propulsor electrotérmico de microondas

El propulsor electrotérmico de microondas , también conocido como MET, es un dispositivo de propulsión que convierte la energía de microondas ^{[ 1 ]} (un tipo de radiación electromagnética) en energía térmica (o calor). Estos propulsores se utilizan principalmente en la propulsión de naves espaciales , más específicamente para ajustar la posición y la órbita de la nave. Un MET mantiene e inflama un plasma en un gas propulsor. Esto crea un gas propulsor caliente que, a su vez, se transforma en empuje debido a la expansión del gas al pasar por la boquilla. La función de calentamiento de un MET es similar a la de un arco de chorro (otro dispositivo de propulsión); sin embargo, debido al plasma flotante, no hay problemas con la erosión de los electrodos metálicos y, por lo tanto, el MET es más eficiente. ^{[ 2 ]}

Descripción del mecanismo

El MET contiene características y partes clave que contribuyen a su eficiencia. Las partes incluyen: dos placas terminales (boquilla y antena), plasma y una placa de separación dieléctrica. ^{[ 1 ]}

La cavidad resonante es la guía de ondas circular superpuesta que se cortocircuita mediante las dos placas terminales. La cavidad se encuentra cerca de la placa de separación. Dentro del MET hay dos placas terminales: la boquilla y la antena. La función de la boquilla es convertir el plasma gaseoso en empuje. La antena se utiliza para introducir la potencia de microondas. Aunque la mayor parte de la potencia es absorbida por el plasma, una parte se refleja. Otra parte del MET es el plasma. En algunos casos, el plasma también se denomina cuarto estado de la materia. El plasma es la parte principal del MET. Se crea dentro del sistema calentando el propulsor y se expulsa para generar empuje. La última parte del MET es la placa de separación dieléctrica. Esta pieza del MET permite controlar ambas partes de la cavidad a diferentes presiones.

Principio de funcionamiento

Descripción

Para que el MET genere empuje, debe pasar por un proceso de 4 pasos para convertir la energía eléctrica en energía térmica.

El gas propulsor se inyecta primero tangencialmente en el MET a través de la boquilla, lo que permite la formación del plasma.
Al hacerlo de forma tangencial, se generará un flujo de vórtice (flujo circular) en el sistema, lo que crea un ambiente frío que permite la estabilización del plasma.
Para que el plasma se encienda a bajos niveles de potencia electromagnética y genere empuje, debe estar a baja presión; sin embargo, si el plasma ya se ha encendido, podrá sobrevivir a altas presiones.
El plasma de flujo libre se calienta y se libera a través de la boquilla, creando así un empuje.

Durante este proceso, la sección de la antena se mantiene a presión atmosférica para evitar la formación de plasma cerca de la misma. Asimismo, se garantiza que las placas de separación no estén sometidas a presiones significativamente diferentes, lo que generaría tensiones en ambas.

El proceso físico que tiene lugar a nivel molecular también puede explicarse de la siguiente manera:

El campo eléctrico de microondas provoca que los electrones se aceleren, lo que a su vez causa que colisionen con las moléculas y los átomos dentro del plasma.
Mediante las colisiones, se produce una transferencia de energía a los átomos y moléculas del plasma.
La energía se convierte entonces en energía térmica mediante colisiones inelásticas . ^{[ 3 ]}

Matemáticamente

Empuje

El empuje es la fuerza que se aplica al cohete cuando se libera el propulsor. La fórmula para calcular el empuje es la siguiente:

${\textstyle \tau ={\dot {m}}u_ {e}+(p_ {e}+p_ {a})A_ {e}}$

Donde el empuje se da como $\tau$ en Newtons (N), ${\dot {m}}$ como caudal másico en kilogramos/segundo (kg/s), $u_{e}$ como velocidad de escape en metros/segundo (m/s), $p_{e}$ como presión de salida, $p_{a}$ como presión atmosférica, y $A_{e}$ como área de salida de la boquilla en metros^2 (m^2).

impulso específico

El impulso específico es la eficiencia con la que se utiliza el combustible del MET para generar empuje. La fórmula para el impulso específico es la siguiente:

$I_{sp}=\tau /{\dot {m}}g$

Dónde $I_{sp}$ se da como impulso específico, $\tau$ como empuje en N, ${\dot {m}}$ como caudal másico en kg/s, y $g$ como la aceleración gravitacional de la Tierra.

Relación de masas

Al aplicar la ley de conservación del momento , la relación entre la masa del propulsor y la masa inicial de la nave espacial se puede expresar como:

$M_{p}/M_{i}=1-e^{-\Delta v/I_{sp}g}$

Dónde $M_{p}$ se da como masa propulsora, $M_{i}$ como masa inicial de la nave espacial, $\Delta v$ como cambio de velocidad, $I_{sp}$ es como impulso específico, y $g$ como la gravedad terrestre. ^{[ 4 ]}

Solicitud

Espacio

El propósito principal del MET es la propulsión de naves espaciales. La energía que se genera se convierte en energía cinética , que produce empuje en el espacio. Algunas de sus tareas incluyen la elevación de órbita y el mantenimiento de posición. La elevación de órbita consiste en modificar la órbita de una nave mediante sistemas de propulsión, mientras que el mantenimiento de posición consiste en mantener la posición de una nave espacial con respecto a otras. Esto incluye el mantenimiento de satélites en posiciones específicas. ^{[ 5 ]}

