MODELO. Plano de Trabalho. Estudo de Propulsores Iônicos e suas Aplicações para Propulsão de Satélites

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1 MODELO Plano de Trabalho Estudo de Propulsores Iônicos e suas Aplicações para Propulsão de Satélites Cooperação técnico-científica entre o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE - Brasil e a Universidade de Southampton - UOS Inglaterra Proponente: Gilberto Marrega Sandonato Laboratório Associado de Plasma - LAP Maria Virgínia Alves Chefe do LAP Fevereiro de 2006

2 OBJETIVO: O acordo de cooperação científica e tecnológica entre o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais e a Universidade de Southampton Southampton -Inglaterra visa o desenvolvimento de um propulsor iônico que deverá ser submetido a testes de qualificação espacial. O trabalho estará concentrado no aprimoramento da câmara de ionização do propulsor iônico, no estudo e caracterização de catodos ocos, na caracterização do feixe iônico e na elaboração de algoritmos de controle operacional do sistema de propulsão iônica. Para cada tema acima descrito estará envolvida a equipe de pesquisadores e bolsistas do projeto PROPEL do Laboratório Associado de Plasma (LAP) e uma equipe de pesquisadores e alunos do Grupo de Pesquisa de Astronáutica (ARG) da Escola de Ciências em Engenharia da Universidade de Southampton. EQUIPE: A equipe de pesquisadores/tecnologistas (servidores) e bolsistas/estagiários, do INPE, envolvida neste projeto é composta por: Nome Vínculo Dedicação Atividade Gilberto M. Sandonato Servidor Integral Pesquisa experimental José Américo N. Gonçalves Servidor Integral Pesquisa experimental Ricardo T. Irita Servidor Integral Pesquisa experimental Paolo Gessini Pesq.Visit. Integral Pesquisa experimental A equipe de pesquisadores da Universidade de Southampton que inicialmente estará envolvida na cooperação será composta por: Nome Vínculo Dedicação Atividade Stephen B. Gabriel Servidor Parcial Pesquisa experimental John M. Dyke Servidor Parcial Pesquisa experimental Guglielmo Aglietti Servidor Parcial Pesquisa experimental Eric Rogers Servidor Parcial Pesquisa teórica Sandor Veres Servidor Parcial Pesquisa teórica/experimental METODOLOGIA: A metodologia de execução deste programa está divida por componentes do propulsor iônico, conforme o descrito a seguir. Câmara de Ionização: Utilização das facilidades do ARG e do LAP para a realização de estudos e ensaios laboratoriais de vibração da estrutura mecânica da câmara de ionização e sistema de eletrodos extratores de corrente iônica, visando à qualificação espacial destes componentes; Catodos ocos: Utilização de um código numérico (DSMC e PIC), desenvolvido pelo ARG, para melhoria do projeto do catodo oco; 1

3 Utilização da nova técnica de espectroscopia de emissão óptica (OES) não perturbadora, desenvolvida pelo ARG, para medidas de propriedades de plasma e temperatura das paredes no interior do catodo oco e na sua região de descarga de forma a melhorar o desempenho deste componente; Desenvolvimento de projetos com estudantes da Universidade de Southampton para a caracterização de catodos ocos empregando os insertos de baixa função trabalho desenvolvidos pelo LAP INPE visando a otimização da emissão termiônica e geração de descarga destes componentes; Propulsor Iônico: Medidas de empuxo empregando uma balança de empuxo a ser desenvolvida nas dependências do LAP-INPE conjuntamente ao ARG e baseada em um projeto já existente neste grupo. Pretende-se com isto qualificar o propulsor iônico em termos de sua capacidade absoluta de geração de empuxo. O acompanhamento das atividades será feito mediante visitas técnicas à Universidade da Southampton por pesquisadores brasileiros do LAP e de visitas ao INPE por pesquisadores ingleses da Universidade de Southampton. RESPONSABILIDADES: Por parte do INPE: Fornecer infra-estrutura laboratorial e computacional Permitir que os membros da equipe brasileira (membros do projeto PROPEL) participem das atividades programadas no presente acordo Permitir que os membros da equipe inglesa tenham acesso às instalações laboratoriais e computacionais envolvidas no Plano de Trabalho Fornecer materiais necessários à execução de componentes Fornecer infra-estrutura de oficina mecânica e eletrônica Realizar testes de integração dos componentes e de todo o conjunto quando se fizer necessário Promover viagens de intercâmbio e de treinamento científico e tecnológico de membros da equipe do projeto PROPEL para a Universidade de Southampton Inglaterra Por parte da Universidade de Southampton: Fornecer infra-estrutura laboratorial e computacional Fornecer os equipamentos e softwares previstos no acordo Realizar o treinamento de membros da equipe brasileira nos diagnósticos e softwares envolvidos no presente acordo Permitir que os membros da equipe brasileira tenham acesso às instalações laboratoriais e computacionais envolvidas no Plano de trabalho 2

