumentare l'altitudine. Una fase superiore elettrica, utilizzando la stessa massa propellante, può produrre molte volte più delta-v, consentendo un piccolo lanciatore di raggiungere orbite più alte o di eseguire dispiegazioni multi-target.

Questa capacità è particolarmente preziosa per i piccoli operatori satellitari che vogliono operare in orbite non standard o devono evitare la densità di detriti spaziali a quote comuni. La propulsione elettrica dà loro la libertà di scegliere orbite che erano precedentemente inaccessibili a lanciatori di piccole dimensioni a prezzi accessibili.

Costi di lancio ridotti e logistica semplificata

Poiché i propulsori elettrici utilizzano il propellente molto efficiente, la massa della fase superiore può essere ridotta. Questa riduzione si abbassa al booster: meno propellente nella fase superiore significa che il booster ha bisogno di meno spinta e carburante per sollevare l'intero stack, che può ridurre i costi di produzione e consentire più piccoli pad di lancio. Inoltre, i sistemi di propulsione elettrica hanno meno parti mobili di motori chimici complessi - senza turbopomp, nessuna complessa sequenza di accensione per-che-che-che-che-che-che-che-che-che possono semplificare costi di riduzione.

Anche se le fasi superiori chimiche utilizzano spesso miscele ipergoliche o idraziche tossiche, i propulsori elettrici tipicamente utilizzano gas nobili inerti come xeno o krypton. Questi gas sono atossici, non richiedono alcuna tuta di sicurezza speciale per gli equipaggi del terreno, e possono essere immagazzinati e caricati con attrezzature più semplici. La campagna di lancio generale diventa più veloce, più conveniente e più sicuro.

Vantaggi ambientali e regolamentari

I razzi chimici emettono vapore acqueo, anidride carbonica, ossidi di azoto e specie contenenti cloro che possono danneggiare lo strato di ozono. La propulsione elettrica, al contrario, produce emissioni minime di gas neutri e ioni, e gli elicanti inerti hanno effetti atmosferici trascurabili.

Inoltre, la massa ridotta di propellente significa meno spedizioni di camion di materiali pericolosi, riducendo ulteriormente l'impronta ambientale generale di una campagna di lancio.

Tecnologie attuali e sviluppi chiave

Trasmettitori Hall-Effect per piccoli stadi superiori

I propulsori a effetto Hall (HET) sono i cavalletti di lavoro di oggi e la propulsione elettrica. Sono compatti, efficienti e hanno il patrimonio di volo su decine di veicoli a lancio. Per i piccoli veicoli a lancio, diverse aziende stanno riducendo gli HET alla gamma di potenza 100–1,000 W, mantenendo alta Isp (1.500–2.000 s).

Una dimostrazione notevole è stata la “Small Vehicle with Electric Propulsion” (SVEP) concept studiata dall'ESA, che ha utilizzato un gruppo di propulsori miniaturizzati Hall per l'innalzamento dell'orbita dopo un'accensione a rotella solida.

Trasmettitori di ioni Gridded: Isp più alta per le missioni estese

I propulsori a gas densi (GIT) offrono un impulso specifico ancora più elevato, fino a 5.000 secondi, ma al costo della densità di spinta inferiore e della maggiore complessità.

ThrustMe’s I2T5 propulsore produce 1,3 mN di spinta a 2.500 secondi Isp, rendendolo adatto per piccole manovre satellitari. Tuttavia, per un ruolo di alto livello che richiede decine o centinaia di mN, sarebbero necessari cluster di propulsori ioni o unità singole più grandi.

Tecnologie alternative: Plasma e Electrospray

Oltre a propulsori a raggi ioni e a Hall, vengono esplorati altri concetti di propulsione elettrica per piccoli stadi superiori del veicolo di lancio. I propulsori al plasma Pulsed (PPTs) offrono semplicità e propellente solido (ad esempio Teflon), ma la loro bassa efficienza e la spinta li limitano alle applicazioni microsatellite.

Un altro concetto emergente è il propulsore magnetoplasmadinamico (MPD)[[, che utilizza un arco ad alta corrente per generare plasma denso e ad alta densità di spinta. Mentre i propulsori MPD sono stati studiati per decenni, i loro elevati requisiti di potenza (megawatt per un funzionamento efficiente) li rendono impratica per i piccoli lanciatori.

Integrare la propulsione elettrica in piccoli progetti di veicoli di lancio

Opzioni di architettura: Kick Stage, Tug o Hybrid Upper Stage

Ci sono diversi modi per incorporare la propulsione elettrica in un piccolo lanciatore. Il più semplice è un stadio di scatto]—una sonda spaziale separata che stacca dal booster chimico e utilizza propulsori elettrici per completare l'inserimento dell'orbita e quindi eseguire ulteriori manovre.

Un approccio più integrato è quello di costruire l'intera fase superiore intorno a un gruppo di propulsori elettrici, con il booster che fa l'ascesa iniziale e stadiante a velocità suborbitali. La fase elettrica aumenta la propria orbita nei giorni o nelle settimane usando la spinta continua bassa. Questa architettura permette un booster molto più piccolo perché la fase superiore porta molto meno propellente di un equivalente chimico.

Infine, alcuni concetti prevedono una fase superiore [] ibrida[] con un piccolo motore chimico per l'inserimento rapido dell'orbita e un propulsore elettrico per la manutenzione della stazione o i cambiamenti dell'orbita successivi.

Gestione del potere e della termica

I propulsori elettrici richiedono una notevole potenza elettrica, che deve essere immagazzinata durante la salita e dispiegata dopo la separazione del palco. Per i piccoli veicoli di lancio, i grandi array solari (spesso 10-30 m2) sono una sfida significativa.