Desarrollos

Sistema de control

En agosto de 2020, se diseñó un sistema de control basado en el MET. Cuando el MET transforma la energía de las ondas electromagnéticas en propulsor, permite que los pequeños impulsos del MET proporcionen un control autónomo sobre el satélite. ^{[ 2 ]}

Propulsión electrotérmica en el espacio

El MET se adaptó para la propulsión electrotérmica en el espacio. Para controlar la altitud de un satélite o nave espacial y para la propulsión principal, se proporcionó un MET de frecuencia sintonizable. En lugar de un magnetrón (dispositivo generador de microondas), se utilizaron características constructivas alternativas, como generadores y semiconductores. Esto aumentó su eficiencia, permitiendo que el propulsor operara a dos frecuencias distintas. ^{[ 6 ]}

Ventajas y desventajas

Ventajas

En comparación con otros propulsores electrotérmicos, el MET se sitúa por encima de los resistojets y algunos afirman que podría alcanzar un rendimiento similar al de los arco-jets . Esto se basa en la suposición de que el MET proporciona un impulso específico mayor, o dicho de otro modo, más empuje por la misma cantidad de combustible. Otra ventaja es que, dado que las microondas pueden recolectarse e introducirse directamente en la cámara de combustión, el MET es extremadamente compatible con el transporte espacial. Finalmente, el MET puede funcionar con vapor de agua como propulsor, que es abundante en todo el cosmos. ^{[ 3 ]}

Desventajas

En general, los propulsores electrotérmicos tienen la menor eficiencia entre la mayoría de los demás sistemas de propulsión eléctrica . El MET se sitúa por debajo de la mayoría de los propulsores electrostáticos, como los propulsores iónicos . ^{[ 3 ]} Otra desventaja es que el MET tiene un empuje relativamente bajo en comparación con los motores de cohete químicos (aunque esto es cierto para la propulsión eléctrica en general). ^{[ 7 ]}

Referencias

1 2 Bonnal, Christophe; DeLuca, Luigi T.; Haidn, Oskar J.; Frolov, Sergey M. (2009). Progress in Propulsion Physics Vol.1 . EDP Sciences. pp. 425– 438.
1 2 US 10753346 , Sherman, Daniel R.; Lukas, Edward y Quon, Brandon et al., "Sistema de control para un propulsor electrotérmico de microondas", publicado el 25-08-2020, asignado a Northrop Grumman Systems Corp.
1 2 3 J. E., Brandenburg; J., Kline; D., Sullivan (2005). "El propulsor electrotérmico de microondas (MET) que utiliza propulsor de vapor de agua". IEEE Transactions on Plasma Science . 33 (2): 776– 782. Bibcode : 2005ITPS...33..776B . doi : 10.1109/TPS.2005.845252 . S2CID 9558235 – vía IEEE.
↑ Clemens, Daniel E. "Evaluación del rendimiento del propulsor electrotérmico de microondas utilizando hidracina y amoníaco simulados con nitrógeno" .
↑ ZAFRAN, S.; MURCH, C.; GRABBI, R. (1977), "Aplicaciones de vuelo de propulsores electrotérmicos de alto rendimiento" , 13.ª Conferencia de Propulsión , Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica, doi : 10.2514/6.1977-965 , consultado el 14 de noviembre de 2020.
↑ Ganapathy, Rohan M. (2018). "Propulsor electrotérmico de microondas adaptado para propulsión electrotérmica en el espacio" (PDF) .
↑ Marcantonio, John R. "Propulsión eléctrica moderna en el espacio" (PDF) .

[:0-1] 1 2 Bonnal, Christophe; DeLuca, Luigi T.; Haidn, Oskar J.; Frolov, Sergey M. (2009). Progress in Propulsion Physics Vol.1 . EDP Sciences. pp. 425– 438.

[:1-2] 1 2 US 10753346 , Sherman, Daniel R.; Lukas, Edward y Quon, Brandon et al., "Sistema de control para un propulsor electrotérmico de microondas", publicado el 25-08-2020, asignado a Northrop Grumman Systems Corp.

[:2-3] 1 2 3 J. E., Brandenburg; J., Kline; D., Sullivan (2005). "El propulsor electrotérmico de microondas (MET) que utiliza propulsor de vapor de agua". IEEE Transactions on Plasma Science . 33 (2): 776– 782. Bibcode : 2005ITPS...33..776B . doi : 10.1109/TPS.2005.845252 . S2CID 9558235 – vía IEEE.

[4] Clemens, Daniel E. "Evaluación del rendimiento del propulsor electrotérmico de microondas utilizando hidracina y amoníaco simulados con nitrógeno" .

[5] ZAFRAN, S.; MURCH, C.; GRABBI, R. (1977), "Aplicaciones de vuelo de propulsores electrotérmicos de alto rendimiento" , 13.ª Conferencia de Propulsión , Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica, doi : 10.2514/6.1977-965 , consultado el 14 de noviembre de 2020.

[6] Ganapathy, Rohan M. (2018). "Propulsor electrotérmico de microondas adaptado para propulsión electrotérmica en el espacio" (PDF) .

[7] Marcantonio, John R. "Propulsión eléctrica moderna en el espacio" (PDF) .

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