ES2540167B2 - Sistema sin partes móviles ni electrodos y procedimiento para vectorizar el empuje en motores espaciales de plasma - Google Patents

Sistema sin partes móviles ni electrodos y procedimiento para vectorizar el empuje en motores espaciales de plasma Download PDF

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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03HPRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00Using plasma to produce a reactive propulsive thrust

Abstract

Sistema sin partes móviles ni electrodos para obtener capacidad de empuje vectorial en motores espaciales de plasma con campo magnético esencialmente axial o carentes de campo magnético aplicado, más procedimiento de operación asociado. El sistema comprende tres o más bobinas conductoras no alineadas (1) que se sitúan a la salida del motor coaxialmente con el mismo, alimentadas eléctricamente con corriente continua de forma independiente, capaces de generar una tobera magnética (6) que guía la expansión del plasma y opcionalmente lo deflecta lateralmente. El procedimiento de operación comprende la elección de la corriente eléctrica en cada bobina para cambiar a voluntad la dirección de la tobera magnética y por tanto del chorro de plasma eyectado y el vector empuje dentro de un amplio rango angular.

Description

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DESCRIPCION
SISTEMA SIN PARTES MOVILES NI ELECTRODOS Y PROCEDIMIENTO PARA VECTORIZAR EL EMPUJE EN MOTORES ESPACIALES DE PLASMA
Sector tecnico
La presente invencion se enmarca en el sector de la ingenieria aeroespacial, dentro de los sistemas de propulsion espacial primaria o secundaria para vedculos espaciales y satelites. En concreto, la invencion se encuadra dentro de los sistemas y procedimientos de control del vector de empuje de motores espaciales de plasmas (propulsion electrica).
Antecedentes de la invencion
Los motores espaciales de plasma permiten obtener un impulso espedfico unas 10 veces mayor que los sistemas de propulsion qdmicos tradicionales. Gracias al mayor impulso espedfico, los motores de plasma llevan asociada una reduccion de consumo de combustible, y por ende, de los costes totales de la mision. Los motores de plasma pueden clasificarse segun posean un campo magnetico aplicado esencialmente axial, esencialmente radial, o carezcan de campo aplicado.
En un vedculo espacial o satelite, la existencia de defectos iniciales de fabricacion y tolerancias mecanicas en su construccion produce desalineamientos entre su centro de masas y la lmea de accion del vector empuje del sistema de propulsion. Esto haceque el centro de masas no este dentro de la lmea de accion del vector empuje. Cuando esto sucede, el empleo del sistema de propulsion genera un par de fuerzas sobre el vedculo/satelite, que lo pone en rotacion. La situacion puede agravarse sustancialmente a lo largo de la vida util del mismo, a medida que el consumo de propulsante haga que se desplace su centro de masas, aumentando asi el desalineamiento.
El par de fuerzas secular que producen estos desalineamientos constituye un serio problema tecnologico en la propulsion espacial. A modo de solucion, actualmente se emplean los sistemas de control de actitud del satelite para contrarrestar la perturbacion. No obstante, el par de fuerzas secular eventualmente causa la indeseable saturacion de los sistemas de control de actitud. Cuando mantener la orientacion del satelite durante la etapa propulsiva no es importante, tambien se resuelve este problema proporcionando una
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rotacion (spin) al satelite a lo largo del eje de propulsion con el objeto de modular angularmente el par de fuerzas producido y conseguir cancelar en promedio su accion sobre la actitud del satelite.
Una solucion mucho mas atractiva consiste en controlar la direction del vector de empuje para corregir el desalineamiento, de forma que no sea necesario emplear el sistema de control de actitud ni poner en rotacion el satelite. Dicho control del vectorde empuje constituye una capacidad muy deseable (o incluso imprescindible) en los sistemas de propulsion espacial. Se estima que una deflexion del vector de empuje de 5-8 grados seria mas que suficiente para mantener el empuje alineado a lo largo de la vida util del vehiculo, evitando maniobras de de-saturation y periodos no operativos. Adicionalmente, la capacidad de empuje vectorial aporta una gran flexibilidad propulsiva a la plataforma. Por ejemplo, permite reducir la saturation de los sistemas de control de actitud en dos ejes de forma sencilla durante las etapas propulsivas de la mision.
