Half december, dubbele schijven beginnen blauw te gloeien aan de onderkant van een ruimtevaartuig ter grootte van een minibus in de verre ruimte. Op dat moment zal de BepiColombo-missie van Europa en Japan net een cruciale stap dichter bij Mercurius zijn gekomen.

Deze week vindt de in-flight inbedrijfstelling en het testen van de vier stuwraketten plaats - met één of twee tegelijk - van het Solar Electric Propulsion System waarop BepiColombo vertrouwt om de binnenste planeet te bereiken. Dit is de eerste operatie tijdens de vlucht van het krachtigste en best presterende elektrische voortstuwingssysteem dat tot nu toe op een ruimtemissie is gevlogen.

Elke boegschroef en de bijbehorende stroomverwerkings- en voortstuwingsstroomregeleenheden worden op volle kracht getest om te controleren of er geen nadelige gevolgen zijn opgetreden vanaf de lancering, culminerend in de eerste operaties met dubbele boegschroef - de configuratie die gedurende het grootste deel van de missie zal worden gebruikt.

Hun eerste routinevuren staat gepland voor midden volgende maand, en het voortstuwingssysteem zal drie maanden ononderbroken werken om de baan van het ruimtevaartuig te optimaliseren voor de lange reis naar Mercurius.

Bepi Colombo, gelanceerd vanaf de Europese ruimtehaven in Frans-Guyana op 20 oktober, staat voor een andere uitdaging dan de ESA-planetaire wetenschappelijke missies ervoor:het gaat naar binnen, richting de zon, niet uit, en moet snelheid verliezen in plaats van winnen.

Zoals alle objecten in het zonnestelsel, het ruimtevaartuig is in een baan om de zon, loodrecht op de aantrekkingskracht van de zon bewegen. BepiColombo moet daarom afremmen door een reeks remmanoeuvres en flybys, waardoor het gevoeliger wordt voor de zwaartekracht van de zon en het dichter naar het hart van het zonnestelsel draait.

De stuwkracht geproduceerd door het elektrische voortstuwingssysteem dient om het ruimtevaartuig te vertragen, of in sommige gevallen versnelt het om zijn remvluchten effectiever te maken. Niet minder dan negen planetaire flybys van de aarde (eenmaal), Venus (twee keer) en Mercurius zelf (zes keer) zijn nodig om het ruimtevaartuig met meerdere modules over zeven jaar in een baan rond Mercurius te plaatsen.

Ruimtesleepboot

Het Mercury Transfer Module-gedeelte van het ruimtevaartuig, met daarin het voortstuwingssysteem, is in wezen een high performance 'space tug'. Zijn taak is om alle actieve trajectcontrolemanoeuvres uit te voeren die nodig zijn om de andere delen van de BepiColombo 'stack' - ESA's Mercury Planet Orbiter en de Japanse Mercury Magnetospheric Orbiter - naar de baan van Mercurius te brengen.

De hoge prestaties van het aandrijfsysteem, in termen van de hoeveelheid brandstof die de stuwraketten nodig hebben, is kritisch. Inert xenongas wordt toegevoerd aan de stuwraketten, waar eerst elektronen van de xenon-atomen worden gestript. De resulterende elektrisch geladen atomen, ionen genoemd, worden vervolgens gefocust en uit de stuwraketten geworpen met behulp van een hoogspanningsnetsysteem met een snelheid van 50.000 meter per seconde.

Deze uitlaatsnelheid is 15 keer groter dan die van conventionele chemische raketmotoren, waardoor een dramatische vermindering van de hoeveelheid drijfgas die nodig is om de missie te bereiken.

"Het voortstuwingssysteem zet elektriciteit die wordt opgewekt door de dubbele 15 m lange zonnepanelen van de Mercury Transfer Module om in stuwkracht, ", legt ESA-ingenieur voor elektrische voortstuwing Neil Wallace uit.

"Op volle kracht er wordt een stuwkracht ontwikkeld die gelijk is aan het gewicht van drie munten van 1 euro, wat betekent dat de stuwraketten lange tijd moeten blijven vuren om effectief te zijn, maar zonder enige weerstand en ervan uitgaande dat je geduldig bent, de manoeuvres die mogelijk zijn en de lading die kan worden vervoerd zijn dramatisch."

