Titlu Proiect: Sistem de propulsie termo-solar avansat alimentat cu energie solară pentru mărirea duratei de operabilitate a sateliţilor pe orbită
Acronim: STRAuSS
Contract nr.: 130 din 20.07.2017
Autoritatea Contractantă: Agenţia Spaţiala Română - ROSA
Consorţiu: CO: Institutul Naţional de Cercetare - Dezvoltare Turbomotoare COMOTI, www.comoti.ro
P1: ICPE SA, www.icpe.ro
P2: Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, www.upb-ccas.ro
Durată Proiect: 29 luni 20.07.2017 - 20.12.2019
Buget Proiect: Finanţare Cofinanţare Total
2.469.250 lei 111.000 lei 2.580.250. lei
Director Proiect: Dr. Ing. Valentin SILIVESTRU
valentin.silivestru@comoti.ro
Responsabil Proiect COMOTI: Ing. Traian TIPA
traian.tipa@comoti.ro



Rezumatul proiectului

     În prezent, o problemă foarte importantă cu privire la Spaţiul Cosmic, o reprezintă durata scurtă de viaţă a sateliţilor datorită cantităţii limitate de propelant care poate fi transportată la bordul satelitului. Practic, sateliţii care orbitează pe Orbita Joasă a Pământului au o durată de viaţă de aproximativ 5 ani după care aceştia devin inactivi, transformându-se în deşeuri spaţiale. Se caută soluţii la nivel mondial pentru îndepărtarea acestora din Spaţiul Cosmic. Ideea proiectului reprezintă o alternativă pentru soluţiile de îndepărtare a deşeurilor spaţiale. Practic, dacă încă nu se pot îndepărta sau distruge aceste deşeuri spaţiale, atunci trebuie încetinită înmulţirea acestora şi cum altfel ar putea avea loc această încetinere decât prin creşterea duratei de operabilitate a sateliţilor.
     Principiul teoretic pe care s-a bazat proiectul a fost marcat de utilizarea energiei provenite de la Soare, pentru a crea un Sistem de propulsie inovativ, capabil să mărească durata de operabilitate a sateliţilor pe Orbita Joasă a Pământului. Sistemul de propulsie dezvoltat în proiect are la bază Propulsia cu gaz rece la care s-a abordat ideea de a încălzi o parte din propelantul folosit în propulsie, utilizându-se energia de la Soare, prin intermediul unui concentrator (oglindă parabolică). Rezultatul previzibil obţinut la final de proiect, confirmă principiul teoretic pe care s-a bazat Sistemul de Propulsie, obiţinându-se o creştere a duratei de "viaţă" a sateliţilor în jur de 2.7 ori.

Obiective generale/specifice proiect

     Obiectivul principal al proiectului a fost cercetarea, proiectarea, fabricarea şi testarea unui sistem inovativ de propulsie termică solară în vederea creşterii duratei de funcţionare a sateliţilor pe Orbita Joasă a Pământului.
Obiectivele secundare ale proiectului sunt:
O-1   Cercetarea, proiectarea şi testarea la scară de laborator a unui "echipament special pentru focalizarea radiaţiei solare (SEFSR)". SEFSR este un concept original creat şi brevetat de către COMOTI în 2015 având rolul de a creşte energia propulsorului în rezervorul principal.
O-2   Cercetarea, dezvoltarea, fabricarea şi testarea unei micro-supape solenoidale avansate cu un consum redus de energie şi o greutate redusă. Consumul electric al micro-valvei va fi redus cu 15% şi o greutate cu 10% mai mică decât al micro-valvelor similare.
O-3   Optimizarea geometriei ajutajelor LAVAL în vederea obţinerii unei supra-expandări minime şi a unei greutăţi minime.





Soluţia elaborată în proiect

      Soluţia sistemului de propulsie propusă în proiect, a avut la bază propulsia cu gaz rece (fig. 1), deosebindu-se prin faptul că propelantul este încălzit înainte de fiecare expansiune în ajutaj (fig.2), scăzând astfel consumul de propelant pentru fiecare corecţie de traiectorie ?i poziţie pe care satelitul este nevoit să o execute.

