Propulsor inductivo pulsado

Diagrama de sección transversal de un impulsor inductivo pulsado. [1] El gas se sumerge hacia dentro a través de una boquilla central, hacia la bobina electromagnética plana donde se ioniza. [2] El plasma (pink) es acelerado en la parte trasera por la fuerza Lorentz.

Un propulsor inductivo pulsado (PIT) es una forma de propulsor de iones que se utiliza en la propulsión de naves espaciales. Es un motor de propulsión de plasma que utiliza campos eléctricos y magnéticos perpendiculares para acelerar un propulsor sin electrodo.

Operación

Una boquilla libera una bocanada de gas que se propaga a través de una bobina de alambre de inducción en espiral plana de aproximadamente 1 metro de ancho. Un banco de condensadores libera un pulso de corriente eléctrica de alto voltaje de decenas de kilovoltios con una duración de 10 microsegundos en la bobina, generando un campo magnético radial. Esto induce un campo eléctrico circular en el gas, lo ioniza y hace que las partículas cargadas (electrones e iones libres) giren en la dirección opuesta al pulso original de corriente. Debido a que el movimiento de este flujo de corriente inducida es perpendicular al campo magnético, la fuerza de Lorentz acelera el plasma hacia el espacio a una alta velocidad de escape (10 a 100 km/s).

Ventajas

A diferencia de un propulsor de iones electrostático que usa un campo eléctrico para acelerar solo una especie (iones positivos), un PIT usa la fuerza del cuerpo de Lorentz que actúa sobre todas las partículas cargadas dentro de un plasma casi neutro. A diferencia de la mayoría de los demás propulsores de iones y plasma, tampoco requiere electrodos (que son susceptibles a la erosión) y su potencia se puede escalar simplemente aumentando el número de pulsos por segundo. Un sistema de 1 megavatio pulsaría 200 veces por segundo.

Los propulsores inductivos pulsados pueden mantener un impulso específico constante y una eficiencia de empuje en una amplia gama de niveles de potencia de entrada ajustando la frecuencia del pulso para mantener una energía de descarga constante por pulso. Ha demostrado una eficiencia superior al 50%.

Los propulsores inductivos pulsados pueden utilizar una amplia gama de gases como propulsor, como agua, hidracina, amoníaco, argón o xenón, entre muchos otros. Debido a esta capacidad, se ha sugerido el uso de PIT para misiones marcianas: un orbitador podría repostar extrayendo CO2 de la atmósfera de Marte, comprimiendo el gas y licuándolo en tanques de almacenamiento para el viaje de regreso u otra misión interplanetaria, mientras orbita el planeta.

Desarrollos

El desarrollo inicial comenzó con estudios fundamentales de prueba de concepto realizados a mediados de la década de 1960. La NASA lleva a cabo experimentos con este dispositivo desde principios de la década de 1980.

PIT Mk V, VI y VII

NGST (Northrop Grumman Space Technology), como contratista de la NASA, construyó varios PIT experimentales.

Los esfuerzos de investigación durante el primer período (1965–1973) tenían como objetivo comprender la estructura de una hoja de corriente inductiva y evaluar diferentes conceptos para la inyección de propulsor y la preionización.

En el segundo período (1979–1988), el enfoque se centró más en desarrollar un verdadero sistema de propulsión y aumentar el rendimiento del diseño base a través de cambios de diseño incrementales, con la construcción de Mk I y Prototipos Mk IV.

El tercer período (1991-hoy) comenzó con la introducción de un nuevo diseño de propulsor PIT conocido como Mk V. Evolucionó hasta convertirse en el Mk VI, desarrollado para reproducir las pruebas de disparo único del Mk V, que caracterizan por completo el rendimiento del propulsor. Utiliza una bobina mejorada de construcción de tubo de cobre hueco y una válvula propulsora mejorada, pero es eléctricamente idéntica a la Mk V, utilizando los mismos condensadores e interruptores. El Mk VII (principios de la década de 2000) tiene la misma geometría que el Mk VI, pero está diseñado para pulsos de alta frecuencia y disparos de larga duración con una bobina enfriada por líquido, capacitores de vida más larga y rápido, alto -interruptores de estado sólido de potencia. El objetivo del Mk VII es demostrar hasta 50 pulsos por segundo con la eficiencia nominal y el bit de impulso a 200 kW de potencia de entrada en un solo propulsor. El diseño del Mk VII es la base del más reciente NuPIT (PIT nuclear-eléctrico).

El PIT ha obtenido un rendimiento relativamente alto en el entorno de laboratorio, pero aún requiere avances adicionales en tecnología de conmutación y almacenamiento de energía antes de volverse práctico para aplicaciones espaciales de alta potencia, con la necesidad de una fuente de energía a bordo de base nuclear..

FARAD

FARAD, que significa acelerador de Faraday con descarga asistida por radiofrecuencia, es una alternativa de menor potencia al PIT que tiene el potencial para la operación espacial utilizando las tecnologías actuales..

En el PIT, tanto la ionización como la aceleración del propulsor son realizadas por el pulso de corriente HV en la bobina de inducción, mientras que FARAD usa una descarga de RF inductiva separada para preionizar el propulsor antes de que sea acelerado por el pulso de corriente. Esta preionización permite que FARAD opere a mucha energías de descarga más bajas que el PIT (100 julios por pulso frente a 4 kilojulios por pulso) y permite una reducción en el tamaño del propulsor.