ES2536800B1 - Velero electro-solar por pulsos - Google Patents

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Abstract

La presente invención comprende una red de cables conductores polarizados (1), que desvían los iones procedentes del viento solar (3), un sistema mecánico de rotación (9) para desplegar y mantener rígidos a los cables conductores (1), un sistema de potencia (5) que genere la potencia eléctrica que requiere tanto un eyector de partículas cargadas (2) como una fuente de alimentación variable por pulsos (4). La fuente de alimentación variable por pulsos (4) genera un pulso de potencial pico a pico, en el que la energía del potencial inferior es prácticamente igual que la energía cinética de los protones del viento solar (3), y el potencial superior debe ser bastante mayor que el inferior. Los protones que entran en la estructura del potencial con la velocidad inicial del viento solar son frenados hasta alcanzar una posición muy cercana a donde se encuentran los cables. Al aparecer el potencial superior del pulso, los protones son repelidos y acelerados, y son capaces de alcanzar velocidades superiores a la velocidad inicial con la que entran en la estructura del potencial inferior, y a su vez, el propio velero manifiesta, por repulsión de Coulomb, esa misma aceleración pero en sentido contrario. El sistema es adecuado para realizar misiones interplanetarias a altas velocidades. La utilización de pulsos en el potencial permite reducir tanto la longitud de los cables conductores (1) como el potencial necesario para producir la fuerza propulsiva requerida, mejorando en tamaño y en requisitos de potencia eléctrica a los veleros electro-solares estándar.

Description

DESCRIPCIÓN
Velero electro-solar por pulsos
Campo técnico de la invención
La presente invención se enmarca dentro del campo aeroespacial. En particular, pertenece a los sistemas de propulsión que, incorporado en vehículos espaciales, facultan a dichos vehículos la capacidad de alcanzar otros planetas en un determinado tiempo y, además, permiten modificar trayectorias orbitales. En concreto, aquellos que emplean el viento solar como medio para producir empuje y, alcanzar así, otros planetas y modificar trayectorias orbitales.
Estado de la técnica
Alcanzar los distintos planetas de nuestro Sistema Solar es un reto tecnológico para todas las agencias espaciales mundiales. Especialmente problemáticas, en términos de sistemas propulsivos, son las misiones a planetas exteriores como Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Existen diferentes métodos para alcanzar objetos celestes tan alejados del Sol. El más utilizado en misiones a planetas exteriores es la asistencia gravitatoria, pero requiere de maniobras complejas y el uso de cohetes de propulsión química, y además el tiempo de vuelo en la misión suele ser bastante elevado.
Los sistemas de propulsión más convencionales son los cohetes de propulsión química y propulsión eléctrica. Ambos sistemas requieren una cantidad elevado de combustible que suministre el suficiente empuje al vehículo para alcanzar el planeta. Los sistemas activos de propulsión eléctrica se están estudiando y considerando para misiones a planetas más cercanos al Sol.
También existe sistemas de propulsión pasivos como veleros solares y veleros electro-solares que permiten extraer la fuerza desde la propia naturaleza del viento solar; el viento solar se compone de iones, -en su mayoría protones-, electrones y fotones. A una distancia de 1 Unidad Astronómica (AU), -distancia entre la Tierra y el Sol-, el viento solar posee una densidad de electrones, N, de 7.3 cm-3, una temperatura de electrones, Te, de 12 eV y viaja a una velocidad, vsw, de 400 km/s en el plano de la eclíptica.
En los veleros solares es la presión de radiación solar la que hace propulsar al vehículo, de manera que los fotones transfieren su momento sobre una vela física de poliamida. Los veleros electro-solares, en cambio, tienen la peculiaridad de aprovechar la fuerza de Coulomb sobre la superficie virtual originada por el campo eléctrico de cada unos de los cables. Los iones que provienen del viento solar son desviados por el potencial generado por la red de cables, transfiriendo el momento necesario para producir empuje sobre el vehículo espacial. Para que esto ocurra es necesario que el potencial al que se encuentren cada uno de los cables conductores debe ser mayor que la energía cinética de los iones. Cada uno de los cables conductores se debe encontrar altamente polarizado, recolectando electrones en el caso de polarización positiva. Para mantener dicha polarización positiva se utiliza una fuente de alimentación de alto voltaje y además se conecta un contactor con un cátodo en el extremo del cable que eyecta hacia el exterior el exceso de electrones recogidos. El empuje que se genera depende de la presión dinámica del flujo del viento solar y el tamaño de la vaina electrostática generada por cada uno de los cables conductores.