En la Tecnica Previa existen varios sistemas y/o procedimientos para obtener cierto control del vector de empuje en motores espaciales de plasma. El sistema mas extendido y utilizado en la actualidad consiste en montar el motor sobre una plataforma con cardanes (gimbals), que permita reorientarlo dentro de un rango angular limitado (e.g. Patente EP0937644). Una idea similar, aunque de mayor complejidad, consiste en montar el motor sobre un brazo robotico orientable (Patente US 6565043). Estos sistemas mecanicos poseen partes moviles, por lo que son pesados, complejos, y con altas probabilidades de fallo.
En motores ionicos de rejillas, en los que los iones del plasma del motor son acelerados a traves de una diferencia de potencial generada entre diversas rejillas conductoras, se ha explorado laposibilidad de desplazar lateralmente o angularmente las rejillas del motor mediante un sistema movil para desviar lateralmente el chorro de plasma resultante y obtener empuje vectorial (EP0468706A2). No obstante, el dispositivo es complejo, proporciona una direccionalidad de empuje reducida, y destruye el delicado alineamiento entre rejillas en estos motores, lo cual puede disminuir notablemente la vida util de las mismas al incrementarse el bombardeo de iones.
En el afan de eliminar las problematicas partes moviles, otras alternativas existentes se basan en la utilization de una agrupacion (cluster) de motores de plasma semejantes montados en un plano, y opcionalmente cada uno de ellos apuntando en una direccion
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ligeramente distinta (Patente US6279314). Esto requiere un mmimo de tres motores para poder vectorizar el empuje en todas las direcciones, con el consecuente aumento de la complejidad y peso del sistema.
Asimismo, se ha considerado la posibilidad de situar placas de electrodos a la salida del motor, perpendiculares al chorro de plasma, capaces de ejercer un campo electrico que lo deflecte (Patente US4277939). No obstante, aparte de la complejidad anadida, los electrodos estan sometidos al constante bombardeo de iones, lo que limita su vida util, y los campos electricos generados tienden a concentrarse en una capa delgada en el bordedel plasma, lo que limita considerablemente su capacidad para deflectar el grueso del chorro.
Por otra parte, los plasmas reaccionan ante campos magneticos externos, modificando su movimiento. En concreto, un campo magnetico axilsimetrico divergente, suficientemente intenso como para magnetizar el plasma, es capaz de guiar la expansion de un plasma caliente al vado, generando una “tobera magnetica” (Ahedo y Merino, Phys. Plasmas 17, 073501, 2010). El plasma sufre una transicion sonica en torno a la seccion de maximo estrechamiento magnetico, y posteriormente se expande supersonicamente, acelerandose y produciendo asi un mayor empuje, de forma similar a como se expande un gas en una tobera de Laval solida. Este fenomeno ha sido extensamente comprobado experimentalmente (Andersen et al, Phys. Fluids 12, 557, 1969), y constituye el fundamento de varios motores espaciales de plasma, como el motor de fuente helicon, el motor Magnetoplasmadinamico de campo aplicado, y el motor VASIMR. No obstante, las toberas magneticas existentes en estos motores son estaticas y no permiten el control vectorial de empuje.
Recientemente, se estan explorando distintas formas de obtener capacidad de vectorizar el empuje en algunos motores de plasma particulares mediante deflexion magnetica. Un ejemplo son losmotores de efecto Hall (los cuales no poseen tobera magnetica), en los que existe un campo magnetico esencialmente radial. Para estos motores en particular se ha propuesto variar el campo magnetico radial del motor, rompiendo la axilsimetria del mismo (WO2011/151636A1). No obstante, romper la axilsimetria del campo magnetico en este motor reduce la capacidad del campo magnetico para confinar electrones, los cuales adquieren la capacidad de desplazarse facilmente en sentido axial y contra las paredes del motor, reduciendo notablemente la eficiencia del motor.
