I mitten av december, tvillingskivor kommer att börja lysa blått på undersidan av en rymdfarkost av minibussstorlek i rymden. I det ögonblicket kommer Europa och Japans BepiColombo-uppdrag precis att ha kommit ett avgörande steg närmare Merkurius.

Denna vecka ser vi driftsättning och provskjutning under flygning av de fyra propellerna – med en eller två avfyringar åt gången – av Solar Electric Propulsion System som BepiColombo förlitar sig på för att nå den innersta planeten. Detta markerar den första operationen under flygning av det mest kraftfulla och högsta prestanda elektriska framdrivningssystem som hittills flugits på något rymduppdrag.

Varje propeller och dess tillhörande kraftbearbetnings- och drivmedelsflödeskontrollenheter kommer att testas till full effekt för att kontrollera att inga negativa effekter uppstått från lanseringen, som kulminerade i de första dubbelpropelleroperationerna – konfigurationen som ska användas under större delen av uppdraget.

Deras första rutinavskjutning är planerad till mitten av nästa månad, och framdrivningssystemet kommer att fungera kontinuerligt i tre månader för att optimera rymdfarkostens bana för den långa resan till Merkurius.

BepiColombo, lanserades från Europas rymdhamn i Franska Guyana den 20 oktober, står inför en annan utmaning än ESA:s planetariska vetenskapsuppdrag innan den:den är på väg inåt, mot solen, inte ut, och behöver tappa hastighet istället för att få den.

Liksom alla objekt i solsystemet, rymdfarkosten befinner sig i solomloppsbana, rör sig vinkelrätt mot dragningen av solens gravitation. BepiColombo måste därför sakta ner genom en rad bromsmanövrar och förbiflygningar, gör den mer mottaglig för solens gravitation och låter den spiralera närmare hjärtat av solsystemet.

Den dragkraft som produceras av det elektriska framdrivningssystemet tjänar till att bromsa rymdfarkosten, eller i vissa fall accelererar den för att göra dess bromsning mer effektiv. Inte mindre än nio planetariska förbiflygningar av jorden (en gång), Venus (två gånger) och Merkurius själv (sex gånger) krävs för att placera flermodulsfarkosten i omloppsbana runt Merkurius om sju år.

Rymdsläp

Mercury Transfer Module-delen av rymdfarkosten, som innehåller framdrivningssystemet, är i huvudsak en högpresterande "rymdbåt". Dess uppgift är att utföra alla aktiva bankontrollmanövrar som behövs för att föra de andra delarna av BepiColombo "stacken" – ESA:s Mercury Planet Orbiter och Japans Mercury Magnetospheric Orbiter – till Mercury-banan.

Framdrivningssystemets höga prestanda, när det gäller mängden bränsle som thrustrarna kräver, är kritisk. Inert xenongas matas in i propellerna, där elektronerna först tas bort från xenonatomerna. De resulterande elektriskt laddade atomerna, kallas joner, fokuseras sedan och kastas ut ur thrustrarna med hjälp av ett högspänningsnätsystem med en hastighet av 50 000 meter per sekund.

Denna avgashastighet är 15 gånger högre än konventionella kemiska raketpropeller, vilket möjliggör en dramatisk minskning av mängden drivmedel som krävs för att uppnå uppdraget.

"Framdrivningssystemet omvandlar el som genereras av Mercury Transfer Modules dubbla 15 m långa solpaneler till dragkraft, " förklarar ESA:s elektriska framdrivningsingenjör Neil Wallace.

"Med full kraft, en dragkraft som motsvarar vikten av tre 1-euromynt utvecklas, vilket innebär att propellerna måste fortsätta skjuta under långa perioder för att vara effektiva, men i avsaknad av drag och förutsatt att du är tålmodig, de manövrar som är möjliga och nyttolasten som kan bäras är dramatiska."

Elektrifierande framdrivning av rymdfarkoster

De fyra T6-propellerna runt vilka det soldrivna elektriska framdrivningssystemet är konstruerat, har ett arv som går decennier tillbaka. QinetiQ i Storbritannien – tidigare UK Defense Evaluation and Research Agency och dessförinnan Farnborough Royal Aircraft Establishment – ​​har forskat på elektrisk framdrivning sedan 1960-talet.

Den första flygningen av deras teknik kom med 10 cm-diametern T5-propellern, ett nyckelelement i ESA:s 2009 års gravitationskartläggning GOCE-uppdrag, där den tillät satelliten att kretsa på toppen av jordens atmosfär i över tre år, skumma igenom den diffusa atmosfären på den oöverträffat låga omloppshöjd som behövs för uppdraget.

De uppskalade T6-propellerna är 22 cm i diameter, ökningen i storlek som krävs för de högre kraven på dragkraft och livslängd för BepiColombo-uppdraget. Och till skillnad från GOCE:s T5, dessa T6-propeller är manövrerbara, med tillstånd av kardansystem utvecklade av RUAG Space i Österrike.

"De är smarta mekanismer som komplicerar systemdesignen lite – alla elektriska kablar och rör måste passera en rörlig gräns – men tillför mycket till prestandan, ", tillägger Neil. "De säkerställer att dragkraftsvektorn för antingen en enkel eller dubbel motor som avfyrar korsar genom rymdfarkostens tyngdpunkt, som förändras över tiden när drivmedlet förbrukas."

Thrusterdriften styrs med hjälp av två Power Processing Units, vars arkitektur är utformad för att stödja avfyring av två T6 samtidigt även i händelse av systemfel, garanterar att den maximala dragkraften på 250 mN kan bibehållas.

Injicera intelligens

"Intelligensen i systemet för autonom propelldrift kommer från dessa Power Processing Units – bidragit med Airbus Crisa i Spanien, " förklarar Neil, "som levererar de reglerade spänningarna och strömmarna till thrustrarna baserat på instruktioner från markkontroll via rymdfarkostens omborddator."

De andra nyckelelementen är drivmedelsflödeskontrollenheter, även övervakas av PPU:erna, och högspänningsnätet. FCU:erna säkerställer att korrekta flöden av xenongas tillförs propellerna och har utvecklats av Bradford Engineering i Nederländerna för att tillhandahålla programmerbara flödeshastigheter.

De olika delarna av framdrivningssystemet har genomgått individuella och omfattande prestations- och kvalifikationstester som slutligen avslutades i en serie tester utförda på QinetiQs Farnborough-anläggning.

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, och framtiden, even more ambitious ESA science missions set to rely on the technology.