Electro-Magnetic Launchers at the Lunar South Pole

Scopo della ricerca è di esplorare gli aspetti teorici e matematici di un Mass Driver (lanciatore elettromagnetico, EML) da utilizzare in condizioni ambientali estreme in una zona perennemente all'ombra all'interno di un cratere lunare, allo scopo di muovere, senza l'impiego di propellenti chimici, un dato payload. L'analisi consiste di due fasi. La prima riguarda l'analisi preliminare dello stato dell'arte degli EMLs nelle due configurazioni maggiormente esplorate, cioè i Railgun (RG) e i Coilgun (CG). In tale contesto si è concluso che i RGs sono i più avanzati tecnologicamente ma soffrono un'eccessiva deteriorazione dei componenti, ragion per cui potrebbero essere di difficile impiego in uno scenario in cui sono richiesti numerosi lanci annui e in cui ci si aspetta che sia complesso sostituire, o riparare, un dato componente danneggiato. I più futuristici CG, invece, possono eliminare alcuni difetti dei RG per mezzo della levitazione magnetica, e pertanto sono stati il focus dello studio. La seconda fase è quella di design preliminare. In questo contesto si è esplicitato il sistema dinamico del MD, includendo fenomeni elettrici, magnetici, termici, strutturali e orbitali. La forte interazione fra alcuni di questi, specificatamente per i fenomeni elettromagnetici ed elettrotermici, è stata oggetto di approfondimento, mentre le altre problematiche sono state analizzate separatamente a posteriori. Il problema è apparso fortemente non lineare. L'impiego di un algoritmo SQP ha permesso di effettuare un'ottimizzazione non lineare vincolata, nella quale la funzione oggetto e i vincoli non lineari sono stati opportunamente e mutuamente scambiati per assicurarne la congruenza e convergenza asintotica. I risultati hanno mostrato una buona aderenza alle previsioni. L'efficienza globale del sistema, che include la struttura solare, i trasformatori per la conversione e distribuzione di energia, i condensatori, tutte le linee di distribuzione e il MD stesso, è nell'ordine dei moderni Propulsori per Induzione a Impulso (PIT). I risultati mostrano come il MD sia più efficiente se impiegato per pochi lanci annui ad alto carico, anche se una serie di lanci suborbitali, cioè a velocità inferiori, potrebbero garantire lo stesso appannaggio annuo, per ciò che riguarda il peso complessivo, senza decadere significativamente nelle prestazioni. La condizione di pochi lanci annui potrebbe essere un beneficio, considerato che i condensatori avrebbero tempi di ricarica maggiori e, pertanto, si consumerebbero meno e sarebbero più in linea con la loro attuale prontezza tecnologica. Il modello matematico ricopre i principali fenomeni elettromagnetici ed elettrotermici e la sua accuratezza può essere stimata intorno al 50%. L'efficienza elettrica globale, a partire dai pannelli solari fino ai componenti del MD, si attesta intorno allo 0.1, fortemente influenzata da un'efficienza conservativa dei pannelli solari pari a 0.2. Sarebbe auspicabile approfondire lo studio, in futuro, per ciò che riguarda il tuning della corrente per garantire allo stesso MD masse diverse al lancio, mantenendo comunque la levitazione magnetica. Potenzialmente, tale studio potrebbe essere associato ad un'analisi agli Elementi Finiti per ciò che concerne i campi magnetici all'interno del MD, accompagnato dalla validazione di tutte le considerazioni fatte o suggerite circa i componenti elettrici.