La nuova tecnologia di propulsione della NASA migliora le capacità dei piccoli veicoli spaziali per le future missioni planetarie e prolunga la vita operativa dei satelliti esistenti. Collaborando con entità commerciali, la NASA non solo porta avanti i propri obiettivi di commercializzazione della tecnologia, ma sostiene anche la leadership globale dell’industria spaziale statunitense. Credito: Northrop Grumman
NASAL’innovativa tecnologia di propulsione di promuove l’esplorazione di piccoli veicoli spaziali e prolunga la vita dei satelliti, sostenendo la leadership degli Stati Uniti nella tecnologia spaziale.
La NASA ha sviluppato una tecnologia di propulsione avanzata per facilitare le future missioni di esplorazione planetaria utilizzando piccoli veicoli spaziali. Questa tecnologia non solo consentirà nuovi tipi di missioni scientifiche planetarie, ma uno dei partner commerciali della NASA si sta già preparando a utilizzarla per un altro scopo: prolungare la vita dei veicoli spaziali già in orbita. Identificare l’opportunità per l’industria di utilizzare questa nuova tecnologia non solo fa avanzare l’obiettivo della NASA di commercializzazione della tecnologia, ma potrebbe potenzialmente creare un percorso per la NASA per acquisire questa importante tecnologia dall’industria da utilizzare nelle future missioni planetarie.
La nuova tecnologia
Le missioni scientifiche planetarie che utilizzano piccoli veicoli spaziali dovranno eseguire manovre propulsive impegnative, come raggiungere velocità di fuga planetaria, cattura dell’orbita e altro, che richiedono una capacità di cambiamento di velocità (delta-v) ben superiore alle tipiche esigenze commerciali e allo stato attuale -dell’arte. Pertanto, la tecnologia abilitante n. 1 per queste missioni di piccoli veicoli spaziali è un sistema di propulsione elettrica in grado di eseguire queste manovre ad alto delta-v. Il sistema di propulsione deve funzionare utilizzando una bassa potenza (sotto il kilowatt) e avere un’elevata portata di propellente (ovvero, la capacità di utilizzare un’elevata massa totale di propellente per tutta la sua vita) per consentire l’impulso richiesto per eseguire queste manovre.
Dopo molti anni di ricerca e sviluppo, i ricercatori del Glenn Research Center (GRC) della NASA hanno creato un piccolo sistema di propulsione elettrica per veicoli spaziali per soddisfare queste esigenze: il propulsore a effetto Hall da meno di un kilowatt della NASA-H71M. Inoltre, il successo della commercializzazione di questo nuovo propulsore fornirà presto almeno una di queste soluzioni per consentire la prossima generazione di missioni scientifiche su piccoli veicoli spaziali che richiedono fino a ben 8 km/s di delta-v. Questa impresa tecnica è stata realizzata attraverso la miniaturizzazione di molte tecnologie avanzate di propulsione elettrica solare ad alta potenza sviluppate nell’ultimo decennio per applicazioni come l’elemento di potenza e propulsione di Gateway, la prima stazione spaziale dell’umanità attorno alla Luna.
A sinistra: propulsore a effetto Hall della NASA-H71M sul supporto di spinta 8 del Glenn Research Center Vacuum Facility. A destra: il Dr. Jonathan Mackey mette a punto il supporto di spinta prima di chiudere e svuotare l’impianto di prova. Credito: NASA
Vantaggi di questa tecnologia per l’esplorazione planetaria
I piccoli veicoli spaziali che utilizzano la tecnologia di propulsione elettrica NASA-H71M saranno in grado di manovrare in modo indipendente dall’orbita terrestre bassa (LEO) alla Luna o anche da un’orbita di trasferimento geosincrona (GTO) a Marte. Questa capacità è particolarmente notevole perché le opportunità di lancio commerciale per LEO e GTO sono diventate routine, e la capacità di lancio in eccesso di tali missioni viene spesso venduta a basso costo per schierare veicoli spaziali secondari. La capacità di condurre missioni che hanno origine da queste orbite vicine alla Terra può aumentare notevolmente la cadenza e ridurre il costo delle missioni scientifiche sulla Luna e su Marte.
Questa capacità di propulsione aumenterà anche la portata dei veicoli spaziali secondari, che storicamente sono stati limitati a obiettivi scientifici allineati con la traiettoria di lancio della missione primaria. Questa nuova tecnologia consentirà alle missioni secondarie di deviare sostanzialmente dalla traiettoria della missione primaria, facilitando l’esplorazione di una gamma più ampia di obiettivi scientifici.
Inoltre, queste missioni scientifiche secondarie di veicoli spaziali avrebbero in genere solo un breve periodo di tempo per raccogliere dati durante un sorvolo ad alta velocità di un corpo distante. Questa maggiore capacità propulsiva consentirà la decelerazione e l’inserimento orbitale sui planetoidi per studi scientifici a lungo termine.
Inoltre, i piccoli veicoli spaziali dotati di una capacità propulsiva così significativa saranno meglio attrezzati per gestire i cambiamenti in fase avanzata della traiettoria di lancio della missione primaria. Tali cambiamenti rappresentano spesso un rischio elevato per le missioni scientifiche di piccoli veicoli spaziali con capacità propulsiva a bordo limitata che dipendono dalla traiettoria di lancio iniziale per raggiungere il loro obiettivo scientifico.
Applicazioni commerciali
Le megacostellazioni di piccoli veicoli spaziali che si stanno formando nelle orbite basse della Terra hanno reso i propulsori a effetto Hall a bassa potenza il sistema di propulsione elettrica più abbondante utilizzato oggi nello spazio. Questi sistemi utilizzano il propellente in modo molto efficiente, il che consente l’inserimento in orbita, la deorbitazione e molti anni di evitamento e rifasamento delle collisioni. Tuttavia, la progettazione attenta ai costi di questi sistemi di propulsione elettrica commerciale ha inevitabilmente limitato la loro durata a meno di poche migliaia di ore di funzionamento e questi sistemi possono elaborare solo circa il 10% o meno della massa iniziale di un piccolo veicolo spaziale in propellente.
Al contrario, le missioni scientifiche planetarie che beneficiano della tecnologia del sistema di propulsione elettrica NASA-H71M potrebbero funzionare per 15.000 ore ed elaborare oltre il 30% della massa iniziale del piccolo veicolo spaziale in propellente. Questa capacità rivoluzionaria va ben oltre le esigenze della maggior parte delle missioni LEO commerciali e ha un costo aggiuntivo che rende improbabile la commercializzazione di tali applicazioni. Pertanto, la NASA ha cercato e continua a cercare partnership con aziende che sviluppano concetti di missione commerciali innovativi su piccoli veicoli spaziali con requisiti di produttività di propellente insolitamente grandi.
Modello tecnico Northrop Grumman NGHT-1X Propulsore a effetto Hall operante nel Glenn Research Center Vacuum Facility 8. Il design dell’NGHT-1X è basato sul propulsore a effetto Hall NASA-H71M. Credito: Northrop Grumman
Un partner che presto utilizzerà la tecnologia di propulsione elettrica concessa in licenza dalla NASA in un’applicazione commerciale per piccoli veicoli spaziali è SpaceLogistics, una consociata interamente controllata da Northrop Grumman. Il veicolo di servizio satellitare Mission Extension Pod (MEP) è equipaggiato con una coppia di propulsori a effetto Hall Northrop Grumman NGHT-1X, il cui design è basato sul NASA-H71M. La grande capacità propulsiva del piccolo veicolo spaziale gli consentirà di raggiungere l’orbita geosincrona terrestre (GEO) dove sarà montato su un satellite molto più grande. Una volta installato, il MEP fungerà da “jet pack di propulsione” per prolungare la vita del veicolo spaziale che lo ospita per almeno sei anni.
Northrop Grumman sta attualmente conducendo un test di usura di lunga durata (LDWT) dell’NGHT-1X presso l’impianto di aspirazione 11 della GRC per dimostrarne la piena capacità operativa. L’LDWT è finanziato da Northrop Grumman attraverso un accordo Space Act completamente rimborsabile. Il lancio del primo veicolo spaziale MEP è previsto nel 2025, e allungherà la vita di tre satelliti per comunicazioni GEO.
La collaborazione con l’industria statunitense per trovare applicazioni per piccoli veicoli spaziali con requisiti propulsivi simili alle future missioni scientifiche planetarie della NASA non solo aiuta l’industria statunitense a rimanere leader globale nei sistemi spaziali commerciali, ma crea nuove opportunità commerciali per la NASA per acquisire queste importanti tecnologie man mano che le missioni planetarie le richiedono .
La NASA continua a far maturare le tecnologie di propulsione elettrica dell’H71M per espandere la gamma di dati e documentazione a disposizione dell’industria statunitense allo scopo di sviluppare dispositivi di propulsione elettrica a bassa potenza altrettanto avanzati e altamente capaci.