4 Permitir que membros do corpo técnico e científico da Universidade de Southampton participem das atividades programadas no Plano de trabalho Permitir que alunos da Universidade de Southampton desenvolvam trabalhos baseados nas atividades programadas no presente acordo Promover viagens de intercâmbio e de assessoria científica e tecnológica dos membros da equipe científica da Universidade de Southampton Inglaterra para o INPE RESULTADOS TÉCNICO-CIENTÍFICOS: Os resultados de desenvolvimento do sistema de propulsão iônica serão publicados pelas duas instituições em condições de co-autoria, desde que em comum acordo. CRONOGRAMA FÍSICO-FINANCEIRO: Não haverá transferência de Recursos Financeiros. Cada partícipe usará sua própria infra-estrutura física e de pessoal para execução das tarefas elencadas no Plano de trabalho. 3

5 Componente: Câmara de ionização de 6 cm de diâmetro Objetivo: Estudo de vibração ANO 2006 Certificação da estrutura mecânica da câmara de ionização e do sistema de eletrodos de produção do feixe iônico 1 Construção da câmara de ionização LAP x 2 Construção dos componentes do sistema de eletrodos para produção de feixe iônico LAP 3 Montagem do conjunto composto pelos itens 1 e 2 LAP x 4 Envio da montagem do conjunto para Inglaterra INPE x 5 Estudo de vibração em três eixos do conjunto ARG x x x 6 Visita de um especialista do LAP ao ARG x 7 Visita de um especialista do ARG ao LAP x 8 Avaliação técnica e relatórios preliminares ARG/LAP x x 4

6 Componente: Catodos Ocos Objetivo: Caracterização da região da descarga Otimização do projeto do catodo oco Determinação das espécies gasosas e metálicas presentes no plasma exterior do catodo oco 1 Projeto e Especificação do sistema de diagnóstico OES ARG/LAP x 2 Aquisição de componentes INPE x x 3 Montagem do diagnóstico ARG/LAP x 4 Calibração do diagnóstico ARG/INPE x 5 Visita de um especialista do LAP ao ARG x 6 Medidas preliminares da pluma do catodo oco ARG/INPE x x 7 Avaliação técnica e relatórios preliminares ARG/INPE x Os recursos financeiros para a execução do item 2 serão alocados pelo LAP-INPE. 5

7 Componente: Catodos Ocos Objetivo: Caracterização do plasma interior Otimização dos insertos emissores de elétrons Determinação das espécies gasosas e metálicas presentes no plasma interior do catodo oco 1 Confecção de insertos emissores LAP x 2 Envio dos insertos para Inglaterra INPE x 3 Montagem dos catodos ocos ARG x x 4 Medidas preliminares do plasma interno do catodo oco ARG x x x 5 Visita de um especialista do LAP ao ARG x 6 Avaliação técnica e relatórios preliminares ARG/LAP x Os recursos financeiros para a execução dos itens 1 e 2 serão alocados pelo LAP-INPE. Já os recursos financeiros para a execução dos itens 3 e 4 serão compartilhados em comum acordo por ambas as instituições (INPE-UOS). 6

8 Componente: Catodos Ocos Objetivo: Otimização do projeto de catodos ocos empregando simulação numérica Otimização de componentes do catodo oco Otimização do desempenho do catodo oco 1 Implementação do código numérico ARG/LAP x x 2 Visita de um especialista do ARG ao LAP x 3 Treinamento na utilização do código ARG x x 4 Simulações preliminares de catodos ocos LAP/ARG x x 5 Visita de um especialista do LAP ao ARG x 6 Avaliação técnica e relatórios preliminares ARG/LAP x Os recursos financeiros para a execução dos itens 1 e 3 serão alocados pelo LAP-INPE. 7

9 Componente: Propulsor Iônico Objetivo: Medida de empuxo Qualificação do propulsor iônico 1 Construção dos componentes mecânicos da balança de empuxo LAP 2 Especificação dos componentes ópticos LAP x 3 Aquisição dos componentes ópticos INPE x x 4 Montagem da balança de empuxo fora da câmara de vácuo ARG/LAP x x 5 Montagem da balança na câmara de vácuo ARG/LAP x 6 Calibração final da balança de empuxo ARG x 7 Medidas preliminares de empuxo ARG/LAP x x 8 Avaliação técnica e relatórios preliminares LAP/ARG x x Os recursos financeiros para a execução dos itens 1 e 3 serão alocados pelo LAP-INPE. 8

