Propulsor de plasma pulsado

Un propulsor de plasma pulsado (PPT), también conocido como motor a chorro de plasma, es una forma de propulsión eléctrica de naves espaciales. Los PPT generalmente se consideran la forma más simple de propulsión eléctrica de naves espaciales y fueron la primera forma de propulsión eléctrica que voló en el espacio, habiendo volado en dos sondas soviéticas (Zond 2 y Zond 3) a partir de 1964. Los PPT generalmente vuelan en naves espaciales con un excedente de electricidad procedente de la abundante energía solar disponible.

Operación

Diseño esquemático de un Thruster Pulsed Plasma

La mayoría de los PPT usan un material sólido (normalmente PTFE, más comúnmente conocido como teflón) como propulsor, aunque muy pocos usan propulsores líquidos o gaseosos. La primera etapa en la operación de PPT involucra un arco de electricidad que pasa a través del combustible, provocando la ablación y sublimación del combustible. El calor generado por este arco hace que el gas resultante se convierta en plasma, creando así una nube de gas cargada. Debido a la fuerza de la ablación, el plasma es impulsado a baja velocidad entre dos placas cargadas (un ánodo y un cátodo). Dado que el plasma está cargado, el combustible completa efectivamente el circuito entre las dos placas, permitiendo que una corriente fluya a través del plasma. Este flujo de electrones genera un fuerte campo electromagnético que luego ejerce una fuerza de Lorentz sobre el plasma, acelerando el plasma fuera del escape del PPT a alta velocidad. Su modo de operación es similar a un cañón de riel. La pulsación se produce debido al tiempo necesario para recargar las placas después de cada ráfaga de combustible y el tiempo entre cada arco. La frecuencia de pulsación es normalmente muy alta, por lo que genera un empuje casi continuo y suave. Si bien el empuje es muy bajo, un PPT puede funcionar continuamente durante largos períodos de tiempo, lo que produce una gran velocidad final.

La energía utilizada en cada pulso se almacena en un condensador. Al variar el tiempo entre cada descarga del capacitor, el empuje y el consumo de energía del PPT se pueden variar, lo que permite un uso versátil del sistema.

Comparación con la propulsión química

La ecuación del cambio de velocidad de una nave espacial viene dada por la ecuación del cohete de la siguiente manera:

${displaystyle Delta v=v_{text{e}ln} {fnMicroc {m_{0} {m_{1}}}} {m_{0}} {m_}} {m_{0}} {m_}}} {m_}}} {0}}} {}}} {m_ {0}}}} {}}} {m_}}} {m_}} {}}} {m_}}}} {}}}}}} {} {} {}}}}}}}}}}} {m} {}} {m} {m}}} {m}} {m} {m}} {m} {} {}}}}} {}}}}} {}}}}}}}}}}} {} {} {m}}}}} {m} {} {m} {} {m} {m}} {m}}}}} {}}}}}} {m}}}} {}}}}}}}}}}} {}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {$

donde:

${displaystyle Delta v }$ es delta-v - el máximo cambio de velocidad del vehículo (sin fuerzas externas actuando),

${displaystyle v_{text{e}}$ es la velocidad de escape efectiva (${displaystyle {fnK}=I_{sp}cdot G_{0}$ Donde ${displaystyle Yo...$ es el impulso específico expresado como un período de tiempo y ${displaystyle G_{0}$ es la gravedad estándar),

${displaystyle ln }$ se refiere a la función de logaritmo natural,

${displaystyle #$ es la masa total inicial, incluido el propelente,

${displaystyle m_{1}$ es la masa total final.

Los PPT tienen velocidades de escape mucho más altas que los motores de propulsión química, pero tienen una tasa de flujo de combustible mucho menor. De la ecuación de Tsiolkovsky indicada anteriormente, esto da como resultado una velocidad final proporcionalmente más alta de la nave propulsada. La velocidad de escape de un PPT es del orden de decenas de km/s, mientras que la propulsión química convencional genera velocidades térmicas en el rango de 2 a 4,5 km/s. Debido a esta menor velocidad térmica, las unidades de propulsión química se vuelven exponencialmente menos efectivas a velocidades más altas del vehículo, lo que requiere el uso de propulsión de naves espaciales eléctricas como los PPT. Por lo tanto, es ventajoso utilizar un sistema de propulsión eléctrica como un PPT para generar altas velocidades interplanetarias en el rango de 20 a 70 km/s.

El PPT de investigación de la NASA (volado en 2000) alcanzó una velocidad de escape de 13 700 m/s, generó un empuje de 860 µN y consumió 70 W de energía eléctrica. fuerza.

Ventajas y desventajas

Los PPT son muy robustos debido a su diseño inherentemente simple (en relación con otras técnicas de propulsión de naves espaciales eléctricas). Como sistema de propulsión eléctrica, los PPT se benefician de un menor consumo de combustible en comparación con los cohetes químicos tradicionales, lo que reduce la masa de lanzamiento y, por lo tanto, los costos de lanzamiento, así como un alto impulso específico que mejora el rendimiento.

Sin embargo, debido a las pérdidas de energía causadas por la ablación tardía y la rápida transferencia de calor por conducción desde el propulsor al resto de la nave espacial, la eficiencia de propulsión (energía cinética del escape/energía total utilizada) es muy baja en comparación con otras formas de energía eléctrica. propulsión, en torno a sólo el 10%.

Usos

Los PPT son ideales para usos en naves espaciales relativamente pequeñas con una masa de menos de 100 kg (particularmente CubeSats) para funciones como control de actitud, mantenimiento de la posición, maniobras de salida de órbita y exploración del espacio profundo. El uso de PPT podría duplicar la vida útil de estas misiones de satélites pequeños sin aumentar significativamente la complejidad o el costo debido a la simplicidad inherente y la naturaleza de costo relativamente bajo de los PPT.

El primer uso de PPT fue en la sonda espacial soviética Zond 2 el 30 de noviembre de 1964.

La NASA voló un PPT en noviembre de 2000, como un experimento de vuelo en la nave espacial Earth Observing-1. Los propulsores demostraron con éxito la capacidad de realizar el control de balanceo en la nave espacial y demostraron que la interferencia electromagnética del plasma pulsado no afectó a otros sistemas de la nave espacial. Los propulsores de plasma pulsado también son una vía de investigación utilizada por las universidades para iniciar experimentos con propulsión eléctrica debido a la relativa simplicidad y los menores costos involucrados con los PPT en comparación con otras formas de propulsión eléctrica, como los propulsores de iones de efecto Hall.