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Propulsione elettrica

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Propulsione elettrica
« il: Mer 26/08/2015, 12:43 »
La propulsione elettrica, ed in particolare quella ionica, destano meraviglia e stupore abituati come siamo alle potenze dei motori a combustione terrestri. Invece sono il presente ed il futuro prossimo della mobilità nello spazio. Prendendo spunto dal topic sul VASIMR, vi segnalo il seguente video, di cui potete leggere la trascrizione anche qui.

Altri articoli:
Segnalo anche queste pagine, non so quanto affidabili, ai competenti il giudizio:
Se avete dei documenti interessanti da segnalare sul tema, vi prego di postarli nel topic, li aggiungerò a questo primo post.

Precedenti discussioni a riguardo sul forum: Differenza tra spinta e impulso specifico
« Ultima modifica: Gio 05/05/2016, 16:32 da Peter Pan »
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Re:Propulsione elettrica
« Risposta #1 il: Mer 26/08/2015, 13:58 »
Ne abbiamo parlato un sacco di volte sul forum, se cerchi un po' dovresti trovare dei post con discussioni interessanti.
Nel 2005 ho svolto la tesi di laurea all'universitá di Stoccarda sullo sviluppo del propulsore per questa missione. Il dipartimento di sistemi spaziali dell'università (IRS) è uno dei più avanzati in Europa per la propulsione elettrica
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Re:Propulsione elettrica
« Risposta #2 il: Mer 26/08/2015, 19:48 »
Invece sono il presente ed il futuro prossimo della mobilità nello spazio.

Mi sembra esagerata come affermazione, certamente c'e' un posto per tali propulsori, specialmente nel mercato dei satelliti commerciali e scientifici

Re:Propulsione elettrica
« Risposta #3 il: Lun 02/11/2015, 13:53 »
"La navicella robotizzata dell'Asteroid Redirect Mission (ARM) dovrebbe usare un propulsore elettrico solare (SEP) da 50 kW...
NASA sta sviluppando i componenti principali per un SEP ad alta potenza, quali i pannelli solari, un sistema per la gestione e distribuzione della potenza ad alta tensione, propulsori ad effetto Hall e un Power Processing Unit (PPU).
Nell'ottobre  del 2012, NASA ha aggiudicato contratti a ATK Space Systems e a Deployable Space Systems (DSS) per lo sviluppo di un prototipo di pannello solare ad alta potenza per i futuri sistemi SEP. Il pannello MegaFlex di ATK è di forma circolare con costole radiali, flessibile e si ripiega come un ventaglio.
Ha un diametro di 9.6 metri ed ogni ala è in grado di generare 25 kW. Il dispiegamento del pannello è stato testato nella camera a vuoto termica al Plum Brook Station del NASA Glenn Research Center. Il Roll-Out Solar Array (ROSA) di DSS è un pannello modulare flessibile di 4.5 x 14 mq, capace di generare 25 kW per ala. Per entrambi i pannelli sono state realizzate e testate celle solari operanti a 300 volts.
I pannelli alimenteranno i quattro propulsori ad effetto Hall da 12.5 kW dell'Asteroid Redirect Vehicle (ARV). Un propulsore Hall genera spinta ionizzando gas Xenon ed accelerandolo ad alta velocità usando campi elettrici e magnetici. Il Jet Propulsion Laboratory (JPL) ed i Glenn Research Center (GRC) di NASA stanno sviluppando dei propulsori ad effetto Hall schermati magneticamente per ridurre l'erosione del canale e prolungare la vita del propulsore di oltre un ordine di grandezza. Il propulsore Hall H6 del JPL ha operato ad impulsi specifici di 3,000 sec a 20 kW. GRC sta progettando e realizzando un prototipo schermato magneticamente da 12.5 kW.
I PPU sono necessari a convertire la potenza di uscita dal pannello nella potenza di ingresso al motore. Sono stati sviluppati due prototipi: uno con ingresso a 120 V ed uscita a 800 V e un secondo con ingresso a 300 V ed  uscita a 400 V. Entrambi i PPU sono regolabili.
E' stata anche sviluppata una unità drive diretta ad alta potenza per eliminare potenzialmente la necessità del PPU.
E' stato pianificato un test integrato del propulsore con il PPU."