También existe una aplicación de veleros electro-solares cuando la polarización de cada uno de los cables es negativo. En este caso los cables recogen a lo largo de su longitud bastantes iones, y repelen electrones. Algunos de los iones son también repelidos en una región de la vaina electrostática, generando de este modo una fuerza propulsiva por la contribución pequeña de los iones repelidos. En este caso para mantener los cables polarizados negativamente se necesitaría un eyector de iones hacia el exterior.
Los veleros solares y electro-solares están siendo estudiados tanto para misiones a planetas exteriores como interiores de nuestro sistema solar.
En la actualidad, los veleros electro-solares ( patente US 7641151B2) se han planteado como prometedores sistemas de propulsión para alcanzar planetas exteriores. La fuerza que producen varía aproximadamente como el inverso de la distancia, mientras que para un velero solar lo hace como el inverso de la distancia al cuadrado. Para que la fuerza propulsiva sea suficientemente importante, los cables conductores deben ser de gran tamaño, -del orden de 20 km-, y además deben mantenerse a una muy alta polarización, por encima de 20 kV. Una longitud tan elevada puede dificultar la estabilidad del sistema en órbita. Como se puede observar en la siguiente referencia: Antonio Sanchez-Torres, Propulsive force in an electric solar sail, Contributions to Plasma Physics, vol. 54, 3, pp. 314-319, 2014, la fuerza que pueden conseguir los veleros electro-solares a 1 AU es del orden de 1 Newton suministrando a unos cables de 20 km un potencial por encima de 30 kV.
La presente invención considera la utilización de una red de cables conductores a los que se aplicarán pulsos de potencial pico a pico de al menos 1 kV, siendo el potencial inferior, aproximadamente igual al que proviene del flujo de iones del viento solar Esw/k = 0.5 mivsw2/k ~ 1 kV, donde Esw es la energía del flujo del viento solar, k es la constante de Boltzmann y mi es la masa del ión; siendo el protón el ión que prevalece en este tipo de plasma. Como se verá más adelante, la aplicación de pulsos en esta invención reducirá tanto la longitud necesaria como el potencial requerido, de manera que será importante para poder aplicarlo a la industria espacial.
Breve descripción de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de propulsión electrostático caracterizado por:
- una red de cables conductores que serán desplegados desde el vehículo espacial;
- una fuente de alimentación de potencial variable por pulsos;
- un cátodo que eyecta hacia el exterior las partículas cargadas recolectadas por la red de cables. Si cada uno de los cables conductores que conforman el velero se encuentra polarizado positivamente, recogerá electrones que deberán ser eyectados por el cátodo, y si se polarizan negativamente recolectará iones que, igualmente, deberán ser eyectados;
- un sistema mecánico rotatorio para desplegar los cables conductores para que exista tensión en ellos y se mantengan rígidos. La repulsión de Coulomb posterior que se produce entre los cables evitará que colisionen entre ellos;
- un sistema optativo de propulsión auxiliar para el despliegue de los cables conductores que consiste en 2 o más sistemas propulsivos que hacen rotar a todo el vehículo.
El sistema propuesto es adecuado para realizar misiones interplanetarias, especialmente para alcanzar cuerpos celestes suficientemente alejados de la Tierra. Debido al alto empuje que puede suministrar al vehículo espacial, este sistema permitiría aumentar la masa del vehículo y reducir el tiempo de trasferencia orbital. Además, al reducir tanto el tamaño de los cables como el potencial requerido en comparación con el caso de los veleros electro-solares estándar, la presente invención será más atractiva para la industria.
