Elektriske blå thrustere, der driver BepiColombo til Merkur

I midten af ​​december, tvillingeskiver begynder at lyse blåt på undersiden af ​​et rumfartøj i minibusstørrelse i dybt rum. På det tidspunkt er Europa og Japans BepiColombo -mission lige kommet et afgørende skridt tættere på Merkur.

I denne uge ses idriftsættelse og testfyring af de fire thrustere-med en eller to fyringer ad gangen-af Solar Electric Propulsion System, som BepiColombo er afhængig af for at nå den inderste planet. Dette markerer den første flyveoperation af det mest kraftfulde og højeste ydelses elektriske fremdriftssystem, der er fløjet til enhver rummission til dato.

Hver thruster og dens tilhørende effektforarbejdning og drivgennemstrømningskontrolenheder testes for fuld effekt for at kontrollere, at der ikke blev påført nogen negative effekter fra lanceringen, kulminerede i de første tvillingpropelleroperationer - den konfiguration, der skal bruges i det meste af missionen.

Deres første rutinemæssige affyring er planlagt til midten af ​​næste måned, og fremdriftssystemet vil fungere kontinuerligt i tre måneder for at optimere rumfartøjets bane til den lange rejse til Merkur.

BepiColombo, lanceret fra Europas rumhavn i Fransk Guyana den 20. oktober, står over for en anden udfordring end ESA's planetariske videnskabsmissioner:den er på vej indad, mod Solen, ikke ude, og skal tabe hastigheden i stedet for at opnå den.

Som alle objekter i solsystemet, rumfartøjet er i en solbane bevæger sig vinkelret på træk af Solens tyngdekraft. BepiColombo skal derfor bremse gennem en række bremsemanøvrer og flybys, gør den mere modtagelig for Solens tyngdekraft og lader den spiralere tættere på solsystemet.

Den kraft, der produceres af det elektriske fremdriftssystem, tjener til at bremse rumfartøjet, eller i nogle tilfælde fremskynder det for at gøre sine bremseflybys mere effektive. Ikke mindre end ni planetariske flybys på jorden (én gang), Venus (to gange) og Merkur selv (seks gange) skal placere rumfartøjet med flere moduler i kredsløb omkring Merkur om syv år.

Pladsbugsering

Mercury Transfer Module -delen af ​​rumfartøjet, indeholdende fremdriftssystemet er i det væsentlige en højtydende 'space slæbebåd'. Dens opgave er at udføre alle de aktive bane kontrolmanøvrer, der er nødvendige for at formidle de andre dele af BepiColombo 'stakken' - ESA's Mercury Planet Orbiter og Japans Mercury Magnetospheric Orbiter - til Merkur -kredsløb.

Fremdrivningssystemets høje ydeevne, hvad angår mængden af ​​brændstof, thrusterne kræver, er kritisk. Inert xenongas tilføres thrustere, hvor elektroner først fjernes fra xenonatomerne. De resulterende elektrisk ladede atomer, kaldet ioner, bliver derefter fokuseret og skubbet ud af thrusterne ved hjælp af et højspændingsnetsystem med en hastighed på 50 000 meter i sekundet.

Denne udstødningshastighed er 15 gange større end konventionelle kemiske raketpropeller, muliggøre en dramatisk reduktion i mængden af ​​drivmiddel, der kræves for at nå missionen.

"Fremdrivningssystemet omdanner elektricitet, der genereres af Mercury Transfer Modules to 15 m lange solsystemer til kraft, "forklarer ESA elektrisk fremdriftsingeniør Neil Wallace.

"Ved fuld kraft, der udvikles et tryk, der svarer til vægten af ​​tre 1-euromønter, hvilket betyder, at thrustere skal blive ved med at skyde i lange perioder for at være effektive, men i mangel af træk og forudsat at du er tålmodig, de mulige manøvrer og den nyttelast, der kan transporteres, er dramatiske. "

Elektrificering af rumfartøjets fremdrift

De fire T6 -thrustere, som det elektriske solfremdrivningssystem er designet til, har en arv, der går årtier tilbage. QinetiQ i Storbritannien - tidligere UK Defense Evaluation and Research Agency og før det Farnborough Royal Aircraft Establishment - har forsket i elektrisk fremdrift siden 1960'erne.

