VASIMR verso lo step 5


#21

La risposta è facile. La spinta è pari a forza per velocità, P = T x c. Se l’impulso specifico è 2000 secondi (prendo un valore tipico per un propulsore elettrico), la velocità di uscita del propellente è 20mila m/s. T = P/c = 100 kW / 20k m/s = 5 N.

La fisica è quella, non si scappa. Se volete alzare la il rapporto spinta/potenza, l’unico modo è abbassare l’impulso specifico e quindi aumentare i consumi. Ma allora non usate la propulsione elettrica, continuate a usare quella chimica :wink:
Per la cronaca, SMART-1 è arrivato sulla Luna con una spinta di meno di 100 mN.

Detto questo: usarlo per mantenere l’orbita della ISS? Sarebbe un’idea carina, ma la potenza da dove la si prenderebbe?
Il problema è sempre lo stesso, ovvero la capacità di immagazzinare energia. L’immagazzinamento chimico dell’energia (i combustibili e le batterie) ha dei forti limiti in termini di energia/massa. E il flusso di energia solare è troppo basso per rendere i pannelli solari efficienti (tutta la potenza installata sulal ISS è di circa 100 kW, quello che serve per 5N di spinta). IMHO l’unica soluzione per usare la propulsione elettrica su grandi masse e grandi potenze è usare l’energia nucleare, che ha un rapporto energia/massa di ordini di grandezza superiore…

Non ho il dato sottomano, quindi non vorrei sparare cavolate.
A occhio fanno circa un reboost al mese da circa 0.5-1 m/s di deltaV. Quindi direi a spanne qualcosa intorno ai 10 m/s l’anno. Dato che però vi dò con molta riserva, perché vado a memoria e non è una cosa di cui mi occupo direttamente


#22

Certo ma a quel punto, perche’ usare la propulsione elettrica se possiamo usare un reattore nucleare per scaldare il gas direttamente ed espellerlo a gran velocita’?

A occhio fanno circa un reboost al mese da circa 0.5-1 m/s di deltaV. Quindi direi a spanne qualcosa intorno ai 10 m/s l'anno. Dato che però vi dò con molta riserva, perché vado a memoria e non è una cosa di cui mi occupo direttamente

Beh se si tratta di reboost da 1m/s allora questi 5N tornano ad essere fattibili, se non rovinano gli esperimenti…


#23

Perché l’efficienza del nucleare termico non è di ordini di grandezza superiore alla propulsione chimica, questo è valido solo per la propulsione elettrica e quindi la produzione di energia elettrica attraverso generatori nucleari. Ne abbiamo già parlato mille volte, gli ISP del nucleare termico NON sono di ordini di grandezza superiore all propulsione tradizionale e qui siamo OT per ricominciarne a parlare direi…


#24

Come hai giustamente calcolato, considerando la massa della ISS ci vogliono circa 24 ore di spinta a 5 N per dare 1 m/s di deltaV, che è il valore di un classico reboost.
Il problema è sempre lo stesso: dove li prendi sulla ISS 100 kW per 24 ore? Spegni tutta la stazione per dare potenza a un thruster?

Forse qualcosa a spinta inferiore potrebbe essere accettabile: 20 kW con 1N di spinta potrebbe essere fattibile ma a quel punto dovrebbe essere per 5 giorni di fila. E questo avrebbe un bell’impatto sulle operazioni degli esperimenti, che hanno bisogno dell’energia elettrica che stiamo dando al propulsore.
Oppure si potrebbe anche andare ancora giù e avere spinta continua: per avere 1 m/s per 30 giorni occorrerebbe una spinta di circa 200 mN e quindi “solo” 4 kW di potenza elettrica. Significa che con circa 5 kW di potenza continuamente dedicata al propulsore, questo potrebbe eliminare il rallentamento dovuto all’attrito (e non è poco, 5 kW è il tipico consumo dell’intero laboratorio Columbus, nei giorni in cui si fa scienza su vari racks contemporaneamente!)

E poi bisogna considerare le manovre urgenti, tipo le debris avoidance maneuvers. Per quelle bisogna reagire velocemente, quindi ci vorrebbero comunque i propulsori tradizionali per dare spinte ingenti e aggiustare l’orbita in poche ore.