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Asimismo, en motores de tipo helicon, se ha propuesto montar un solenoide perpendicular a la fuente de plasma y posicionado en un lateral de la misma, a cierta distancia, para generar campos magneticos radiales que modifiquen la direccion de la tobera magnetica del motor (Cox et al., IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 39, NO. 11, pag. 2460, 2011). No obstante, la configuration propuesta en ese caso modifica mas el campo magnetico interno del motor que la tobera magnetica del mismo, danando la eficiencia de la fuente de plasma, y supone un alto peso adicional en un motor, pues al encontrarse el solenoide alejado del flujo de plasma, es necesario un fuerte campo magnetico (y por tanto, un solenoide pesado) para actuar sobre el campo magnetico ya existente del propio motor.
En resumen, para superar las limitaciones de estos procedimientos es necesario un sistema sencillo, eficaz y sin partes moviles o electrodos en contacto con el plasma que posibilite el control vectorial del empuje en motores de plasma con campo magnetico esencialmente axial o sin campo magnetico aplicado, en al menos unos 10 grados.
Description de la invention
La invencion se refiere a un sistema sin partes moviles ni electrodos en contacto con el plasma y procedimiento para vectorizar el empuje en motores espaciales de plasma con campo magnetico esencialmente axial o sin campo magnetico aplicado mediante la generation de una tobera magnetica dirigible a voluntad para obtener capacidad de empuje vectorial en todas las direcciones dentro de un amplio espacio angular de acuerdo con la revindication 1 y 3. Realizaciones preferidas del sistema y del procedimiento se definen en las reivindicaciones dependientes.
Al no poseer partes moviles ni electrodos susceptibles de ser atacados directamente por el plasma, y gracias a que actua principalmente sobre el chorro a la salida del motor, el sistema no aumenta la complejidad del sistema sustancialmente nidisminuye la vida util del motor.
En motores espaciales de plasma con campo aplicado esencialmente axial, el sistema puede sustituir a parte del sistema generador de campo magnetico para aportar la capacidad de empuje vectorial, por lo que practicamente no anade peso ni complejidad adicional. Esto cubre buena parte de motores espaciales de plasma existentes o en desarrollo, incluyendo los motores helicon, los motores magnetoplasmadinamicos (MPD) de
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campo aplicado, el motor VASIMR, los motores de efecto Hall cilmdricos, los motores HEMP, y los motores de efecto Hall con cuspides magneticas.
En motores carentes de campo magnetico aplicado, el sistema puede acoplarse de forma sencilla a la salida del motor, proporcionando la capacidad de empuje vectorial con un mmimo coste adicional, esencialmente sin modificar el funcionamiento interno del mismo. Esto atane a motores como el motor ionico de rejillas (en todas sus subclases) y el motor MPD de campo propio.
Fisicamente, la invencion comprende un generador de campo magnetico dirigible capaz de acelerar, guiar y opcionalmente deflectar magneticamente chorros de plasma. El sistema (FIGURA 1) comprende n> 2 bobinas (1) de material conductor, por las cuales se hacen circular distintas corrientes electricas. Las bobinas estan entrelazadas entre si y dispuestas de forma simetrica respecto al centro del sistema (0), y orientadas de manera que el vector director (2) del eje de cada bobina forme un angulo a con el eje de referencia del sistema
(3). Los vectores directores (2) de los ejes de las bobinas forman entre si dos a dos un mismo angulo ft = 2arcsin[sin(a)sin(n/n)] (es decir, los ejes de las bobinas estan angularmente equiespaciados en la direccion azimutal, i.e., en el plano XY). Cada bobina posee un sistema de alimentacion (4) que controla de forma independiente la corriente que circula por ella. La invencion se situa en el plano de salida de la fuente de plasma del motor o en un plano cercano al mismo, con el eje de referencia (3) coincidente con el eje de la fuente de plasma.
El procedimiento de operacion es el siguiente: al hacer circular corrientes electricas por las bobinas, se genera un campo magnetico cuyos tubos de lmeas magneticas conforman una tobera magnetica convergente-divergente. La corriente media que se hace circular por las bobinas genera un campo magnetico aplicado capaz de magnetizar, confinar y guiar la expansion del plasma del motor.
