ESA : Electrifying spacecraft propulsion .- Electrificación de la propulsión de la nave espacial.............

http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/Talking_technology/Electrifying_spacecraft_propulsión

Neil Wallace

A vuelo

Electrifying spacecraft propulsion

Neil Wallace, electric propulsion engineer

Electric propulsion has been around for a long time –1920s rocket pioneer Robert Goddard wrote about it. Perhaps it was an idea ahead of its time, because when I got into the space industry the thinking was that chemical thrusters were good enough, certainly for telecom missions. The platforms were small, working lifetimes were limited, power availability was constrained – and electronics didn’t last that long then either. All that started to change around the turn of the century, with a creeping up of mass, lifetime and power that made the various electric propulsion technologies more attractive.

From Ariane 5 rockets to small onboard thrusters, standard chemical thrusters work in the same way, squirting together chemicals that react in the form of heat, sending out exhaust to trigger an acceleration. These face a fundamental upper limit on performance however, set by the amount of energy in the chemical reaction that heats the ejected propellant, producing the thrust.

Electric propulsion pumps extra energy into the thrust reaction to reach much higher propellant velocities – up to an order of magnitude or so more – because their propellant is accelerated using electrical energy generated by the spacecraft solar arrays.

There are a wide range of different engine designs, starting with resistojets that simply use a heater on exhaust gases, to arcjets that pass a current through them, to Hall effect thrusters – a Russian speciality which has found commercial success – based on ionising propellant and then the highest-efficiency gridded ion thruster I’ve done a lot of work with, and has been applied to ESA’s GOCE and now BepiColombo missions.  

 

Access the video

 

Gridded ion thrsters reach very high exhaust speeds – typically an order of magnitude greater than chemical thrusters – because ionised propellant is accelerated through a set of high-voltage grids using electrical energy, freely available from solar arrays.

Much less propellant is required, although the down side is that thrust levels are much lower and therefore the initial spacecraft acceleration is also low, around the the weight of a Euro coin to start off with – meaning the thrusters have to keep firing for long periods to be effective. However, in space there is nothing to slow a spacecraft down, so the craft’s velocity ends up increasing dramatically. Assuming the same propellant mass, our T6 thrusters can accelerate BepiColombo to a speed 15 times greater than an equivalent chemical thruster.

The difficulty has been developing them, of course. There’s a physics side to understand and then an engineering side as well, to optimise the materials, achieve stable gas discharges and so on. What was originally the UK’s Farnborough Royal Aircraft Establishment, now the QinetiQ company has been researching electric propulsion since the early 1960s. These high-temperature thrusters require utmost reliability through thousands of on/off cycles, amounting to tens of thousands of hours of testing. 

What's needed next is a shift in scale - it took four years to build these four Bepi Colombo flight models, the real challenge would be to speed up production

The initial result was the 10-cm diameter T5 thruster, which became a key enabling technology for ESA’s gravity-mapping GOCE mission. Because GOCE stayed in the lowest possible orbit for maximum gravitational sensitivity, it needed a continuously throttling thruster to overcome constantly-varying drag from the thin vestiges of atmosphere. GOCE’s drag compensation system operated continuously throughout its four-year lifetime, responding in tenths of a second – the mission only ending when its xenon fuel finally ran out. Then came the scaled-up 22-cm T6, four of which will propel BepiColombo into Mercury orbit after its 2018 launch. The mission would not be realisable in its current form without them.

What’s needed next is a shift in scale. It took four years to build these four BepiColombo flight models, the real challenge would be to speed up production so the technology could be routinely available for missions – including large scale mega-constellations to come. 

ESA

Guillermo Gonzalo Sánchez Achutegui

ayabaca@gmail.com

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The Earth: Gravity satellite to benefit future missions

Hi My Friends: A VUELO DE UN QUINDE EL BLOG., ESA’s GOCE satellite is not only mapping Earth’s gravity with unrivalled precision, but is also revealing new insight into air density and wind in space. This additional information is expected to improve the design and operation of future Earth observation missions.