#25

Quello e’ un problema organizzativo, dicevo solo che dal punto di vista degli ordini di grandezza potrebbe anche funzionare, certo non so se dal punto di vista economico conviene questa soluzione od una tradizionale


#26

ciao Buzz ti chiedo che magari lo sai , che coefficiente di utilizzo c’è sulla iss della disponibilità di corrente elettrica
in fase di lavori intensi può essere che l’energia sia tutta utilizzata o quasi , però il laboratori non lavorano h24 cos’ così come certi macchinari
forse ci saranno periodi in cui c’è ampia disponibilità di corrente ,il sole è sempre li e non c’è bisogno di spegnere niente
questi motori consentono un utilizzo del tipo appena li attivi iniziano a lavorare e lo spegnimento è altrettanto rapido ?
forse ci hanno già pensato a un loro utilizzo variabile a seconda della disponibilità e forse han visto che non ne vale la pena
una modulazione che segua la disponibilità elettrica della ISS
o forse la stanno studiando , booo
tanto i propulsori tradizionali per qualsiasi correzione tanto ci sono già


#27

Certo, quello che scrivi ha senso. Di sicuro di notte si usa meno energia elettrica che di giorno, quindi quell’energia potrebbe essere usata per un propulsore elettrico. Però che io sappia non si fanno reboost mentre l’equipaggio dorme, forse perchè è comunque una situazione critica e si vuole avere gli astronauti svegli e reattivi in caso di problemi.

Però tieni presente che la disponibilità di energia elettrica non è un dato sicuro al 100%, dipende dall’angolo di incidenza della luce solare (quindi dall’assetto dei pannelli, che non è sempre ottimale al 100%) e anche dal deterioramento nel tempo dei pannelli stessi.
Ogni tanto NASA fa dei test di consumo massimo, ovvero accende in sequenza tutte le cose possibili e immaginabili per vedere fino a che punto i pannelli riescono a dare potenza e quando invece cominciano a consumarsi le batterie. Questo per avere un dato abbastanza affidabile sull’effettiva potenza disponiibile.

Riguardo al propulsore, non conosco il VASIMR in dettaglio, ma a occhio credo che lo spegnimento e accensione di un propulsore elettrico sia una cosa abbastanza veloce.


#28

E’ un problema hardware: la Stazione, stante l’attuale dotazione di pannelli fotovoltaici (e conseguenti harness elettrici) non genera abbastanza potenza.


#29

OK ma la notte i pannelli non generano energia, quindi potrebbe non essere il momento ideale, che ne pensi?


#30

Credo che per notte si intenda quando gli astronauti dormono.


#31

Mi verrebbe anche da pensare all’eccentricita’ dell’orbita della ISS. Quando fanno i normali reboost aspettano il momento giusto oppure l’orbita e’ mantenuta talmente e perfettamente circolare da non essere necessario?


#32

NASA aveva in calendario fino allo scorso anno l’installazione di un test del VASIMR sulla ISS.
Nel documentario NASA sulla propulsione elettrica si parla di prossimi array solari autodispiegabili ed estremamente leggeri di 100 m[sup]2[/sup] da 20 kW, ancora da testare in spazio.
Continuando a fantasticare, il risparmio stimato, 20 M$/anno potrebbe costituire un budget sufficiente a dotare la ISS di propulsori elettrici propri?


#33

in orbita forse ciò che non manca è lo spazio per dispiegare pannelli fotovoltaici

non ho idea come funzioni perfettamente un pannello fotovoltaico con la produzione in eccesso di elettricità
certo è che un motore elettrico in funzione avrebbe anche il pregio di essere un test sulla funzionalità stessa dei pannelli montati dando un dato continuo e affidabile sull’effettiva potenza disponibile


#34

Una cella solare non ha produzione di energia elettrica in eccesso da gestire. C’è una curva di carico V/I tipica della cella ad un certo valore di illuminazione; il sistema di controllo cerca di operare sempre la cella con un algoritmo MPPT (maximum power point tracking). In pratica, se il carico richiede meno potenza la cella ne eroga meno, tutto qui. Non è necessario dissiparla in qualche modo. MPP è il punto di massima erogazione di potenza, che varia dinamicamente con illuminazione e temperatura della cella:

Quanto al fatto di operare un thruster ionico sulla ISS vedo qualche altro problema. Il gas emesso è effettivamente neutro? esiste una frazione non neutra? è garantito che non si formino nuvole di ioni o elettroni attratti elettrostaticamente dalla stazione stessa se la neutralità di carica non è garantita? Questo potrebbe avere gravi impatti su celle solari, antenne, ottiche, sistemi elettronici vari.