Si el numero de amperios-vuelta en cada bobina es igual en magnitud y sentido, el campo magnetico generado es esencialmente axilsimetrico (FIGURA 2), con el eje dirigido en la direccion del eje de referencia (3). Los tubos magneticos (6) que parten de una circunferencia (5) centrada en el centro del sistema (0) y cuyo eje es paralelo al eje del sistema (3) son por tanto esencialmente axilsimetricos, y la tobera magnetica divergente resultante acelera y guia el plasma, pero no lo deflecta lateralmente. La lmea magnetica central (7), que pasa por el origen del sistema (0), no sufre deflexion.
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Si se modifican de forma diferencial los amperios-vuelta que circulan por cada bobina, el campo magnetico generado deja de ser axilsimetrico (FIGURA 3). Ahora, los tubos de campo magnetico (6) estan deflectados lateralmente, y la tobera magnetica acelera, gwa y tambien deflecta el chorro de plasma lateralmente un cierto angulo de forma controlada. La direccion y angulo de la deflexion magnetica producida, definido como el angulo formado en el infinito entre el eje del sistema (3) y la lmea magnetica (7) que pasa por el origen del sistema (0), puede controlarse variando la intensidad que circula por cada bobina. El angulo de deflexion magnetica maximo no esta limitado por el angulo a de las bobinas conductoras, y de hecho puede ser superior al anguloa, haciendo circular por alguna de las bobinas conductoras corrientes en sentido contrario al del resto de las bobinas.El angulo de deflexion magnetica puede elegirse de modo que sea igual a, proporcional a, o una funcion no lineal del angulo dedeflexion deseado del vector empuje F.
Breve descripcion de los dibujos
Para complementar la descripcion que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas de la invencion, se acompana como parte integrante de dicha descripcion un conjunto de dibujos. En dichos dibujos, se han utilizado las siguientes referencias:
(0) : Origen del sistema.
(1) : Bobinas conductoras. Cada bobina se referencia con un segundo mdice: (1.1), (1.2), (1.3), etc.
(2) : Vectores directores de los ejes de las bobinas. Cada vector director se referencia con un segundo mdice, coincidente con el mdice de la bobina correspondiente: (2.1), (2.2), (2.3), etc.
(3) : Eje de referencia del sistema.
(4) : Sistema de alimentacion propio de cada bobina. Cada sistema de alimentacion se referencia con un segundo mdice, coincidente con el mdice de la bobina correspondiente: (4.1), (4.2), (4.3), etc.
(5) : Circunferencia centrada en (0) contenida en un plano perpendicular a (3) y de radio igual al radio del chorro de plasma saliente del motor.
(6) : Tubo magnetico que pasa por la circunferencia (5).
(7) : Lmea magnetica que parte del origen del sistema (0).
(8) : Carrete circular.
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(XYZ): Triedro a derechas centrado en el origen del sistema (0),con el eje (Z) coincidente con el eje de referencia del sistema (3) y el eje (X) elegido de forma que el vector director del eje de la primera bobina (1.1) quede contenido en el plano (YZ).
En dichos dibujos, con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La FIGURA 1 muestra una vista esquematica de los elementos fundamentals del sistema, para una particularizacion del sistema con n = 3 bobinas conductoras (1) y a = 10 grados.
La FIGURA 2 muestra el campo magnetico (calculado) generado por una particularizacion del sistema con n = 3 bobinas (1) y a = 10 grados, cuando la corriente que circula por cada bobina es identica en direccion y sentido a las demas.
La FIGURA 3 muestra el campo magnetico (calculado) generado por la misma particularizacion que en la FIGURA 2, pero cuando la corriente que circula por cada bobina esta en proporcion 0:0:1 para las bobinas (1.1), (1.2), y (1.3) respectivamente.
La FIGURA 4 muestra, en forma de grafica polar, las deflexiones de la lmea magnetica central (7) que parte del origen del sistema (0) obtenidas aguas abajo, ante diversas proporciones de la corriente que circula por las tres bobinas (1.1), (1.2) y (1.3) de la particularizacion del sistema de las FIGURAS 1, 2 y 3. Se muestran como puntos los distintos casos, anotados con la proporcion [a:b:c] de las corrientes por cada una de las tres bobinas, respectivamente. El angulo polar de la grafica es el angulo que la lmea magnetica (7) forma con el eje X (azimut), y el radio de la grafica es el angulo de deflexion en el infinito de la lmea magnetica (7) (i.e., el angulo formado con el eje de referencia del sistema (3)). Las circunferencias a trazos de la grafica indican valores constantes de este ultimo angulo. El triangulo a trazos delimita el espacio de deflexiones accesibles sin corrientes negativas por las bobinas.