La finalidad básica de la presente invención es resolver el problema fundamental de la propulsión en vehículos espaciales para misiones interplanetarias, permitiendo generar un empuje igual o superior que el experimentado por los propulsores eléctricos actuales, veleros solares y veleros electro-solares.
Se propone transmitir un empuje por medio de un intercambio de momento del flujo de los iones que provienen del viento solar. Los protones son repelidos y altamente acelerados por la superficie virtual de potencial variable por pulsos generado en la red de cables conductores.
El procedimiento que se considera en este invento es utilizar un pulso de potencial que se suministra a los cables conductores, donde el potencial inferior es φpb ≈ Esw/k y el potencial superior es φpa≈φpb+Δφ, donde Δφ es la diferencia de potencial pico a pico que puede ser del orden de 1 kV. La longitud de Debye λD≡(kTe/4πN2)1/2 es un parámetro que deberá compararse con el radio del conductor para saber qué tipo de modelo se puede aplicar para obtener el perfil de potencial. Como el valor de la longitud de Debye, λD, es mayor que el radio del conductor R, y el potencial de los cables es elevado, el modelo de recolección de corriente a considerar será el de corriente limitada por movimiento orbital (OML). El perfil de potencial superior e inferior se puede estimar analíticamente como (ver referencia: Antonio Sanchez-Torres, Propulsive force in an electric solar sail, Contributions to Plasma Physics vol. 54, 3, pp. 314-319, 2014)
()()()lnexp/,lnexp/spsrrrrRααααλφφλ−⎡⎤⎣⎦=−⎡⎤⎣⎦ (A)
donde α es igual a b o a, si el potencial es inferior o superior, respectivamente, y λ depende del valor del potencial φpα que se obtiene en el radio del cable, φpα≡φα(r=R), y es aproximadamente igual a 0.4 para φpb= Esw/k≈1kV. El radio de la vaina rsα se puede estimar con la siguiente ecuación (ver referencia: Sanmartin J.R., et al., Bare-Tether Sheath and Current: Comparison of Asymptotic Theory and Kinetic Simulations in Stationary Plasma, IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 36, no. 5, pp. 2851-2858, 2008),
4/54/31.5312.56ln,pssDsDerrrRααααφλλ⎡⎤⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎢⎥−=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎢⎥⎝⎠⎝⎠⎣⎦ (B)
donde e es la carga del electrón. Los protones que llegan del viento solar son frenados por el potencial inferior del pulso φb hasta alcanzar una posición de máximo acercamiento, r0, donde son repelidos. Utilizando la ecuación (A) para el caso de φb(r=r0) = Esw/k se obtiene una estimación de esa posición,
()()0/explnexp.swsbpbsbpbEkrrrRφλφ⎡⎤⎡⎤=×−−−⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦ (C)
Una vez que el protón alcanza esa posición se aplica el potencial superior del pulso, φpa, de manera que el ión es acelerado hasta que recorra toda la distancia de la nueva vaina rsa(φpa) dada por la ecuación (B).
La fuerza repulsiva de Coulomb que acelera el ión también transfiere una fuerza sobre la red de cables conductores, y por ello, produce una fuerza propulsiva en el sentido contrario con el que se mueven los iones repelidos. La aceleración que manifiesta el protón, en cada posición r en la vaina, es
()(),iieEreammααφ==−∇ (D)
donde Eα es el campo eléctrico. Dada la ecuación (A) para el potencial superior del pulso, φpa, el campo eléctrico es
()()().lnexppaaasaErrrrRφφλ=−∇=⎡⎤−⎢⎥⎣⎦ (E)
Como la velocidad promediada en el espacio recorrido por el protón dentro de la vaina, después del pulso, para el potencial superior, φpa, es ()202,sapbvarrφ⎡⎤=⋅−⎣⎦ la fuerza promediada es
()2202.iisapbFNmvLNmrraLπφ⎡⎤=×=−×⎣⎦ (F)
La aceleración promediada a, para un determinado número de pasos, Npasos, en distintas posiciones r que ocupa el ión en la vaina, se puede estimar de la siguiente forma
()0pasos1,sapbrrarNφ=Δ⋅∫ (G)
donde Δr es la diferencia, espaciada en segmentos iguales, entre las distintas posiciones que ocupa el protón en la vaina para Npasos.