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 MOV (Size: 571 kb)

 The need for GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) to fly in a low orbit means it has to be equipped with a system to compensate for the atmospheric drag it will experience at this exceptionally low altitude. The animation shows a close-up of the ion-propulsion assembly, which keeps the satellite in a smooth trajectory – free from all effects except the gravity field itself. Two winglets provide additional aerodynamic stability. 

Credits: ESA/AOES Medialab

ESA’s GOCE satellite is not only mapping Earth’s gravity with unrivalled precision, but is also revealing new insight into air density and wind in space. This additional information is expected to improve the design and operation of future Earth observation missions.

Most satellites orbit Earth higher than 400 km. Lower than that and atmospheric drag causes them to slow down quickly and reenter the atmosphere prematurely.

This posed a problem for the designers of the GOCE mission. They needed to fly the satellite much closer to Earth, at around 270 km, so that the gradiometer instrument could measure tiny variations in the gravity field with high precision.

The solution was to equip the satellite with an electric ion engine. This novel system continuously generates tiny thrusts to compensate for the drag GOCE experiences as it orbits through the remnants of

 Air density from ESA’s GOCE gravity mission (right) compared to model predictions. The GOCE data show more detail and precision in fluctuations in the density of the air at 270 km above Earth than the NRLMSISE-00 model. 

Credits: TU Delft

 The design has proven to work extremely well and this extraordinary satellite has been making measurements for more than three years.

What was considered a complication at the design stage of the mission has now become an opportunity for further scientific investigation.

A team led by Delft University of Technology in the Netherlands is combining GOCE accelerometer measurements with data on the activation of the ion thrusters.

The aim of the study, which is being carried out within ESA’s Earth Observation Support to Science Element, has little to do with mapping the gravity field. Instead, the data are used to learn more about air densities and wind speeds that the satellite encounters along its orbital path.

 Download:
 HI-RES PNG (Size: 189 kb) 
Crosswinds in space from ESA’s GOCE gravity mission (right) compared to model predictions. The GOCE data show more detail and precision in fluctuations of the winds than the HWM07 model. 
Credits: TU Delft

The first results of this investigation show fine details of space weather at this altitude, confirming the usefulness of the GOCE instruments for this additional application.

The information has many practical uses relating to estimating how long a satellite will function in space, establishing propellant budgets, optimising mission orbits, planning reentry operations and avoiding collisions with space debris.

The density and wind data will soon be ready for further analysis by experts in upper atmospheric and space physics.

The GOCE density measurements are lower than those predicted by models. This is in line with the results of other recent investigations, which suggest that the upper atmosphere has been cooling and contracting over the last decades.

Download:

 HI-RES JPEG (Size: 6044 kb)

ESA's GOCE mission has delivered the most accurate model of the 'geoid' ever produced, which will be used to further our understanding of how Earth works. The colours in the image represent deviations in height (–100 m to +100 m) from an ideal geoid. The blue colours represent low values and the reds/yellows represent high values. A precise model of Earth's geoid is crucial for deriving accurate measurements of ocean circulation, sea-level change and terrestrial ice dynamics. The geoid is also used as a reference surface from which to map the topographical features on the planet. In addition, a better understanding of variations in the gravity field will lead to a deeper understanding of Earth's interior, such as the physics and dynamics associated with volcanic activity and earthquakes.  Credits: ESA/HPF/DLR There was an additional drop in temperature and density around the time GOCE was launched. The causes of these drops are only partly understood. However, GOCE has benefited from the current environment, using far less propellant than predicted. These measurements will continue to be used to improve our knowledge of the gravity field as well as the upper atmosphere.  ESA		.
Guillermo Gonzalo Sánchez Achutegui

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Astronomía: Mapping the Moho with GOCE

Hi My Friends: A VUELO DE UN QUINDE EL BLOG., The first global high-resolution map of the boundary between Earth’s crust and mantle – the Moho – has been produced based on data from ESA’s GOCE gravity satellite. Understanding the Moho will offer new clues into the dynamics of Earth’s interior.