Fonte: https://www.nasa.gov/sites/default/files/files/IAC-14-D2_8-A5_4_1-Moore.pdf
« Ultima modifica: Mar 03/11/2015, 00:19 da Peter Pan »
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Re:Propulsione elettrica
« Risposta #4 il: Lun 02/11/2015, 19:28 »
Non per male, ma la navicella userebbe tutti i 50 kW per la propulsione? E tutti gli altri sottosistemi rimangono spenti?
Cmq 3000 sec non sono niente male per gli Hall, quello di Smart-1 era intorno ai 1500... si vede che la tecnologia fa dei passi avanti :)

PS: per dare un'idea dell'ordine di grandezza, anche assumendo che i propulsori abbiano rendimento pari a 1, 50 kW con 3000 secondi, significa una spinta totale per tutti e quattro i propulsori di 1.7 N ;)
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Re:Propulsione elettrica
« Risposta #5 il: Lun 02/11/2015, 19:41 »
Anche l'efficenza delle celle mi sembra al limite della tecnologia. Non oltre il limite, per carità, ma giusto lì. Sono richieste celle multigiunzione con efficenza del 42%, che danno sicuramente 25 kW con un pannello circolare da 9,6 metri popolato al 90%, meno le perdite di conversione elettrica; sì, ma a 1 AU dal Sole, non fra Marte e Giove. Buzz, probabilmente il bus opera con 100W per CPU, navigazione, assetto e comunicazione; rispetto ai 50 kW il carico è trascurabile.
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Re:Propulsione elettrica
« Risposta #6 il: Lun 02/11/2015, 20:05 »
Ovvero 170 grammi peso.  :grin:
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Re:Propulsione elettrica
« Risposta #7 il: Mer 02/12/2015, 16:19 »
NASA assegna contratti per sistemi avanzati di propulsione per lo spazio profondo

NASA ha asseganto contratti a tre aziende americane che si occupano di propulsione per aiutare agevolare lo sviluppo di propulsori elettrici per lo spazio profondo – incluso il VASIMR – necessari alle missioni con equipaggi umani con destinazioni oltre la bassa orbita terrestre (LEO).

Nuovi componenti propulsivi per l'esplorazione dello spazio profondo.
Come parte dell'approccio coordinato di NASA nello sviluppo di tecnologie e sistemi necessari al trasporto di astronauti su lunghe distanze, nelle cosidette missioni di spazio profondo, la divisone Advanced Exploration Systems (AES) dell'agenzia Human Exploration Operations Missions Directorate (HEOMD) è impegnata “nel rapido sviluppo e collaudo di sistemi prototipali e nella verifica delle idee operative per la riduzione del rischio e dei costi delle future missioni esplorative”.

Parte dell'iniziativa include lo sviluppo di sistemi di ausilio all'esplorazione umana e robotica di obbiettivi oltre l'orbita terrestre.

Questo tuttavia richiede nuovi sistemi propulsivi, inutili all'esplorazione della vicina orbita terrestre, in cui le brevi durate delle missioni e la relativa vicinanza degli obbiettivi rendono ideale la tradizionale propulsione chimica.

Per supportare lo sviluppo di questi nuovi sistemi, sono stati individuati tre obbiettivi:
  • sviluppo di un sistema di propulsione solare elettrica da 100kW
  • sviluppo di tecnologie per la propulsione termonucleare capace di trasportare con rapidità equipaggi all'orbita di Marte
  • sviluppo di sistemi modulari ad alta potenza per missioni esplorative.
A questo fine, NASA ha commissionato a tre aziende l'esecuzione di test di accensione da 100 ore continuative dei loro sistemi propulsivi da 100 kW.
Inoltre sono in corso progressi nello sviluppo di “elementi combustibile”, concept di reattori e metodi di collaudo accessibili da effettuarsi a terra” per la propulsione termonucleare.
Ad oggi, oltre ad assegnare contratti, NASA e le sue agenzie partner hanno completato la realizzazione ed il collaudo di un nuovo elemento combustibile composito in grafite destinato a sistemi a flusso di idrogeno da 2.800° Kelvin, da impiegarsi in possibili futuri propulsori nucleari termici.