La presente invención del velero electro-solar por pulsos hace que el protón recorra una longitud mayor en la estructura de potencial, de manera que el protón va desde la posición r0(φpb) hasta rsa, mientras que en el velero electro-solar estándar recorre una distancia menor, desde r0(φpb) hasta rsb, con una menor aceleración. Esta peculiaridad del velero electro-solar por pulsos hace que el protón expulsado por el potencial adquiera una velocidad mucho más alta cuando sale de la vaina producida por el potencial, φpa, que cuando entra en ella (con velocidad vsw), mientras que en el caso de un velero electro-solar estándar, con potencial electrostático, la velocidad de entrada vsw es la misma que la de salida. El velero electro-solar por pulsos manifiesta, por repulsión de Coulomb, la misma aceleración a la que se ve sometida el protón, pero en sentido contrario.
Para longitudes de cables de 3 km y una diferencia de potencial de pico a pico, Δφ, de 2 kV, con un voltaje inferior de φpb=1 kV se obtendría una aceleración promedio de 1.7 ·1010 m/s2 para las condiciones de plasma del viento solar a 1 AU, consiguiendo una fuerza en el velero electro-solar por pulsos de 1 N. Esto contrasta con los resultados que se obtienen para un velero electro-solar estándar, en el que se requieren cables de 20 kilómetros, polarizados positivamente con un potencial superior a 20 kV, para conseguir la misma fuerza de 1 N. Esto supone una mejora en la reducción tanto del tamaño de los cables conductores como del potencial requerido para ejercer la misma fuerza. Por otro lado, si consideramos cables de longitud de 10 km, la fuerza generada por un velero electro-solar por pulsos sería de unos 11 N.
El material de los cables conductores debe ser un buen conductor eléctrico y disponer de una baja densidad. Se puede considerar aluminio, o también incluir algún tipo de fibra de carbono, aleaciones de acero o kevlar.
Una vez definidos los límites tecnológicos del sistema de empuje se puede pasar a la descripción detallada de la invención.
Descripción de las figuras
Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor compresión de las características de la invención, se acompaña la presente memoria descriptiva de las figuras 1 a 3, como parte integrante de la misma.
La invención se describirá en lo que sigue con más detalle haciendo referencia a varios ejemplos de realización de la misma representado en dichas figuras.
La figura 1 representa un velero electro-solar con una serie de cables conductores (1) polarizados positivamente, recogiendo electrones y repeliendo iones desde el flujo del viento solar (3). El exceso de electrones recolectados por cada cable es eyectado por el cátodo central (2) hacia el exterior. Un sistema mecánico rotatorio (9) despliega a los cables conductores (1) por medio de la rotación del velero, y produce la tensión suficiente para mantener rígidos a los cables conductores (1). Un sistema optativo de propulsión auxiliar (10) proporcionaría la rotación inicial a todo el sistema para el despliegue de los cables conductores (1).
La figura 2 representa un velero electro-solar con una serie de cables conductores (1) polarizados negativamente, recogiendo iones y repeliendo electrones y algunos iones desde el flujo del viento solar (3). El exceso de iones recolectados por cada cable es eyectado por un eyector de iones (2) hacia el exterior. Un sistema mecánico rotatorio (9) despliega a los cables conductores (1) por medio de la rotación del velero, y produce la tensión suficiente para mantener rígidos a los cables conductores (1). Un sistema optativo de propulsión auxiliar (10) proporcionaría la rotación inicial a todo el sistema para el despliegue de los cables conductores (1).
La figura 3 representa un diagrama de la invención en la que el módulo de control de misión (6) permite suministrar la potencia eléctrica al sistema de potencia (5) que, a su vez, suministrará potencia eléctrica al contactor (2), y a una fuente de alimentación de potencial variable por pulsos (4) que generará un potencial variable pico a pico en la red de cables conductores (1). Dispositivos optativos como un acelerómetro (7) y una sonda de Langmuir (8) mostrarían al módulo de control de misión (6) cuál es el empuje real que necesita el vehículo para llevar a cabo la maniobra orbital.