This map shows the global Mohorovičić discontinuity – known as Moho – based on data from the GOCE satellite. Moho is the boundary between the crust and the mantle, ranging from about 70 km in depth in mountainous areas, like the Himalayas, to 10 km beneath the ocean floor. Credits: GEMMA project.

The first global high-resolution map of the boundary between Earth’s crust and mantle – the Moho – has been produced based on data from ESA’s GOCE gravity satellite. Understanding the Moho will offer new clues into the dynamics of Earth’s interior. Earth’s crust is the outermost solid shell of our planet. Even though it makes up less than 1% of the volume of the planet, the crust is exceptionally important not just because we live on it, but because is the place where all our geological resources like natural gas, oil and minerals come from.
The crust and upper mantle is also the place where most geological processes of great importance occur, such as earthquakes, volcanism and orogeny.

Comparison between an old global Moho model (left) based on seismic/gravity data and Moho-mapping based on GOCE data (right) in South America.

Credits: GEMMA project .

Until just a century ago, we didn’t know Earth has a crust. In 1909, Croatian seismologist Andrija Mohorovičić found that at about 50 km underground there is a sudden change in seismic speed.
Ever since, that boundary between Earth’s crust and underlying mantle has been known as the Mohorovičić discontinuity, or Moho.
Even today, almost all we know about Earth’s deep layers comes from two methods: seismic and gravimetric.
Seismic methods are based on observing changes in the propagation velocity of seismic waves between the crust and mantle.
Gravimetry looks at the gravitational effect due to the density difference caused by the changing composition of crust and mantle.
But the Moho models based on seismic or gravity data are usually limited by poor data coverage or data being only available along single profiles. While the figure on the left shows Moho depth beneath the Italian peninsula derived from GOCE data, the figure on the right depicts ground gravity reduced by the effect of Moho. The effect of sediments in the Po Valley (northern Italy) is visible, as well the boundary of the main tectonic plates (in white).

Credits: R. Barzaghi, A. Borghi, M. Reguzzoni, D. Sampietro. Presented at AGU autumn meeting 2011

The GOCE Exploitation for Moho Modelling and Applications project – or GEMMA – has now generated the first global high-resolution map of the boundary between Earth’s crust and mantle based on data from the GOCE satellite.
GOCE measures the gravity field and models the geoid with unprecedented accuracy to advance our knowledge of ocean circulation, which plays a crucial role in energy exchanges around the globe, sea-level change and Earth interior processes.
GEMMA’s Moho map is based on the inversion of homogenous well-distributed gravimetric data.
For the first time, it is possible to estimate the Moho depth worldwide with unprecedented resolution, as well as in areas where ground data are not available. This will offer new clues for understanding the dynamics of Earth’s interior, unmasking the gravitational signal produced by unknown and irregular subsurface density distribution.

The GOCE Exploitation for Moho Modeling and Applications – or GEMMA project – is funded by the Italian university Politecnico di Milano and Support To Science Element, a programmatic component of ESA’s Earth Observation Programme. Credits: GEMMA project
GEMMA is being carried out by Italian scientist Daniele Sampietro, and is funded by the Politecnico di Milano and ESA’s Support To Science Element under the Changing Earth Science Network initiative.
This initiative supports young scientists at post-doctoral level in ESA Member States to advance our knowledge in Earth system science by exploiting the observational capacity of ESA missions.
ESA.
Guillermo Gonzaoo Sánchez Achutegui
ayabaca@gmail.com
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MEDIO AMBIENTE: EL TERREMOTO DE JAPÓN HA MODIFICADO LA FORMA DEL OCÉANO POR SU INTENSIDAD DE 9.0 EN ESCALA DE RICHTER

Hola amigos: A VUELO DE UN QUINDE EL BLOG., como es de conocimiento mundial el terrible terremoto que afectó al Japón el pasado 11 de marzo de 2011, tuvo una intensidad de 9.0 grados en la Escala Sismológica de Richter y se añadió un desastroso tsunami que afecto a pueblos ribereños enteros. Según los científicos aprovechando los resultados de observación del Satélite Europeo GOCE se ha modificado la forma de los océanos por la internsidad sísmica., y ha influido en forma del "Geoide"Aquí en la imagen observamos el famoso "Geoide" que es la forma gravitacional de La Tierra, captada por GOCE. Fuente: Efe.