I propulsori elettrici generano calore di scarto dal corpo PPU e del propulsore, e i fuochi a lunga durata (tenute di ore) possono causare temperature che aumentano al di sopra dei limiti dei componenti. I radiatori e i tubi di calore devono essere progettati per rifiutare il calore mentre resiste all'ambiente di lancio. Alcuni progetti utilizzano il propellente stesso come un refrigerante, scorrendolo attraverso canali prima dell'iniezione per portare via il calore di scarico—una tecnica già utilizzata in alcuni propulsori.

Superare le sfide

Limitazioni di soglia e tempo per l'ordine

Il più spesso citato svantaggio della propulsione elettrica è la sua spinta bassa. Un tipico spinta Hall produce poche centinaia di millinewtons; un motore chimico di dimensioni simili produce kilonewton. L'aumento dell'orbita con propulsione elettrica richiede settimane o mesi invece di minuti. Per i piccoli veicoli di lancio, questo significa che la fase superiore non può sostenere missioni sensibili al tempo come il trasporto o l'imaging on-demand. Tuttavia, per molti piccoli operatori satellitari, il risparmio è accettabile

I progetti di propulsori avanzati stanno spingendo i livelli di spinta più elevati. NASA-457M[ Il propulsore di Hall ha dimostrato 100 kW e 5.4 N di spinta, mostrando che è possibile scagliare. Per i piccoli lanciatori, i cluster di tre a cinque 1 kW di spinta potrebbero fornire la spinta totale necessaria durante l'offerta ridondanza.

Affidabilità del sistema di alimentazione

La propulsione elettrica a lunga durata richiede sistemi di potenza altamente affidabili. Gli array solari devono sopravvivere all'ambiente di radiazione e produrre un potere coerente anche ad alti angoli di incidenza. I meccanismi di implementazione devono funzionare senza problemi dopo i carichi di lancio. Un guasto nel sistema di alimentazione può infilare la fase superiore in un'orbita di parcheggio. Per mitigare questo, i produttori sono array di qualificazione per vibrazioni e ciclismo termico, utilizzando corde ridondanti e incorporando array di tracciamento di potenza di alta potenza.

Un altro approccio è quello di utilizzare fonti di energia elettrica nucleare, come generatori termoelettrici radioisotopi (RTGs) o piccoli reattori di fissione. Per i piccoli lanciatori, gli RTG sono troppo pesanti e scarse (alimentazione limitata del plutonio-238). Kilopower], un progetto della NASA, ha dimostrato un reattore a 10 kW fissione che potrebbe essere scalato per anni di propulsione elettrica.

Vita e Erosione

I propulsori elettrici hanno una durata limitata a causa dell'erosione di elettrodi, pareti dei canali e griglie. Le vite dei propulsori Hall sono tipicamente di 2.000–10.000 ore, a seconda delle condizioni operative. Per una fase superiore che può bruciare per 10.000 ore su più mesi, questo è sufficiente. Ma per le missioni che richiedono più riavvicinamenti o ustioni molto lunghi, l'erosione può diventare una modalità di guasto.

La strada principale: dimostrazioni a breve termine e visione a lungo termine

Prossimi test di volo

Le piccole aziende di veicoli di lancio si stanno preparando a volare le fasi superiori elettriche Lancio di rocket Lab] ha annunciato i piani per una versione di propulsione elettrica del suo Photon stadio superiore, anche se i dettagli specifici rimangono proprietari Astra] (ora fuori dal business) avevano contemplato le fasi di avvio elettrico, e [[FLT[FLT]

Sul lato della ricerca, NASA’s ]Il progetto Solar Electric Propulsion (SEP) sta sviluppando un sistema di spinta Hall da 12,5 kW che potrebbe eventualmente essere adattato per le piccole fasi superiori del veicolo di lancio.

Viabilità economica e mercato Tirare

Il caso di business per la propulsione elettrica in piccoli veicoli di lancio cerniere su riduzione del costo totale per chilogrammo in orbita. Un piccolo lanciatore senza uno stadio elettrico potrebbe costare $5-10 milioni per una missione di 300 kg. Aggiungendo una fase superiore elettrica aumenta i costi di sviluppo e aggiunge massa di sistema di alimentazione, ma può consentire la consegna a orbite più elevate che comandano i prezzi premium o consentono missioni multi-payload che riducono il costo per satellite.

Gli analisti di mercato prevedono che la domanda di piccoli servizi di lancio satellitare crescerà da $2 miliardi nel 2023 a oltre $10 miliardi entro il 2030, guidati da costellazioni a banda larga, osservazione della Terra e connettività IoT. La propulsione elettrica sarà un abilitatore chiave per rendere queste costellazioni accessibili, in particolare come gli operatori cercano di riempire satelliti a parametri orbitali esatti.

Conclusione: un futuro ibrido

La propulsione elettrica non sostituirà i motori chimici per i piccoli booster di veicoli di lancio in qualsiasi momento. L'immensa spinta necessaria per sfuggire alla Terra’ la gravità è semplicemente al di là della capacità dei propulsori elettrici attuali. Tuttavia, per la fase superiore e oltre, la propulsione elettrica offre un percorso di maggiore efficienza, costi inferiori e ridotto impatto ambientale.

Con la maturità della tecnologia del propulsore, i sistemi di potenza diventano più leggeri e il patrimonio di volo si accumula, possiamo aspettarci di vedere più piccoli lanciatori adottare le fasi superiori elettriche. Questo spostamento democratizzerà l'accesso alle orbite più elevate, consentirà operazioni spaziali più sostenibili e accelera la crescita di un ecosistema spaziale commerciale vibrante. Il futuro del lancio di spazi di piccola scala non è puramente elettrico, ma è certamente elettrico-ibrida, e questo fa tutta la differenza.