10 ANO 2007 Componente: Propulsor Iônico sem subsistemas (de alimentação elétrica e de armazenamento e controle de fluxo de propelente) Objetivo: Estudo de vibração Certificação da estrutura mecânica do propulsor iônico 1 Revisão do projeto mecânico LAP x 2 Projeto mecânico dos novos componentes LAP x 3 Construção e montagem dos novos componentes LAP x 4 Envio da montagem do conjunto para Inglaterra INPE x 5 Qualificação de vibração em três eixos do conjunto ARG x x 6 Visita de um especialista do LAP ao ARG x 7 Avaliação técnica e relatórios LAP/ARG x Os recursos financeiros para a execução dos itens 3 e 4 serão alocados pelo LAP-INPE. Já os recursos financeiros para a execução do item 5 serão compartilhados em comum acordo por ambas as instituições (INPE-UOS). 9

11 Componente: Catodos Ocos Objetivo: Caracterização da região da descarga Otimização do projeto do catodo oco Determinação das espécies gasosas e metálicas presentes no plasma exterior do catodo oco 1 Medidas da pluma do catodo oco LAP x x 2 Avaliação técnica ARG/LAP x 3 Visita de um especialista do LAP ao ARG x 4 Medidas da pluma do catodo oco LAP x x 5 Visita de um especialista do ARG ao LAP x 6 Avaliação técnica e relatórios ARG/LAP x Os recursos financeiros para a execução dos itens 1 e 4 serão compartilhados em comum acordo por ambas as instituições (INPE- UOS). 10

12 Componente: Catodos Ocos Objetivo: Caracterização do plasma interior Otimização dos insertos emissores de elétrons Determinação das espécies gasosas e metálicas presentes no plasma interior do catodo oco 1 Ensaios experimentais com catodos modificados ARG x x 2 Avaliação técnica dos resultados LAP/ARG x 3 Ensaios experimentais com catodos modificados ARG x x x 4 Visita de um especialista do LAP ao ARG x 5 Avaliação técnica dos resultados ARG/LAP x Os recursos financeiros para a execução dos itens 1 e 3 serão compartilhados em comum acordo por ambas as instituições (INPE-UOS). 11

13 Componente: Catodos Ocos Objetivo: Otimização do projeto de catodos ocos empregando simulação numérica Otimização da estrutura mecânica do catodo oco Otimização dos parâmetros geométricos e elétricos do orifício e eletrodo ignitor do catodo oco 1 Simulações de catodos ocos LAP x x 2 Avaliação técnica dos resultados LAP/ARG x 3 Visita de um especialista do ARG ao LAP x 4 Avaliação técnica e relatórios ARG/LAP x Os recursos financeiros para a execução do item 1 serão alocados pelo LAP-INPE. 12

14 Componente: Propulsor Iônico Objetivo: Medida de empuxo Qualificação do propulsor iônico 1 Medidas de empuxo LAP x x 2 Avaliação técnica dos resultados LAP/ARG x 3 Visita de um especialista do ARG ao LAP x 4 Medidas de empuxo LAP x x 5 Avaliação técnica e relatórios LAP/ARG x Os recursos financeiros para a execução dos itens 1 e 4 serão alocados pelo LAP-INPE. 13

15 Componente: Sistema de controle operacional Objetivo: Algoritmo de controle operacional Controle operacional automatizado do propulsor iônico 1 Estabelecimento das características de controle operacional LAP/ARG 2 Visita de um especialista do LAP ao ARG x 3 Desenvolvimento do algoritmo de controle ARG x x x 4 Avaliação técnica e relatórios ARG/LAP x x Os recursos financeiros para a execução dos itens 1 e 3 serão compartilhados em comum acordo por ambas as instituições (INPE- UOS). 14

16 Componente: Subsistemas (de alimentação elétrica e de armazenamento e controle de fluxo de propelente) Objetivo: Montagem final do propulsor iônico Preparação para qualificação espacial do sistema de propulsão iônica 1 Especificação dos componentes periféricos LAP/ARG x x 2 Visita de um especialista do LAP ao ARG x 3 Aquisição dos componentes periféricos INPE x x 4 Testes preliminares de funcionamento LAP x 5 Avaliação técnica e relatórios LAP/ARG x Os recursos financeiros para a execução dos itens 3 e 4 serão alocados pelo LAP-INPE. 15

17 ANO 2008 Componente: Propulsor Iônico com subsistemas (de alimentação elétrica e de armazenamento e controle de fluxo de propelente) Objetivo: Integração de todos os componentes do propulsor iônico Qualificação espacial do sistema de propulsão iônica 1 Revisão do projeto mecânico LAP/ARG x 2 Visita de um especialista do LAP ao ARG x 3 Projeto mecânico e construção dos novos componentes LAP x x 4 Montagem de dois sistemas de propulsão iônica LAP x 5 Qualificação de desempenho de um dos sistemas LAP x x 6 Qualificação de vibração e vácuo-térmico do outro sistema LIT x x 7 Revisão do projeto mecânico LAP/ARG x 8 Visita de um especialista do ARG ao LAP x 9 Avaliação técnica e relatórios LAP/ARG x Os recursos financeiros para a execução dos itens 3,4,5 e 6 serão alocados pelo LAP-INPE. 16