Fráncfort (Alemania), 1 abr (EFE).- El terremoto de 9 grados en la escala de Richter que sacudió Japón el pasado 11 de marzo habrá modificado la forma de los océanos debido a su fuerte intensidad.

Así lo dijeron expertos en observación de la Tierra reunidos en la Universidad Politécnica de Múnich (sur de Alemania) para presentar los primeros resultados del satélite europeo GOCE (acrónimo en inglés de Explorador de la Circulación Oceánica y de la Gravedad).

Roland Pail, experto de la Universidad Politécnica de Múnich, dio por seguro que el terremoto de Japón ha influido en la forma del geoide, ya que fue "un movimiento masivo".

Pail explicó que por suerte el satélite GOCE pasó por la zona del terremoto un día después de la catástrofe, por lo que los datos y las imágenes recopiladas mostrarán con seguridad una modificación con respecto a la información anterior.

El geoide, que es la forma que tendría un océano imaginario que cubriese todo el planeta sin tener en cuenta corrientes o mareas, es una superficie de referencia fundamental para medir con precisión la circulación oceánica, los cambios del nivel del mar o la dinámica del hielo.

Estos tres fenómenos están afectados por el cambio climático, al que se pueden aplicar los resultados obtenidos por el satélite.

Satélite GOCE
GOCE, que fue lanzado el 17 de marzo de 2009 desde el cosmódromo ruso de Plesetk y es el primero de una serie de satélites de exploración de la Tierra, ha completado su misión de cartografiar el campo gravitatorio del planeta con una precisión sin precedentes.

La nueva generación de receptores del sistema global de navegación por satélite GPS utilizarán los datos de GOCE, así como los nuevos modelos para determinar la altitud, por ejemplo, dijo el director de los programas de observación de la Tierra de la ESA, Volker Liebig.

Además, los resultados de GOCE permitirán entender mejor la importancia climática del océano.

Los científicos han descubierto también con el satélite GOCE que las corrientes del Atlántico Norte tienen una importancia crucial en regular el clima de la Tierra y que las corrientes de la superficie de los océanos pueden dispersar la polución a grandes distancias.

El satélite de la Agencia Espacial Europea (ESA) ha tomado en dos años todas las medidas necesarias para trazar la superficie del geoide de referencia de la Tierra.

El pasado 2 de marzo GOCE completó doce meses de estudio del campo gravitatorio de la Tierra.

La ESA decidió en noviembre del pasado año prolongar la misión hasta finales de 2012 debido a la buen estado de salud del satélite y la calidad de sus datos. EFE

Guillermo Gonzalo Sánchez Achutegui

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ASTRONOMÍA: LA TIERRA TIENE FORMA DE UN MODELO DE GEOIDE QUE VIENE A SER EL CAMPO GRAVITACIONAL TERRESTRE

Hola amigos: A VUELO DE UN QUINDE EL BLOG., me encuentro algo asombrado y tal vez hasta nostálgico por que nuestra querida La Tierra, tal como la habíamos conocido como una forma esférica y algo achatada en los polos; incluso la Nave Apolo la fotografió desde La Luna y siempre fue una esfera maravillosamente bella de color azul. Sin embargo , ahora tenemos que cambiar nuestros conceptos dada la noticia de la Agencia Espacial Europea-ESA-, por medio de su Satélite GOCE (Explorador de la Circulación Oceánica y de Gravedad) en donde se presenta a La Tierra como nueva forma llamada: GEOIDE, es sorprendentemente diferente más se parece a "....una ..papa.... un tubérculo de la serranía peruana....". Pero no se alarme esto viene a ser el: CAMPO GRAVITACIONAL TERRESTRE. Para información hemos tomado toda la literatura de la Agencia Espacial Europea - ESA - que la leeremos a continuación.Aquí en la imagen observamos que: La Tierra como su nueva forma como un Geoide, que a ser el : CAMPO GRAVITACIONAL TERRESTRE según lo enfocó GOCE. Fuente: ESA.