Fig. 1 Propulsie cu gaz rece                   Fig.2 Schemă sistem propulsie termo-solar

      Cu alte cuvinte, folosind energia provenită de la soare pentru a încălzi rezervorul cu propelant al sistemului de propulsie, se va obţine o cre?tere a numărului de jeturi utilizate pentru corecţia poziţiei satelitului. S-a obtinut experimental o crestere a impulsului total la cald de 2.7 ori (comparativ cu impulsul total obtinut in cazul fluidului neincalzit). De asemenea, daca la propulsia cu gaz rece s-au obtinut Z jeturi, pentru un anumit timp de deschidere a supapei, in cazul sistemului solar de propulsie s-au obţinut semnificativ mai multe pufuri pentru aceeasi cantitate de propelant.
Instalaţia experimentală a sistemului de propulsie propusă în proiect a fost foarte simplă în esenţă.

Fig. 3 Stand probe instalaţie experimentală proiect Strauss

      Printre componentele principale ale instalatiei se numara si o oglindă parabolică care preia energia provenită de la soare, energie simulată cu ajutorul unor lămpi cu infraroşu a caror radiatie corespunde cu radiatia solara pe orbita joasa. În focarul oglinzii exista un rezervor tampon de propelant ce era încălzit la parametri ridicaţi. Pentru a se putea măsura forţa de propulsie care s-ar obţine în urma expansiunii unui jet într-un ajutaj Laval, instalaţia experimentală a fost montată pe o balanţă, la un capăt se afla instalaţia sistemului de propulsie , iar în celalat capăt, contragreutăţile aferente pentru a putea menţine instalaţia în echilibru. Instalaţia totodată conţine echipamente electrice/senzori pentru a putea măsura diferiţi parametri (temperaturi, presiuni) în timpul experimentelor, inclusiv un piranometru pentru a măsura exact radiaţia luminoasă.

Fig. 4 Instalaţia experimentală pe standul de probe

      Principiul de funcţionare al sistemului experimental a decurs astfel: Azotul din butelia (6), aflat la presiunea p=200 bar, este adus la p=20 bar cu ajutorul reductorului de presiune (9), după care pătrunde în supapa de suprapresiune (8), supapa stop electromagnetică (7) şi în rezervorul de serviciu (4). Lumina infraroşie provenită de la instalaţia de iluminare (1) este reflectată de oglinda parabolică (5), razele reflectate fiind concentrate pe rezervorul de serviciu (4), acesta poziţionându-se în axa focară a oglinzii. Azotul din interiorul rezervorului de serviciu (4) îşi modifică temperatura şi implicit presiunea. În experiment, azotul din rezervorul de serviciu a fost încălzit până la T=125°C (fiind limitaţi de rezistenţa unor echipamente la temperaturi ridicate) şi presiunea aferentă acestei temperaturi. S-a măsurat astfel performanţa ajutajului Laval (2), prin forţa de apăsare pe traductor obţinută în momentul evacuării unei cantităţi de azot din rezervorul de serviciu (4) controlat cu ajutorul unei supape electromagnetică (3). Forţa de propulsie a fost măsurată cu ajutorul unui traductor de forţă (10), întreaga instalaţie experimentală constituind o balanţă mecanică (11). Intensitatea radiaţiei luminoase provenite de la sursa de energie (1) a fost măsurată prin intermediul piranometrului (12) având valoarea de 1360 [W/m2], care reprezintă valoarea radiaţiei intensităţii luminoase la limita atmosferei. Dimensiunile frontale ale oglinzii parabolice sunt 900 mm x 415 mm iar rezervorul conţine 0.5 kg de azot având dimensiunile Φ 114 mm x 400 mm.