Elektrificerende voortstuwing van ruimtevaartuigen

De vier T6 boegschroeven waaromheen het zonne-elektrische voortstuwingssysteem is ontworpen, hebben een erfgoed dat tientallen jaren teruggaat. QinetiQ in het VK – voorheen het UK Defense Evaluation and Research Agency en daarvoor de Farnborough Royal Aircraft Establishment – ​​doet sinds de jaren zestig onderzoek naar elektrische voortstuwing.

De eerste vlucht van hun technologie kwam met de T5-schroef met een diameter van 10 cm, een sleutelelement van ESA's GOCE-missie in 2009 om zwaartekracht in kaart te brengen, waar het de satelliet meer dan drie jaar in een baan om de top van de aardatmosfeer liet, afromen door de diffuse atmosfeer op de ongekend lage baanhoogte die nodig is voor de missie.

De opgeschaalde T6 boegschroeven hebben een diameter van 22 cm, de grotere omvang die nodig is voor de hogere stuwkracht en levensduur van de BepiColombo-missie. En in tegenstelling tot de T5 van GOCE, deze T6 boegschroeven zijn wendbaar, met dank aan gimbal-systemen ontwikkeld door RUAG Space in Oostenrijk.

"Het zijn slimme mechanismen die het systeemontwerp een beetje ingewikkeld maken - alle elektrische kabels en leidingen moeten een bewegende grens overschrijden - maar voegen veel toe aan de prestaties, " voegt Neil toe. "Ze zorgen ervoor dat de stuwkrachtvector van een enkele of dubbele motor die door het zwaartepunt van het ruimtevaartuig gaat, die in de loop van de tijd verandert naarmate het drijfgas op is."

Boegschroefoperaties worden bestuurd met behulp van twee Power Processing Units, waarvan de architectuur is ontworpen om het gelijktijdig afvuren van twee T6's te ondersteunen, zelfs in het geval van een systeemafwijking, waardoor de maximale stuwkracht van 250 mN kan worden gehandhaafd.

Intelligentie injecteren

"De intelligentie van het systeem voor autonome boegschroefbediening komt van deze Power Processing Units - bijgedragen door Airbus Crisa in Spanje, " legt Nel uit, "die de gereguleerde spanningen en stromen aan de boegschroeven leveren op basis van instructies van grondcontrole via de boordcomputer van het ruimtevaartuig."

De andere belangrijke elementen zijn voortstuwingsstroomregeleenheden, ook onder toezicht van de PPU's, en de hoogspanningskabelboom. De FCU's zorgen voor de juiste toevoer van xenongas naar de boegschroeven en zijn ontwikkeld door Bradford Engineering in Nederland om programmeerbare stroomsnelheden te bieden.

De verschillende elementen van het voortstuwingssysteem hebben individuele en uitgebreide prestatie- en kwalificatietests ondergaan, die uiteindelijk resulteerden in een reeks tests die werden uitgevoerd op de locatie van QinetiQ in Farnborough.

Testing times

The spacecraft configuration and the extreme nature of the BepiColombo mission – needing to function in thermal conditions akin to placing it in a pizza oven – often demanded similarly extreme test scenarios, pushing the solar electric propulsion technology and test facilities to their limits.

"One important test early in the programme was to ensure that two thrusters could be operated in close proximity for prolonged periods without harmful interactions, " adds Neil. "They turned out to be remarkably tolerant of each other with no measureable effects."

One of the biggest ironies of the thruster qualification for BepiColombo, heading close to the Sun, was the extreme minimum temperatures experienced by its ion thrusters.

Neil explains:"Despite the fact the mission is headed to Mercury, the bulk of the spacecraft shadows the thrusters for very long periods and when not operating they naturally cool to temperatures way lower than ever tested in the past. We needed to prove they would turn-on and operate within specification when cooled to minus 150 C.

"It was a remarkable testament to the robustness of the technology that even after temperatures sufficient to freeze the xenon in the pipes the thrusters were able to start and operate flawlessly."

End of the journey

The propulsion system is dependent on the Mercury Planetary Orbiter's onboard computer for its control and command, so by itself it will not be able to function. Its ultimate fate is to be cast off, when the three-module BepiColombo stack separates before entering Mercury orbit, to circle the Sun indefinitely in the vicinity of the planet, letting the two science modules go to work.

"At one point while planning the BepiColombo mission, the Mercury Transfer Module was planned to impact the planet, " Neil comments, "a sort of Viking funeral that seemed fitting to all of us engineers."

Gridded ion thruster technology will have a life far beyond BepiColombo however, with commercial applications in development, en toekomst, even more ambitious ESA science missions set to rely on the technology.