La FIGURA 5 muestra de forma esquematica una realizacion del sistema con n = 3 bobinas conductoras circulares y a = 10 grados.
La FIGURA 6 muestra de forma esquematica una realizacion del sistema con n = 3 bobinas elipticas apoyadas sobre un carrete circular y a = 15 grados.
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La FIGURA 7 muestra de forma esquematica una posible forma de entretejer las distintas espiras de las bobinas (1) en la realization mostrada en la FIGURA 6. Para facilitar la visualization solo se muestran unas pocas espiras de cada bobina.
Description detallada de la invention
La siguiente descripcion detallada ilustra varios modos de realizacion de la invencion. Esta descripcion no debe tomarse en sentido limitante, si no que trata de ilustrar los principios generales de la invencion. En concreto, se obtienen resultados similares variando el numero de bobinas utilizadas, siempre que el numero n de las mismas sea 3 o mas, variando la geometria de las espiras (circulares o elipticas), o variando la forma en que estas son entrelazadas y fijadas.
Una posible realizacion del sistema comprende tres (n = 3) bobinas conductoras (1) circulares rigidas, todas ellas de un mismo radio RL (mayor que el radio interno de la fuente de plasma del motor), espesor tL y ancho wL, con RL » tL,wL, entrelazadas entre si como muestra la FIGURA 5. Las bobinas estan dispuestas de forma que dejen libre esencialmente la mayor circunferencia posible en su interior. Los centros de las bobinas no coinciden con el centro del sistema (0), siendo la separation aproximadamente igual a tL. Los vectores directores unitarios at (2) del eje de cada bobina i(1) forman un angulo a < arctan(wL/RL) con elvector director unitario z del eje de referencia del sistema (3), y un mismo angulo P = 2arcsin[sin(a)sin(n/n)] dos a dos.
Una segunda posible realizacion del sistema comprende tres bobinas conductoras (1) ligeramente elipticas arrolladas sobre un carrete cilmdrico (8) de radio Rc (mayor que el radio interno de la fuente de plasma del motor) y ancho wc. El hilo (conductor y forrado de material aislante) de cada bobina esta arrollado elipticamente sobre el carrete, dejando una separacion angular 2 n/n entre cada bobina, tal y como muestra la figura FIGURA 6. En los puntos de encuentro entre dos bobinas sobre el carrete, el hilo de una de ellas pasa por encima del de la otra, por ejemplo como muestra la FIGURA 7. Los centros de cada bobina coinciden con el centro del sistema (0). Los vectores directores unitarios at (2) del eje de cada bobina i(1) forman un angulo a ^ arctan(wc/Rc) con elvector director unitario z del eje de referencia del sistema (3), y un mismo angulo ft = 2arcsin[sin(a)sin(n/n)] dos a dos.
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Una tercera variante de realization de la invention comprende la version eKptica de las bobinas descrita en la realizacion anterior, pero con bobinas fijadas en la position descrita, y eliminando el carrete de soporte (8).
En las tres realizaciones descritas, el sistema se situa y fija a la salida del motor, coaxialmente con el mismo, ylas bobinas estan conectadas electricamente a una fuente de alimentation de corriente electrica continua (4) capaz de alimentar cada una de las bobinas conductoras (1) de forma independiente y controlable.
El modo de operation es identico en los tres modos de realizacion descritos: se hace pasar un numero de amperios-vuelta wt por cada bobina i tales que la suma vectorial de los vectores directores at (2) del eje de cada bobina i, multiplicados por el peso respectivo de amperios-vuelta cada bobina, sea A = at. El vector ^define en primera aproximacion la direction de la lmea magnetica (7) que parte del origen del sistema (0). La cantidad total de amperios-vuelta necesarios, es tal que las bobinas generan un campo magnetico total cuya intensidad es suficiente para magnetizar al plasma del motor a la salida del motor, de modo que el plasma es encauzado, acelerado y opcionalmente deflectado.