Teste experimentale

      Determinarea impulsului total corespunzător sistemelor de propulsie asociate vehicolelor spaţiale extra-terestre constitue o activitate crucială în domeniul cercetării sateliţilor. Tehnologia de încercare aferentă instalatiei de laborator testare sistem de propulsie - StrauSS, s-a conceput astfel încât să fie în concordanţă cu generaţia de ultimă oră a sistemelor integrate în instalaţia de testare, îndeosebi prin smart devices-urile de automatizare utilizate în realizarea unei instalaţii de laborator. Testarea şi demonstrarea principiului Sistemului de Propulsie Termosolar studiat în cadrul proiectului, s-a desfăşurat în mai multe etape logice pentru a se putea obţine în final un rezultat concludent. În primă fază s-au desfăşurat teste utilizându-se gazul rece, iar ulterior s-a încălzit acesta pentru a se putea face o comparaţie.

Fig. 5 Experimentări proiect Strauss

      S-a încercat compararea impulsurilor la rece cu cele obţinute în urma încălzirii rezervorului tampon de la 22 la 60-100-125 °C. Limitarea superioară a temperaturii provine din sensibilitatea materialului din care este realizată supapa electromagnetică (plastic) la temperaturi care se apropie de 100 °C. Reprezentarea impulsului la rece în paralel cu cel la cald, pentru un timp de deschidere al supapei de 0.1ms, se reprezintă în figura 6.

Fig. 6 Comparaţia între impulsul la rece ( T0=26°C) şi impulsul la cald (Tf=80°C)

      S-a urmărit impulsul total realizat la diferite temperaturi iniţiale ale rezervorului tampon, la un timp de deschidere de 0.4s, timpul determinat ca fiind optim, până la scăderea cu 50 bar a presiunii totale din rezervorul principal (corespunzător unei mase de 114 g azot). Integrând forţa în raport cu timpul, în intervalul necesar utilizării celor 50 bari, se obţine un impuls total conform tabelului 1.
Tabel 1 Valoarea impulsului total la dt=0.4s şi diferite temperaturi ale rezervorului tampon

Temperatura [°C] Impulsul total [Ns] Impulsul raportat [Ns/bar]
22 63.559 1.27118
60 60 1.4074
100 83.643 1.67286
125 89.105 1.7821


Fig. 7 Impulsul obţinut experimental folosind 50 bar de azot (extrapolare de la 125 la 450 °C)


Concluzii

1. Proiectul a avut drept scop principal dezvoltarea unei Sistem de propulsie Inovativ, bazat pe energia provenită de la Soare, destinat sateliţilor. Printre principalele rezultate se pot remarca: studii teoretice privind realizarea unui Echipament special de conectare a radiaţiei solare; Analize teoretice şi simulări ale diverselor tipuri de ajutaje şi în final alegerea pentru fabricaţie a tipului de ajutaj optim; Dezvoltarea unui stand experimental de testare; Integrarea tuturor semnalelor într-un sistem de achiziţie de date; Integrarea componentelor demonstratorului şi realizarea testelor experimentale.
2. Pornind de la un concept teoretic foarte bine definit (Brevet de invenţie), acesta s-a concretizat într-o formă fizică, după care s-au realizat o serie de teste experimentale, care au demonstrat principiul teoretic, confirmând faptul că Sistemul de Propulsie TermoSolar Avansat dezvoltat în proiect, oferă o creştere a duratei de operabilitate a sateliţilor pe Orbita Joasă a Pământului.
3. Un program dedicat de testare a fost creat pentru a evidenţia funcţionalitatea prototipului sistemului de propulsie în condiţii relevante de laborator. Condiţiile de testare fiind diferite de cele reale de funcţionare, iar parametrii de funcţionare nefiind atinşi, s-au extrapolat rezultatele experimentale de laborator, ajungând la o creştere a duratei de viaţă de 2.7 ori.
4. În cadrul proiectului au fost publicate până acum un număr de 6 articole, care includ considerente teoretice legate de diverse componete ale Sistemul de Propulsie, şi anume Ajutaj Laval, Concentrator Parabolic, Sistemul de comandă şi control, cât şi un articol ce cuprinde partea de rezultate experimentale.