Den første flyvning af deres teknologi kom med T5-thrusteren med en diameter på 10 cm, et centralt element i ESAs 2009 tyngdekraftskortlægning GOCE-mission, hvor den tillod satellitten at gå i kredsløb på toppen af ​​Jordens atmosfære i over tre år, skimmer gennem den diffuse atmosfære i den hidtil uset lave orbitale højde, der er nødvendig for missionen.

De opskalerede T6-thrustere er 22 cm i diameter, stigningen i størrelse, der kræves for de højere tryk- og levetidskrav i BepiColombo -missionen. Og i modsætning til GOCEs T5, disse T6 -thrustere er manøvredygtige, takket være gimbalsystemer udviklet af RUAG Space i Østrig.

"Det er smarte mekanismer, der komplicerer systemdesignet lidt - alle elektriske kabler og rør skal krydse en bevægelig grænse - men tilføjer meget til ydeevnen, "tilføjer Neil." De sikrer trykvektoren for enten en enkelt eller dobbelt motor, der skyder kryds gennem rumfartøjets tyngdepunkt, som ændrer sig over tid som drivmiddel er brugt op. "

Thrusteroperationer styres ved hjælp af to Power Processing Units, hvis arkitektur er designet til at understøtte affyring af to T6'er samtidigt, selv i tilfælde af systemafvigelser, garantere den maksimale tryk på 250 mN kan opretholdes.

Indsprøjtning af intelligens

"Systemets intelligens til autonom thruster -drift kommer fra disse Power Processing Units - bidraget af Airbus Crisa i Spanien, "forklarer Neil, "som leverer de regulerede spændinger og strømme til thrusterne baseret på instruktioner fra jordkontrol via rumfartøjets indbyggede computer."

De andre nøgleelementer er drivgennemstrømningskontrolenheder, også overvåget af PPU'erne, og højspændings elektrisk sele. FCU'erne sikrer, at de korrekte strømme af xenongas leveres til thrusterne og blev udviklet af Bradford Engineering i Holland for at levere programmerbare strømningshastigheder.

The various elements of the propulsion system have undergone individual and extensive performance and qualification testing ultimately concluding in a series of tests performed at QinetiQ's Farnborough site.

Testing times

The spacecraft configuration and the extreme nature of the BepiColombo mission – needing to function in thermal conditions akin to placing it in a pizza oven – often demanded similarly extreme test scenarios, pushing the solar electric propulsion technology and test facilities to their limits.

"One important test early in the programme was to ensure that two thrusters could be operated in close proximity for prolonged periods without harmful interactions, " adds Neil. "They turned out to be remarkably tolerant of each other with no measureable effects."

One of the biggest ironies of the thruster qualification for BepiColombo, heading close to the Sun, was the extreme minimum temperatures experienced by its ion thrusters.

Neil explains:"Despite the fact the mission is headed to Mercury, the bulk of the spacecraft shadows the thrusters for very long periods and when not operating they naturally cool to temperatures way lower than ever tested in the past. We needed to prove they would turn-on and operate within specification when cooled to minus 150 C.

"It was a remarkable testament to the robustness of the technology that even after temperatures sufficient to freeze the xenon in the pipes the thrusters were able to start and operate flawlessly."

End of the journey

The propulsion system is dependent on the Mercury Planetary Orbiter's onboard computer for its control and command, so by itself it will not be able to function. Its ultimate fate is to be cast off, when the three-module BepiColombo stack separates before entering Mercury orbit, to circle the Sun indefinitely in the vicinity of the planet, letting the two science modules go to work.

"At one point while planning the BepiColombo mission, the Mercury Transfer Module was planned to impact the planet, " Neil comments, "a sort of Viking funeral that seemed fitting to all of us engineers."

Gridded ion thruster technology will have a life far beyond BepiColombo however, with commercial applications in development, and future, even more ambitious ESA science missions set to rely on the technology.