#35

I problemi varrebbero o per tutti i satelliti e le sonde.
Il propellente espulso può essere neutro o carico, a seconda del tipo di propulsore. Quando il propellente non è neutro, si usano in parallelo dei cannoni che sparano elettroni per neutralizzarlo. Anche perché se una parte del gas tornasse indietro o rallentasse questo ridurrebbe la spinta e l’impulso specifico

Ehm, hai visto quanto sono grossi i pannelli solari della ISS? E quanta struttura hanno per tenerli su?
Tutti quei pannelli fanno 100 kW, se ne vuoi altri 100 devi raddoppiare la superficie.
Puoi andare a cercare quanti lanci shuttle e quante EVA sono servite per mettere su quei pannelli, e poi calcolare se fare tutto questo per un propulsore sarebbe ancora conveniente :wink:


#36

Per i motori a ioni generalmente un neutralizzatore e’ sufficiente per neutralizzare il gas emesso da piu’ motori, anche ad una certa distanza (il numero di neutralizzatori dipende dal flusso di carica dei motori e da quello del singolo neutralizzatore). Ricordo che su Hayabusa il neutralizzatore di un motore fu usato per neutralizzare il gas dell’altro motore, senza impatti sugli altri sotto-sistemi.
Non conosco il meccanismo di controllo che utilizzino per determinare il flusso di carica del neutralizzatore, ma che io sappia la regolazione di un propulsore elettrico e’ molto precisa e probabilmente, conoscendo l’energia di ionizzazione utilizzata, si riesce a stimare il flusso di carica.
Un ulteriore problema potrebbe essere la compatibilita’ elettro-magnetica, anche perche’ la ionizzazione potrebbe avvenire tramite RF.


#37

Ne so qualcosa, ma tutto sommato quella è relativamente facile da confinare, anche perchè in genere le frequenze usate sono piuttosto basse (nell’ordine di MHz o decine di MHz).
Per la neutralizzazione probabilmente basta mettere un elettrometro che misuri la carica del corpo del satellite, e regolare su quello. Per la compatibilità… Buzz, hai ragione, ma gli “altri satelliti” sono pensati fin dall’inizio per incorporare un thruster elettrico, la ISS no. Non credo si possano escludere a priori questioni di compatibilità ambientale, senza ovviamente considerare il comportamento del sistema elettrico.


#38

Ehm Buzz, ti ha risposto Charles “Chuck” Taylor nel 2013, dal documentarino NASA di 20 min ricco di navicelle sberluccicanti disegnate al calcolatore:
“Chuck” : “Stiamo realizzando un set di pannelli solari che sono circa due volte la taglia dei pannelli in uso oggi. Stiamo parlare di generare sull’ordine dei 50kW nominali, … Il più grande ostacolo da superare sono la massa ed il volume di stivaggio di questi pannelli. Se ci pensate, la ISS ha pannellli che sono all’incirca equivalenti a ciò che stiamo cercando di produrre, ma ci sono voluti dieci missioni shuttle per portarli in orbita, e abbiamo dovuto disporre di astronauti che come oggi escono ad installarli. Noi stiamo cercando di realizzare pannelli che generano altrettanta potenza, ma che siano stivabili in un solo razzo vettore e che si dispieghino autonomamente.”

Molto ottimista.


#39

Beh direi che in ogni caso quei pannelli sarebbero un bell’investinento… Lo capirei se fosse per tenere in funzione più esperimenti, ma fare quei pannelli per poi alimentare un propulsore che poi fa risparmiare propellente, ecco, mi sembra un po’ contorto… :stuck_out_tongue_winking_eye:


#40

ok ma…se ipotizziamo di raddoppiare la superficie dei pannelli…aumenta ulteriormente il drag atmosferico…e serve ancora più energia per il propulsore ionico…quindi ancora più pannelli :stuck_out_tongue_winking_eye: :stuck_out_tongue_winking_eye: