Zaawansowany elektryczny system napędowy

Advanced Electric Propulsion System ( AEPS ) to słoneczny elektryczny układ napędowy dla statków kosmicznych, który jest projektowany, rozwijany i testowany przez NASA i Aerojet Rocketdyne na potrzeby misji naukowych na dużą skalę i transportu ładunków. Pierwszym zastosowaniem AEPS jest napędzanie elementu zasilania i napędu (PPE) Gateway , który ma zostać wystrzelony w 2024 r. Moduł PPE jest zbudowany przez MAXAR rozwiązania kosmiczne w Palo Alto w Kalifornii. Dwa identyczne silniki AEPS zużywałyby 25 kW wytwarzane przez rozwijany zespół paneli słonecznych (ROSA), który może wytworzyć ponad 60 kW mocy.

Element zasilania i napędu (PPE) dla Lunar Gateway będzie miał masę 8-9 ton metrycznych i będzie w stanie wygenerować 50 kW energii słonecznej dla swoich silników Halla zapewniających manewrowość, które mogą być wspierane przez chemiczne silniki monopropelentowe dla manewry kontroli położenia przy dużym ciągu.

Przegląd

Wykazano, że napęd słoneczno-elektryczny jest niezawodny i wydajny oraz umożliwia znaczną redukcję masy statku kosmicznego. Elektryczny napęd słoneczny o dużej mocy jest kluczową technologią, która została potraktowana priorytetowo ze względu na znaczące korzyści eksploracyjne w przestrzeni cis-księżycowej i załogowe misje na Marsa.

System napędowy AEPS Hall został pierwotnie opracowany od 2015 roku przez NASA Glenn Research Center i Jet Propulsion Laboratory do wykorzystania w odwołanej misji Asteroid Redirect . Prace nad sterem strumieniowym nie ustały po odwołaniu misji w kwietniu 2017 r., ponieważ istnieje zapotrzebowanie na takie silniki do szeregu misji NASA, obronnych i komercyjnych w głębokim kosmosie. Od maja 2016 r. dalsze prace nad AEPS zostały przeniesione do Aerojet Rocketdyne , który obecnie projektuje i testuje sprzęt do modeli inżynierskich. Jest to kontrakt o wartości 65 milionów dolarów, w ramach którego Aerojet Rocketdyne opracował, zakwalifikował się i dostarczy pięć podsystemów pędników Halla o mocy 12,5 kW, w tym pędniki, PPU i kontrolery przepływu ksenonu.

Projekt

AEPS	Wydajność
Maks. pobór energii	40 kW
Maks. prąd roboczy	≤ 25 A
Napięcie	Wejście: 95 V – 140 V Wyjście: 300 V – 600 V
Maks. impuls właściwy ( ja sp )	2900 sek
Maks. pchnięcie	600 mN /silnik
Teoretyczny ciąg całkowity	2.356 N
Rzeczywisty ciąg przy 40 kW	1,77 N
Zakres odległości od Słońca	0,8 do 1,7 j.a
Masa systemu	100 kg × 4 silniki
Masa paliwa ksenonowego (Lunar Gateway)	5000 kg

AEPS opiera się na silniku rozwojowym o mocy 12,5 kW o nazwie „Rakieta z efektem Halla z osłoną magnetyczną” (HERMeS). Słoneczny silnik elektryczny AEPS wykorzystuje pędnik z efektem Halla , w którym paliwo jest jonizowane i przyspieszane przez pole elektryczne w celu wytworzenia ciągu . Wytworzenie 12,5 kW na sterze strumieniowym wymaga w rzeczywistości łącznie 13,3 kW, wliczając moc potrzebną dla elektroniki sterującej. Cztery identyczne silniki AEPS (ster strumieniowy i elektronika sterująca) teoretycznie potrzebowałyby 4 × 13,3 = 53,2 kW, czyli więcej niż 50 kW generowane przez panele słoneczne PPE. Stwierdzono, że układ AEPS ma wykorzystywać tylko 40 kW z 50 kW, więc maksymalny ciąg byłby ograniczony do około 1,77 N .

Model inżynieryjny przechodzi w 2017 r. różne testy wibracyjne, dynamiczne i termiczne testy steru strumieniowego. Oczekuje się, że do końca kontraktu AEPS zgromadzi około 5000 godzin, a projekt ma na celu osiągnięcie modelu lotu, który zapewnia okres półtrwania wynoszący co najmniej 23 000 godzin i pełne życie około 50 000 godzin.

Trzy główne elementy silnika napędowego AEPS to: ster strumieniowy Halla, jednostka procesora zasilania (PPU) i kontroler przepływu ksenonu (XFC). Siłowniki można dławić w zakresie mocy wejściowej 6,67 – 40 kW przy napięciu wejściowym w zakresie od 95 do 140 V. Szacunkowa ksenonowego dla Lunar Gateway wyniosłaby 5000 kg. Wstępny przegląd projektu odbył się w sierpniu 2017 r. Stwierdzono, że „Jednostka przetwarzania mocy z powodzeniem wykazała stabilną pracę układu napędowego i odpowiednio zareagowała na wszystkie zaplanowane przez nas scenariusze awaryjne”.

Testy

W lipcu 2017 roku AEPS został przetestowany w Glenn Research Center. W testach wykorzystano jednostkę przetwarzania mocy (PPU), która może być również wykorzystywana w innych zaawansowanych technologiach napędowych statków kosmicznych. W sierpniu 2018 r. Aerojet Rocketdyne zakończył wczesny test integracji systemów w komorze próżniowej, co doprowadziło do finalizacji projektu i fazy weryfikacji. W listopadzie 2019 roku Aerojet Rocketdyne po raz pierwszy zademonstrował ster strumieniowy AEPS z pełną mocą.

Zobacz też

• Gotowość do zastosowania technologii słonecznej NASA – system napędu kosmicznego