En apenas dos años, el satélite GOCE de la ESA ha registrado todos los datos necesarios para cartografiar el campo gravitatorio de la Tierra con una precisión sin precedentes. Desde hoy, la comunidad científica tiene acceso al modelo más preciso del geoide jamás visto, que ayudará a comprender mejor cómo funciona nuestro planeta. El nuevo modelo del geoide fue presentado esta mañana en el 4° Taller Internacional de Usuarios de GOCE, celebrado en la Universidad Politécnica de Múnich, Alemania. Científicos de todo el mundo y medios de comunicación se complacieron al contemplar el mejor modelo disponible hasta la fecha del campo gravitatorio de nuestro planeta.

El geoide es la superficie imaginaria que tendría un océano que cubriese todo el planeta, en ausencia de corrientes o mareas, definida tan sólo por el campo gravitatorio. Es una referencia fundamental para estudiar la circulación oceánica, los cambios del nivel del mar y la dinámica del hielo polar – tres fenómenos afectados por el cambio climático. El profesor Reiner Rummel, antiguo Director del Instituto de Geodesia Astronómica y Física de la Universidad Politécnica de Múnich comenta que “disponemos de un flujo continuo de datos de excelente calidad, generados por el gradiómetro a bordo de GOCE. Al final de cada ciclo de dos meses, disponemos de un modelo del campo gravitatorio de mayor calidad”.

Aquí en la imagen observamos a : GOCE (Explorador de la Circulación Oceánica y de Gravedad), tal como era antes de su lanzamiento al espacio. Fuente: ESA.

GOCE una nave de la ESA, de una tonelada de peso, lleva a bordo seis acelerómetros de última generación y alta sensibilidad para medir los componentes del campo gravitatorio en los tres ejes espaciales. Los datos recogidos proporcionarán un mapa de alta resolución del geoide –la superficie de referencia del planeta- y de anomalías gravitacionales. Este mapa no sólo contribuirá a mejorar nuestro conocimiento y comprensión de la estructura interna de la Tierra, sino que será usado también como referencia para estudios del clima y oceanográficos, incluyendo cambios del nivel del mar y observación de la circulación oceánica y dinámica de los casquetes polares.

Se espera que los resultados de GOCE tengan muchas aplicaciones en climatología, oceanografía y geofísica, así como para actividades de geodesia y posicionamiento. GOCE es la primera misión Core del programa Earth Explorer iniciado por la ESA en 1999 para fomentar la investigación sobre la atmósfera terrestre, la biosfera, la hidrosfera, la criosfera y el interior del planeta, así como sobre las interacciones entre todos estos sistemas y sobre el impacto de las actividades humanas en estos procesos naturales.

Será la primera de toda una serie de misiones, cinco de las cuales serán lanzadas en los próximos dos años. GOCE es la primera de la serie de misiones Earth Explorer (Explorador de la Tierra) que se desarrollan dentro del programa Living Planet (Planeta Vivo) de la ESA.

Las misiones Explorador de la Tierra conforman el elemento de ciencia e investigación del programa Planeta Vivo y se centran en la atmósfera, la biosfera, la hidrosfera, la criosfera y el interior de la Tierra, con un énfasis general en un mayor conocimiento de la interacción entre esos componentes y el impacto que tiene la actividad humana en los procesos naturales de la Tierra. Aquí en la imagen observamos a: La Circulación Oceánica, justamente uno de los objetivos de GOCE. Fuente: ESA.

