La nueva cámara de propulsión eléctrica impulsa el futuro de los viajes espaciales

 

Un sistema de propulsión de una nave espacial accionado eléctricamente utiliza energía eléctrica para cambiar la velocidad de una nave espacial. Foto cortesía de la NASA.

The Aerospace Corporation / Dic 15, 2020

Traducido por l. Domenech

La cámara probará los propulsores más nuevos y de alta potencia necesarios para la exploración espacial futura.

En lo profundo de un laboratorio en el campus de El Segundo de The Aerospace Corporation, los científicos están recreando el vacío del espacio aquí en la Tierra. El laboratorio de propulsión eléctrica de Aerospace se especializa en probar propulsores eléctricos en condiciones similares al espacio, y recientemente instalaron una nueva cámara de vacío que les permitirá probar los propulsores más nuevos y de alta potencia necesarios para la exploración espacial futura. "Esta cámara no solo se suma a la capacidad de prueba de Aerospace, sino que también se suma a la capacidad de prueba del mundo", dijo Rostislav Spektor, gerente de laboratorio de propulsión eléctrica y ciencia del plasma. "Cuando entre en funcionamiento, será la mejor instalación de pruebas de propulsión eléctrica del mundo".

¿Por qué la propulsión eléctrica? Todo el mundo está familiarizado con la visión del fuego y el humo que sale del fondo de un cohete con propulsión química. La propulsión eléctrica adopta un enfoque diferente, aprovechando la energía eléctrica para ionizar el gas en un plasma, que se acelera fuera del propulsor mediante una combinación de fuerzas eléctricas y magnéticas. La propulsión eléctrica produce un empuje significativamente menor que la propulsión química, pero es mucho más eficiente en términos de la cantidad de combustible utilizado. Es demasiado débil para lanzar cohetes a través de la atmósfera, pero una vez en el espacio, la falta de gravedad permite que brille el verdadero potencial de los propulsores de propulsión eléctrica. “Es la liebre y la tortuga. La propulsión eléctrica es lenta pero constante y la propulsión química comienza muy rápido, pero se agota rápidamente ”, dijo Spektor. Históricamente, la propulsión eléctrica se ha utilizado principalmente para el mantenimiento de satélites en posición. Pero su naturaleza altamente eficiente abre posibilidades para misiones de exploración espacial de larga distancia con el empuje pequeño pero constante que se acumula con el tiempo, acelerando la nave espacial a una velocidad muy alta.

El equipo de instalación coloca la primera sección de la cámara de vacío en su lugar.

Una prueba de potencia Sin embargo, para realizar esos viajes largos, los científicos deben poder confiar en que los propulsores funcionarán de manera consistente y confiable durante la duración de la misión. Ahí es donde entran en juego las cámaras de vacío de propulsión eléctrica. Estos dispositivos del tamaño de un autobús escolar están equipados con una serie de bombas criogénicas que enfrían mucho la cámara. Cuando las bombas funcionan, el aire de la cámara se adhiere a los lados de la cámara, similar a la condensación en un vaso de agua fría en un día caluroso. Con el aire desaparecido, la cámara simula el vacío del espacio y el equipo puede colocar propulsores eléctricos en el interior para realizar pruebas. “Los dispositivos de propulsión eléctrica funcionan de manera diferente en el espacio que en la Tierra. La relación no es lineal, lo que puede dificultar la predicción exacta de cómo funcionará ", dijo Spektor. "Cuanto más cerca esté de las condiciones de prueba sobre la marcha, más cerca estará de medir el rendimiento que esperaría en órbita". La nueva cámara, de 14 pies de diámetro y 30 pies de largo, es considerablemente más grande que la antigua cámara de 8 pies de diámetro del laboratorio, lo que significa que tiene más espacio para las bombas criogénicas. El equipo aeroespacial consideró comprar bombas comerciales, pero al final decidió diseñar su propio sistema de bombeo para garantizar un rendimiento óptimo. El cuerpo de la cámara se entregó en cuatro segmentos en el transcurso de una semana y luego se atornilló. El sistema de criobomba de diseño personalizado se instalará en un plazo de seis meses, seguido del sistema de diagnóstico.

Prueba de propulsión eléctrica de extremo a extremo Como centro de investigación y desarrollo financiado con fondos federales (FFRDC), Aerospace no puede producir hardware de vuelo que pueda competir con empresas comerciales. En cambio, Aerospace proporciona pruebas de propulsores de propulsión eléctrica, desde medir el empuje, la velocidad de escape y el impulso específico hasta trabajos más avanzados como la caracterización de la pluma, que ayuda a cuantificar el riesgo de daños en otras partes de la nave espacial. El laboratorio también ofrece pruebas no invasivas que utilizan diagnósticos ópticos y láser. “Nos hemos hecho un hueco en la propulsión eléctrica como almacén de pruebas. Todas las empresas comerciales acuden a nosotros para realizar pruebas y mediciones imparciales ”, dijo Spektor. "Tenemos probablemente el conjunto más completo de diagnósticos de propulsión eléctrica que pueda encontrar en cualquier parte del mundo". La cámara de vacío instalada recientemente, con su mayor velocidad de bombeo, es solo la última incorporación al arsenal de equipos de prueba de este laboratorio. "A medida que los dispositivos de propulsión eléctrica se hacen más grandes y más potentes, se necesitan velocidades de bombeo más altas para mantener la relación de presión adecuada y permitir pruebas precisas", dijo Spektor. "Si hay algún problema potencial con el propulsor, es posible que no lo vea a velocidades de bombeo más bajas porque no se encuentra en las condiciones en las que se encuentra en el espacio". Aerospace está equipado para probar los últimos grandes dispositivos de propulsión eléctrica o micropropulsores más pequeños que van en CubeSats, con pruebas que abarcan desde unas pocas horas hasta más de un año.

La sección final de la cámara se adjunta con cuidado, completando el equipo de 30 pies de largo.

El futuro de la propulsión eléctrica Cuando esté en funcionamiento, la instalación de pruebas ampliada permitirá que el laboratorio duplique su carga de trabajo, proporcionando servicios de prueba a clientes militares y civiles, así como a un campo creciente de fabricantes comerciales. Uno de los primeros clientes será la NASA, que probará su propulsor del Sistema de propulsión eléctrica avanzada (AEPS) de 12,5 kilovatios, que forma parte de la misión Gateway para orbitar la luna. Otros clientes también están haciendo cola para acceder a la cámara de clase mundial. “Se están desarrollando nuevas aplicaciones potenciales con nuestros clientes espaciales de seguridad nacional para la propulsión eléctrica de alta potencia”, dijo Tom Curtiss, director del Departamento de Ciencia de la Propulsión. "Verlos fructificar será algo grandioso, y podremos ayudar a reducir los costos de calificación y desarrollo de tecnología durante los próximos 10 o 20 años".

El artículo original se puede leer en inglés en The Aerospace Corporation