Contratti ed obbiettivi specifici

La presentazione della AES division della agenzia federale HEOMD riporta che, per raggiungere tutti gli obbiettivi legati alla propulsione avanzata, NASA ha stipulato contratti con Ad Astra Rocket, MSNW, e Aerojet Rocketdine per lo sviluppo di “sistemi propulsivi di potenza compresa tra i 50 e i 300kW, adeguati a concept di missioni per lo spazio profondo e con prestazioni superiori ai sistemi Solar Electric Propulsion (SEP) ad oggi individuati per la Asteroid Return Mission (ARM)”.

Tali contratti sono di durata triennale, di prezzo fissato e con pagamenti legati al raggiungimento dei sotto obbiettivi (milestone).

A tutti questi sistemi EP è richiesto un impulso specifico tra i 2k e i 5k secondi, ed una efficienza operativa, tutto compreso, non inferiore al 60% in un arco di vita non inferiore alle 50k ore, di cui almeno 10k di funzionamento operativo. Infine questi sistemi devono avere un rapporto peso potenza non superiore ai 5kg/kW.

Nell'anno finale dei contratti, alle tre aziende è richiesto che i loro EP siano sottoposti ad un test di 100 ore continuative ad un regime non inferiore ai 100kW in un contesto di funzionamento classificato da NASA come TRL 5 (NASA Technology Readiness Level 5).

Ad Astra
Il contratto di Ad Astra copre i tre anni compresi tra il 7 agosto 2015 ed il 6 agosto 2018, attraverso due rinnovi annuali, e prevede lo sviluppo ed il collaudo di un propulsore denominato VX-200SS, un VASIMR a 5 nuclei dotato di Power Processing Unit (PPU).

Questa versione del VASIMR sarà termicamente stabile e progettata per il volo spaziale umano. La sua tecnologia utilizza radio onde per ionizzare e riscaldare il propellente, e campi magnetici per creare ed accelerare il plasma al fine di generare la spinta per il veicolo spaziale.

La tecnologia per il riscaldamento del plasma utilizzata nel VASIMR fu sviluppata inizialmente nell'ambito di ricerche sulla fusione nucleare controllata.

Il contratto di Ad Astra coprirà le spese per i magneti superconduttori, il sistema di gestione del propellente, la PPU, e la tolleranza al vuoto spinto necessaria ai test di stabilità termica. Ai 9,06 M$ di NASA, si aggiungerà la quota parte di 11,78 M$ di Ad Astra che coprirà il resto dello sviluppo.

MSNW
Il contratto per MSNW, in corso dal 17 September 2015, prevede che NASA copra con 1,5 M$ il 50% dei costi di sviluppo di un propulsore a Forza di Lorentz privo di elettrodi da 100 Joule. Un propulsore da 100 kW sarà sviluppato nel primo anno e testato nei due successivi. Al termine si parla di un test di 100 ore ore continuative per una potenza compresa tra i 100 e i 200 kW.

Aerojet Rocketdyne
Il contratto (NdT: che sarebbe dovuto essere stipulato nel novembre 2015) prevede lo sviluppo dell'XR-100, propulsore ad effetto Hall da 100 kW (NdT: derivato dal propulsore da 5 kW ad oggi allo stato dell'arte), dell'XR-250 un propulsore ad effetto Hall da 250 kW che utilizza la tecnologia brevettata multi-channel Nested Hall Thruster (NHT), gli elementi critici di una PPU da 100 kW ed alcuni componenti del sistema di alimentazione dello Xenon. Dopo l'assemblaggio, il contratto si concluderà con il collaudo presso il Glenn Reasearch Center di Cleveland, Ohio.

Il contratto prevede la copertura di 6,273 M$ da parte di NASA, 986 k$ e 722 k$ rispettivamente in attività da parte del Glenn Research Center (GRC) e del Jet Propulsion Laboratory (JPL) con fonti governative, e 11,96 M$ da Aerojet Rocketdyne ed associate.

