Sistema de propulsión espacial por modificación electrostática.

El sistema de propulsión espacial por modificación electrostática comprende un sistema de eyección de un flujo de iones de alta velocidad (2) dirigido hacia una red de cables positivamente polarizados (1),

un sistema de potencia (8) que genere la potencia eléctrica que requiere tanto el propulsor eléctrico (2) como el cátodo (3), y que mantenga a la red de cables conductores (1) positivamente polarizados. El flujo de iones es desviado por el potencial electrostático generado por la red de cables conductores produciendo un intercambio de momento. Como el empuje generado por el intercambio de momento de los iones es mayor que el empuje producido por el propulsor eléctrico (2) se consigue que el sistema acelere en la misma dirección en la que se eyecta el flujo de iones. Los electrones que aparecen junto con el flujo de iones son recolectados por los cables conductores (1) y eyectados al exterior por el cátodo (3). Este sistema de propulsión es adecuado para realizar misiones interplanetarias a altas velocidades, y permite aumentar la aceleración del sistema y reducir el tiempo de vuelo para llegar a otros planetas con cargas de pago de masas mayores que las que admite la tecnología actual.

Sistema de propulsión espacial por modificación electrostática

Campo técnico de la invención La presente invención se enmarca dentro del campo aeroespacial. En particular, pertenece a los sistemas de propulsión que, embarcados en vehículos espaciales, facultan a dicho vehículo la capacidad de alcanzar otros planetas en un determinado tiempo y, además, permiten modificar trayectorias orbitales. En concreto, aquellos que emplean la propulsión a través de un flujo dirigido de iones como medio para alcanzar otros planetas y modificar trayectorias orbitales.

Estado de la técnica En la práctica totalidad de las misiones espaciales a planetas exteriores, las agencias espaciales han optado por considerar asistencias gravitatorias que impulsan el vehículo espacial hasta el planeta elegido con la ayuda pasiva de la rotación de un planeta secundario. En la mayoría de los casos, supone para el vehículo complejas maniobras y tiempos de vuelo bastante largos, como ocurre con la misión Juno de la NASA lanzada en agosto de 2011 que pretende alcanzar Júpiter en Julio de 2016 por medio de una asistencia gravitatoria terrestre ya realizada en octubre de 2013.

Para reducir el tiempo de vuelo se han planteado sistemas alternativos de propulsión pasivos:

amarras electrodinámicas, veleros solares y veleros electro-solares. Una amarra electrodinámica sin recubrimiento aislante es un cable conductor polarizado a un alto potencial que recolecta partículas del plasma ambiente a lo largo de su longitud y las eyecta

en un extremo por medio de un cátodo, generando una corriente y, a su vez, una fuerza de Lorentz que permite la realización de diferentes maniobras orbitales. Los veleros solares, en cambio, funcionan por medio de la presión de radiación solar que ejerce el viento solar sobre unas ligeras velas de poliamida. Por otro lado, los veleros electro-solares son redes de amarras electrostáticas, polarizadas positivamente con ayuda de una fuente de alimentación. La red de amarras generan una superficie virtual de potencial positivo que modifica las trayectorias seguidas por los iones que provienen del viento solar, generando un empuje dependiente de la presión dinámica de dicho viento y el tamaño de la vaina electrostática generada por cada uno de los cables conductores. En cuanto a los sistemas de propulsión activos, cabe mencionar aquellos que generan empuje a través de la expulsión de gases como un cohete químico o, de aquellos que eyectan un flujo de iones como los propulsores eléctricos. También se ha estudiado la posibilidad de incluir reactores nucleares de fisión junto con propulsores eléctricos para producir empuje, como la finalmente cancelada misión JIMO de la NASA que pretendía realizar un viaje de exploración por las lunas Galileanas de Júpiter.

En la actualidad, los veleros electro-solares (patente US 7641151B2) se han planteado como prometedores sistemas de propulsión para alcanzar planetas exteriores. La fuerza que producen varía aproximadamente como el inverso de la distancia, mientras que para un velero solar lo hace como el inverso de la distancia al cuadrado. Sin embargo plantean grandes inconvenientes como el del gran tamaño que deben poseer los cables (más de 10 kilómetros) y la gran cantidad de cables que son necesarios. La gran variabilidad de las condiciones del viento solar a lo largo de la trayectoria seguida por dicho velero, hasta alcanzar el planeta elegido, conduce a que la fuerza aplicada en él no sea constante. Otro problema añadido es que los veleros electro-solares solo funcionan correctamente en presencia del viento solar; dentro de la magnetosfera de un planeta hay ausencia del viento solar, de manera que dentro de esta región el velero debería disponer de un propulsor secundario que le permitiera seguir la trayectoria adecuada para ejecutar correctamente la maniobra de acercamiento al planeta. Como se puede observar en la siguiente referencia: Antonio Sanchez-Torres, Propulsive force in an electric solar sail, Contributions to Plasma Physics, vol. 54, 3, pp. 314-319, 2014, la fuerza que pueden conseguir los veleros electro-solares a 1 Unidad Astronómica (distancia que hay desde el Sol a la Tierra) es del orden de 1 N si se utilizan 100 cables a alta

polarización positiva, -con un potencial por encima de 30 kV-, con una longitud de cada uno de ellos de 20 kilómetros y sin interferencias entre ellos.