“Ahora ha llegado el momento de utilizar los datos de GOCE en investigaciones científicas y en aplicaciones prácticas. Personalmente, estoy ansioso por ver los primeros resultados oceanográficos”. “Estos resultados demostrarán que GOCE es capaz de describir la topografía dinámica de los patrones de circulación oceánica con una resolución y calidad sin precedentes. Estoy convencido de que estos resultados contribuirán significativamente a mejorar nuestro conocimiento de la dinámica de los océanos”. Durante los dos días que durará este taller, la comunidad científica escuchará las últimas novedades sobre la misión y recibirá información detallada sobre los resultados y servicios que ya se encuentran disponibles. English Version: ESA's GOCE mission has delivered the most accurate model of the 'geoid' ever produced, which will be used to further our understanding of how Earth works. A precise model of Earth's geoid is crucial for deriving accurate measurements of ocean circulation, sea-level change and terrestrial ice dynamics. The geoid is also used as a reference surface from which to map the topographical features on the planet. In addition, a better understanding of variations in the gravity field will lead to a deeper understanding of Earth's interior, such as the physics and dynamics associated with volcanic activity and earthquakes. Aquí en la imagen observamos a: GOCE (Explorador de la Circulación Oceánica y de Gravedad) en pleno vuelo hacia su objetivo enfocar La Tierra. Fuente: ESA.

Los asistentes también discutirán cómo el geoide generado por GOCE ayudará a avanzar en los estudios climáticos y oceanográficos, y a comprender mejor la estructura interna de nuestro planeta. Como ejemplo, los datos obtenidos por GOCE están ayudando a desarrollar un modelo mejorado de los procesos que dan lugar a terremotos como el que recientemente devastó el noreste de Japón.

El terremoto del pasado día 11 de marzo fue causado por el movimiento de las placas tectónicas en el fondo del océano, lo que hace imposible observarlas directamente desde el espacio. Sin embargo, los terremotos dejan una huella visible en las mediciones del campo gravitatorio, que pueden ser utilizadas para comprender mejor los procesos que dan lugar a este tipo de catástrofes naturales y quizás algún día ser capaces de predecirlas. El satélite GOCE fue lanzado en marzo de 2009, y ya ha completado su misión original de recoger datos sobre el campo gravitatorio terrestre durante doce meses.

Volker Liebig, Director de los Programas de Observación de la Tierra de la ESA comenta que “hemos tenido la ventaja de aprovechar un periodo de actividad solar excepcionalmente baja, por lo que GOCE ha podido permanecer en una órbita más baja y completar sus observaciones seis semanas antes de lo que estaba inicialmente previsto”.

“Esto también quiere decir que todavía tenemos combustible para continuar midiendo el campo gravitatorio terrestre hasta finales de 2012, lo que supone duplicar la vida de la misión y la oportunidad de elaborar un modelo del geoide de mayor precisión”. GOCE ha marcado muchos hitos en la historia de la observación de la Tierra. Su instrumento principal – un gradiómetro equipado con seis acelerómetros de alta precisión capaces de medir el campo gravitatorio en 3D – es el primero de su clase en salir al espacio.

Su órbita es la más baja jamás utilizada por un satélite de observación, lo que le permite estudiar el campo gravitatorio con mayor precisión. El diseño estilizado de este satélite de una tonelada de masa tampoco tiene precedentes. Por si fuera poco, GOCE utiliza un innovador motor iónico que genera una fuerza ínfima pero continua, capaz de compensar con precisión la resistencia aerodinámica que encuentra el satélite en su órbita extremadamente baja.

Volker Liebig añade que “podríamos decir que, desde las primeras etapas de diseño, GOCE parecía una misión de ciencia ficción. A día de hoy ha demostrado ser la misión más innovadora de la historia de la observación de la Tierra desde el espacio”. Rune Floberghagen, Responsable de la Misión GOCE para la ESA, reconoce que “este es un momento muy importante para la misión. En los próximos meses, a medida que se realicen nuevas observaciones, la comunidad de usuarios podrá utilizar un modelo del geoide todavía más preciso”.

ESA.

Guillermo Gonzalo Sánchez Achutegui

ayabaca@hotmail.com

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