Fonti: http://www.nasaspaceflight.com/2015/11/nasa-awards-contracts-deep-space-advanced-propulsion-systems/
http://www.rocket.com/article/aerojet-rocketdyne-awarded-contract-mature-development-high-powered-nested-hall-thruster
« Ultima modifica: Mar 22/03/2016, 01:10 da Peter Pan »
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Re:Propulsione elettrica
« Risposta #8 il: Mar 22/03/2016, 10:40 »
Citazione
sviluppo di tecnologie per la propulsione termonucleare capace di trasportare con rapidità equipaggi all'orbita di Marte. [...] Inoltre sono in corso progressi nello sviluppo di “elementi combustibile”, concept di reattori e metodi di collaudo accessibili da effettuarsi a terra” per la propulsione termonucleare.
Questa secondo me è la notiziona che passa un po' sotto silenzio, e che non ha niente a che vedere con la propulsione elettrica.
Significa che NASA sta finanziando lo svliuppo della propulsione nucleare :clap:

Citazione
A tutti questi sistemi EP è richiesto un impulso specifico tra i 2k e i 5k secondi, ed una efficienza operativa, tutto compreso, non inferiore al 60% in un arco di vita non inferiore alle 50k ore, di cui almeno 10k di funzionamento operativo. Infine questi sistemi devono avere un rapporto peso potenza non superiore ai 5kg/kW.
Se in quei 5 kg/kW c'è solo il sistema di propulsione, bisogna aggiungerci altri 5-10 kg/kW del sistema di generazione della potenza elettrica e poi tutto il peso della navicella. Se non faccio i conti male, considerando anche un impulso specifico di 2000 secondi (e quindi una spinta di 0.05 N/kW), significa che stiamo comunque parlando di accelerazioni nell'ordine dei 10^-4 g.
Non mi sembra molto compatibile con il volo spaziale umano...
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Re:Propulsione elettrica
« Risposta #9 il: Mar 22/03/2016, 12:25 »
L'articolo l'ho semplicemente tradotto, ma credo che faccia un po' di confusione (o forse semplicemente la fa il traduttore ;-)) tra il trasporto di payload e il trasporto di astronauti in missioni che comunque coinvolgono astronauti. Il comunicato stampa di Aerojet Rocketdyne, che ho riportato in coda all'articolo, al contrario sottolinea chiaramente questa differenza.
"Much higher powers, such as the scalable 100-kilowatt systems being developed on this program, are required for transportation of the large payloads envisioned for sustained human missions to Mars."
---------

Come riportato da questo articolo, Aerojet Rocketdyne ha firmato anche per la fornitura di 5 propulsori da 12.5 kW, compresi si PPU e controllo di flusso dello Xenon.
Questo il comunicato stampa. E' un contratto di fornitura diretto a missioni scientifiche molto vicine nel tempo. Vedremo se saranno dislocati in forma di array e con quale pannello.
Qui qualche dato sulle prestazioni degli attuali propulsori della A.R.  Si parla di un XR-12 sviluppato per TSAT che potrebbe essere molto simile all'oggetto del contratto: si parla di 780 mN con is=2300 sec.
« Ultima modifica: Mer 04/05/2016, 19:23 da Peter Pan »
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Re:Propulsione elettrica
« Risposta #10 il: Gio 20/10/2016, 19:10 »
Citazione
sviluppo di tecnologie per la propulsione termonucleare capace di trasportare con rapidità equipaggi all'orbita di Marte. [...] Inoltre sono in corso progressi nello sviluppo di “elementi combustibile”, concept di reattori e metodi di collaudo accessibili da effettuarsi a terra” per la propulsione termonucleare.
Questa secondo me è la notiziona che passa un po' sotto silenzio, e che non ha niente a che vedere con la propulsione elettrica.
Significa che NASA sta finanziando lo svliuppo della propulsione nucleare :clap:
Un'altra ipotesi è che stiano preparando combustibile per nuovi RTG, come questo post lascia supporre.
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Re:Propulsione elettrica
« Risposta #11 il: Gio 20/10/2016, 19:14 »
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Re:Propulsione elettrica
« Risposta #13 il: Mer 09/11/2016, 17:21 »
Segnalo un bell'articolo intitolato: "Propulsione elettrica nello Spazio" di Paolo Gianvanni sul numero di novembre di RID.