Descripción detallada de la invención
Los parámetros de entrada conocidos son las condiciones del plasma en el viento solar, esto es: la densidad de electrones, temperatura, y velocidad. Por lo que se refiere a los parámetros de salida, tenemos la fuerza F producida por medio de la repulsión electrostática del flujo de iones al ser acelerados por el aumento del potencial variable por pulsos en la red de cables conductores.
A continuación se explica el funcionamiento de la invención según un modo de realización de la misma. Para ello se enumeran los dispositivos que están involucrados en el diseño de la invención para un modelo de polarización positiva:
Red de cables conductores polarizados (1): que generan una superficie virtual de potencial variable por pulsos que produce una repulsión del flujo de los iones del viento solar (3) generando una fuerza F en sentido contrario a la dirección de dicho flujo.
Eyector de partículas cargadas (2): para reducir la carga de los cables conductores (1) las partículas recogidas desde el viento solar (3) deben ser eyectadas al exterior. Si se considera polarización positiva en los cables conductores (1), el eyector de partículas (2) será un cátodo que eyecte electrones, mientras que si se considera polarización negativa serán iones los que serán eyectados a través de un eyector de iones. Se puede considerar cualquier tipo de método para mantener la red de cables en su correcta polarización: contactor de plasma, cátodo por emisión termiónica y redes de emisión por efecto de campo. En la presente invención se considerará un cátodo por emisión termiónica para la situación de polarización positiva. Este método es el utilizado por los cables electrodinámicos y por los veleros electro-solares estándar para mantener la red de cables positivamente polarizados. Los electrones recolectados por la red de cables conductores (1) pueden ser emitidos en cualquier dirección exterior, por ejemplo a lo largo del eje central en la misma dirección de la fuerza generada.
Fuente de alimentación de potencial variable por pulsos (4): genera el potencial pico a pico que es necesario para que existan pulsos en el potencial suministrado a los cables conductores (1).
Sistema mecánico rotatorio (9): que despliega la red de cables conductores (1), cuyo eje de giro es perpendicular a la red de cables conductores (1). Este sistema mantendrá rígidos a los cables conductores (1).
Sistema de generación de potencia (5): Proporciona la potencia necesaria para alimentar el cátodo central (2), a la fuente de alimentación de potencial variable por pulsos (4), al sistema mecánico rotatorio (9), y a los instrumentos de medida a bordo del vehículo. Puede ser cualquiera: paneles solares, amarras electrodinámicas, sistema nuclear, fuentes de alimentación, etc... Debe de incluirse también un regulador de control para suministrar la potencia eléctrica que requiere el cátodo (2) y la fuente de alimentación de potencial variable por pulsos (4).
Dispositivos opcionales
Acelerómetro (7): para medir la aceleración que produce el sistema propulsivo de la presente invención, cuando se modifica el potencial suministrado a los cables conductores.
Sonda de Langmuir (8): para medir en el exterior del vehículo parámetros del plasma en el viento solar (3), tales como la densidad y la temperatura. Conocer el valor de estos parámetros permitirá modificar el potencial suministrado a los cables conductores (1) para que se adapten a nuevas condiciones en el plasma ambiente y que el potencial inferior del pulso se modifique para que sea aproximadamente igual al potencial del flujo del viento solar (3).
Sistema de propulsión auxiliar (10): formado por 2 o más sistemas propulsivos que se adaptan en los extremos de cables auxiliares, proporcionando el giro inicial al sistema para desplegar y mantener rígidos a los cables conductores (1).