Para operar de forma axilsimetrica (sin deflexion del vector de empujeF), se hace pasar una misma cantidad de amperios-vueltaw; por cada bobinai. El campo magnetico total generado por las bobinas es esencialmente axilsimetrico respecto al eje del sistema (3), el vector A es paralelo al vector director unitario z del eje de referencia del sistema (3), y consecuentemente la lmea magnetica (7) que pasa por el origen del sistema (0) no sufre deflexion. Al fluir el plasma del motor en el campo magnetico del sistema, se genera un chorro de plasma no deflectado lateralmente, y no se generan pares de fuerzas laterales.
Para operar de forma no-axilsimetrica (con deflexion del vector de empujeF), se hace pasar por cada bobina iun numero de amperio-vueltas wtdistinto, de forma que el vector A apunte en la direccion deseada del vector de empuje F.
Una variante de este modo de operacion consiste en elegir el numero de amperios-vuelta wt por cada bobina ide modo que el vector 4sea tal que (F xA) -z = 0 (es decir, que los vectores A, F y z sean coplanarios), y A-z/ sea proporcional a F - z/\F\.
Aun otra variante consiste en elegir el numero de amperios-vuelta wt por cada bobina jde modo que el vector 4sea tal que (F xA) -z = 0 y A-z/ '^Jwi seauna funcion no lineal deF- z/|F|.
5 De cualquiera de estas formas no-axilsimetricas de operar, el campo total generado por las bobinas no es axilsimetrico, y los tubos magneticos se deflectan lateralmente. Al fluir el plasma del motor por el campo magnetico del sistema, el sistema genera un chorro de plasma deflectado lateralmente, y el vector de empuje queda deflectado.Con este procedimiento es posible obtener deflexiones del vector de empuje de angulos del orden de 10 a en cualquier direccion. Los amperio-vueltas por cada bobina, wt, no tienen por que tener todos el mismo signo.

Claims (7)

  1. 5
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    25
    30
    ES 2 540 167 A1
    REIVINDICACIONES
    1. Sistema sin partes moviles ni electrodos en contacto con el plasma para vectorizar el empuje en motores espaciales de plasma con campo magnetico aplicado esencialmente axial o carentes de campo magnetico aplicado mediante la generacion de una tobera magnetica dirigible, caracterizado por comprender:
    1.1 Al menos tres bobinas conductoras circulares o elipticas (1), entrelazadas entre si de forma que los vectores directores unitarios at (2) del eje de cada bobina i formen un angulo a respecto a un mismo angulo ft dos a dos, y fijadas de forma que el eje del sistema (3) coincida con el eje de la fuente de plasma;
    1.2 Una fuente de alimentacion de corriente electrica continua (4) capaz de alimentar cada una de las bobinas conductoras (1) de forma independiente y controlable.
  2. 2. Sistema descrito segun la reivindicacion 1, caracterizado porque las bobinas (1) estan arrolladas sobre un carrete circular (8).
  3. 3. Procedimiento para deflectar el vector empuje en motores espaciales de plasma con
    campo magnetico aplicado esencialmente axial o carentes de campo magnetico aplicado utilizando el sistema descrito por la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque hace circular una cantidad de amperios-vuelta wt por cada bobina conductora j(1) de modo que el vector A = ^apunte en la direccion del vector de empuje deseado F, siendo
    at el vector director unitario (2) del eje de la bobina i (1).
  4. 4. Procedimiento segun la reivindicacion 3, en el que los amperios-vuelta wt por cada bobina conductora i (1) se eligen de forma que:
  5. 4.1 (FxA)-z = 0, siendo z el vector director unitario del eje de referencia del sistema (3);
  6. 4.2 A-z/ es proporcional a F • z/|F|.
  7. 5. Procedimiento segun la reivindicacion 4, en el que los amperios-vuelta wt por cada bobina conductora i (1) se eligen de forma que A •z/ es una funcion no lineal de F-z/|F|.
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