Para la familia de propulsores eléctricos (efecto Hall, iónico como el modelo NSTAR

desarrollado por la NASA, etc...) el empuje puede variar entre un modelo y otro, pero no suelen ser capaces de desarrollar empujes por encima de 100 mN durante un tiempo largo de funcionamiento. En este punto, es importante considerar tanto el tipo de ión que es utilizado como la velocidad a la que se eyecta el flujo de iones desde el propulsor, la cual se mide generalmente en función del impulso específico. Para los propulsores de efecto Hall se suele considerar xenón con un impulso específico de unos 3000 s, -lo que equivale a una velocidad de eyección de 30 km/s-. Algunos de los problemas que plantea el uso de propulsores eléctricos para realizar misiones a planetas exteriores son el gasto másico de los iones eyectados y la elevada potencia que necesitan para generar un empuje alto, y, que para tiempos de misión relativamente largos son inasumibles.

La presente invención considera la utilización en conjunto de una red de cables polarizados positivamente y un tipo de propulsor eléctrico. Se puede utilizar cualquier propulsor iónico o de efecto Hall que actualmente se encuentran en el mercado. Mejores resultados se pueden esperar si el potencial al que se mantienen los cables es muy elevado para soportar la presión dinámica, y aumentar el flujo de iones eyectados por el propulsor eléctrico.

Breve descripción de la invención La presente invención se refiere a un sistema de propulsión electrostático caracterizado por:

- una red de cables conductores polarizados positivamente por medio de una fuente de alimentación de alto voltaje.

- un propulsor eléctrico que eyecta un flujo dirigido de iones hacia la red de cables conductores.

- varios elementos de sujeción entre la red de cables y el propulsor eléctrico.

- un cátodo para mantener los cables polarizados positivamente, expulsando los electrones recolectados por la red de cables.

- un elemento anular no conductor que sujeta a la red de cables conductores.

- un elemento cilíndrico con forma de tapa donde se apoya el propulsor eléctrico.

- una estructura no conductora que se acopla al elemento anular no conductor para evitar que los electrones eyectados por el cátodo vuelvan a ser recogidos por la red de cables conductores.

El sistema propuesto es adecuado para realizar misiones interplanetarias, especialmente para alcanzar cuerpos celestes suficientemente alejados de la Tierra. Debido al alto empuje que puede suministrar al vehículo espacial (bastante mayor que el de un propulsor eléctrico) , este sistema permitiría aumentar la masa de la carga de pago a bordo del vehículo y reducir el tiempo de trasferencia orbital. Además, el tamaño del sistema puede ser relativamente pequeño en comparación con el de los veleros solares y electro-solares.

Muchos de los sistemas del estado de la técnica mencionados anteriormente permitirían la realización de misiones interplanetarias, pero o bien por el tamaño, o por la masa del sistema, sería bastante complejo que alcanzaran objetos celestes demasiado alejados de la Tierra en tiempos relativamente pequeños.

La finalidad básica de la presente invención es resolver el problema fundamental de la propulsión en vehículos espaciales para misiones interplanetarias, permitiendo generar un empuje continuo más elevado que el experimentado por los propulsores eléctricos actuales,

veleros solares y veleros electro-solares.

En la presente invención se propone transmitir un empuje por medio de un intercambio de momento del flujo de los iones que, eyectados por el propulsor iónico, son repelidos por la superficie virtual del potencial generado por la red de cables conductores. En el estado actual de la técnica es posible acelerar iones generados por sistemas de propulsión eléctrica, hasta alcanzar velocidades de eyección, vE, superiores a 30 km/s. Estos sistemas de propulsión nunca se han aplicado para producir un empuje sobre un sistema electrostático que desvíe iones y transfieran su momento.

El empuje generado por el propulsor se puede escribir de la forma siguiente:

Fp ≈ 2ηP (A)

v

E

donde P es la potencia eléctrica dedicada al sistema de propulsión, y η es el rendimiento del propulsor,...

1. Sistema de propulsión espacial por medio de la modificación electrostática de un flujo de iones dirigido desde un propulsor eléctrico (2) hacia una red de cables altamente polarizados 5 (1) , caracterizado porque comprende:

- un medio de propulsión (2) con eyección de un flujo de iones dirigido hacia una red de cables positivamente polarizados (1) ;

- un cátodo (3) que eyecta electrones al exterior para mantener la red de cables positivamente 10 polarizados;

- un módulo de control de misión (9) configurado para activar el generador de potencia eléctrica (8) y regular la potencia eléctrica que se suministra a la red de cables (1) , al medio de propulsión (2) y al cátodo (3) ;

- una estructura cilíndrica (10) cerrada en un extremo donde se apoya el medio de propulsión 15 (2) ;

- una estructura anular no conductora (4) donde se sujeta la red de cables conductores (1) ;

- unos elementos laterales no conductores (5) que unen la estructura anular (4) con la estructura cilíndrica abierta (10) ;

- una tapa aislante (6) con abertura para el cátodo (3) que encierra a la red de cables 20 conductores (1) , y se acopla a la estructura anular (4) .

2. Sistema según reivindicación 1, caracterizado porque el sistema formado por el medio de propulsión (2) es redundante.

3. Sistema según reivindicación 1, ó 2 caracterizado porque el sistema formado por el módulo de control de misión (9) pueda utilizar el acelerómetro (7) como elemento de medida para suministrar potencia eléctrica desde el sistema de potencia (8) .

4. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el medio de propulsión (2) eyecta un flujo de iones de argón.

5. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el medio de propulsión (2) eyecta un flujo de iones de mercurio.

6. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el medio de propulsión (2) eyecta un flujo de iones de xenón.

7. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el 15 medio de propulsión (2) eyecta un flujo de iones de kriptón.

8. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el medio de propulsión (2) eyecta un flujo de iones de neón.

9. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cátodo (3) eyecta electrones al exterior por medio de un contactor de plasma.

10. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cátodo (3) eyecta electrones al exterior por medio de un sistema de emisión termiónica.

11. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cátodo (3) eyecta electrones al exterior por medio de un sistema de redes de emisión por efecto de campo.

FIG. 1

FIG. 3