Como se manifiesta en los dibujos, la invención, que se despliega desde un vehículo espacial, posee un sistema de generación de potencia (5), una fuente de alimentación de potencial variable por pulsos (4), y una red de cables polarizados positivamente (1) que modifican la dirección de los iones que provienen del viento solar (3). Los cables conductores (1) se despliegan por medio del sistema mecánico rotatorio (9), o bien, por medio del sistema optativo de propulsión auxiliar (10). El sistema de propulsión auxiliar (10), se podría considerar al inicio del despliegue de los cables conductores (1), y posteriormente cuando los cables conductores (1) se hubieran desplegado por completo, se procedería a la desconexión del sistema de propulsión auxiliar (10) y a separarlo del velero. El procedimiento que sigue para la repulsión de Coulomb en la presente invención es el siguiente: los protones procedentes del viento solar (3) son frenados por el potencial más bajo del pulso, intercambiando en ese mismo instante una fuerza repulsiva sobre el potencial positivo de los cables conductores (1). En el momento en el que el protón se encuentre en la posición donde se desvía de su trayectoria original, aparece el potencial superior, de manera que dicho ión es altamente acelerado. Esa misma aceleración la manifiesta el vehículo espacial, transmitiendo una fuerza mayor que en el caso de mantener, electrostáticamente, el potencial inferior. El efecto de repulsión de Coulomb entre los cables conductores (1) mantiene rigidez a éstos y evita que haya colisión entre ellos.
Comparando la presente invención con la del velero electro-solar estándar, se observa que se puede conseguir igual fuerza utilizando menor longitud en los cables conductores. De la misma manera, esta invención aumenta la fuerza propulsiva si consideramos la misma longitud que en el velero electro-solar estándar, y además, cabe resaltar que existe una importante reducción en la potencia eléctrica requerida para obtener la misma o mayor fuerza.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Velero electro-solar por pulsos caracterizado porque comprende:
    - una red de cables conductores polarizados (1);
    - un eyector de partículas cargadas (2) que eyecta al exterior el exceso de carga debido a las partículas cargadas recogidas desde el viento solar (3) por la red de cables conductores (1);
    - una fuente de alimentación de potencial variable por pulsos (4), en el que la energía del potencial inferior generado en la red de cables conductores (1) es aproximadamente igual que la energía cinética del flujo de protones del viento solar (3), y el potencial superior del pulso será bastante mayor, repeliendo y acelerando los protones en una región de potencial, de mayor extensión que la del potencial inferior. La velocidad final que alcanza un protón repelido en la estructura de potencial es superior a la velocidad del viento solar (3), y a su vez, el propio velero manifiesta, por repulsión de Coulomb, la misma aceleración que manifiesta el protón pero en sentido contrario; garantizando de este modo una mayor propulsión que la que proporciona el velero solar estándar para menor potencial suministrado y, a la vez, menor longitud de cada cable conductor;
    - un sistema de generación de potencia (5) que proporciona potencia eléctrica al eyector de partículas cargadas (2) y a la fuente de alimentación de potencial variable por pulsos (4);
    - un módulo de control de misión (6) configurado para activar el generador de potencia eléctrica (5) y regular la potencia eléctrica que se suministra al eyector de partículas cargadas (2), y a la fuente de alimentación variable por pulsos (4);
    - un sistema mecánico rotatorio (9) que produce el despliegue de los cables conductores (1) y mantiene a éstos rígidos.
  2. 2. Sistema según reivindicación 1, caracterizado porque la red de cables conductores (1) se polariza positivamente, y el eyector de partículas cargadas (2) eyecta electrones.
  3. 3. Sistema según reivindicación 1, caracterizado porque la red de cables conductores (1) se polariza negativamente, y el eyector de partículas cargadas (2) eyecta iones.
  4. 4. Sistema según reivindicación 2, o 3, caracterizado porque cada unos de los cables de la red de cables conductores (1), puede tener forma cilíndrica, de cinta, o multilínea.
  5. 5. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema formado por el módulo de control de misión (6) pueda utilizar un acelerómetro (7) y/o una sonda de Langmuir (8) como elementos de medida para suministrar potencia eléctrica desde el sistema de generación de potencia (5).
  6. 6. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el eyector de partículas cargadas (2) eyecta partículas cargadas al exterior por medio de un contactor de plasma.
  7. 7. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el eyector de partículas cargadas (2) eyecta partículas cargadas al exterior por medio de un sistema de emisión termiónica.
  8. 8. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el eyector de partículas cargadas (2) eyecta partículas cargadas al exterior por medio de un sistema de redes de emisión por efecto de campo.
  9. 9. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema de propulsión auxiliar (10) proporciona la rotación inicial de todo el sistema para desplegar a los cables conductores (1).
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