Electric propulsion 2 - appunti

Introduzione

• Definition and parameters
• Performance
• Thrusters classification
• General observation

Definition and parameters

Propulsione chimica

Propulsione elettrica

Velocità effettiva di scarico

Introduzione Pagina 1

Equazione di Tsiolkowsky

Impulso specifico di massa

Impulso specifico

Introduzione Pagina 2

Introduzione Pagina 3

Performance

Introduzione Pagina 1

Introduzione Pagina 2

Introduzione Pagina 3

Thruster classification

Electro-thermal

Heater

Propellant

Power

Leads

Introduzione Pagina 1

Electro-static

Introduzione Pagina 2

Introduzione Pagina 3

Gli elettroni che sono soggetti al campo magnetico, hanno quindi un moto circolare --> cycloidal motion, con la loro frequenza e raggio di Larmor. Durante il moto rotatorio collidono con le particelle neutre del propellente, così facendo si generano ioni ed altri elettroni che alimentano il fenomeno, inoltre collisione dopo collisione il centro di guida trasla sempre di più verso l'anodo allontanandosi dalla regione con forte campo magnetico, rientrando così nel circuito e ricominciando il "ciclo". Gli ioni iniettati all'esterno vengono poi neutralizzati similmente al GIT.

Il campo magnetico ha effetti differenti su elettroni ed ioni, gli elettroni vengono magnetizzati mentre gli ioni no, e quindi assumono un comportamento differente. Gli ioni, più pesanti, si muovono insieme e vengono accelerati dal campo elettrico, a differenza di quanto detto prima degli elettroni che vengono "intrappolati" dal campo magnetico.

Introduzione Pagina 4

Electro-magnetic

Introduzione Pagina 5

Introduzione Pagina 6

General observation

Introduzione Pagina 1

Teoria del plasma

• Plasma criteria
• Momentum equation
• Two-fluid model
• General vector diagram
• HT & MPD
• Similarity parameters
• Principal acceleration modes

Plasma criteria

Teoria del plasma Pagina 1

Momentum equation

Teoria del plasma Pagina 1

Two-fluid model

Teoria del plasma Pagina 1

Teoria del plasma Pagina 2

General vector diagram

Come già visto Effetto della la quantità di moto velocità relativa non viene immagazzinata tra ioni ed elettroni Effetto del campo Perdita di quantità elettrico sugli elettroni di moto per via in un sistema di riferimento delle collisioni con velocità pari a quella degli ioni Quantità di moto Contributo del Contributo delle trasferita agli ioni campo elettrico collisioni

Teoria del plasma Pagina 1

Teoria del plasma Pagina 2

Power balance

Teoria del plasma Pagina 1

Teoria del plasma Pagina 2

HT e MPD

Ritaglio schermata acquisito: 30/04/2021 12:31

Teoria del plasma Pagina 1

Similarity parameters

Teoria del plasma Pagina 1

Teoria del plasma Pagina 2

Teoria del plasma Pagina 3

Teoria del plasma Pagina 4

Principal acceleration modes

Teoria del plasma Pagina 1

Teoria del plasma Pagina 2

MPD thrusters

• Introduction
• Ideal self-field MPD
• Real self-field MPD
• Onset problems
• Tikhonov’s theory
• Kruskal-Shafranov limit
• Applied-field MPD
• Li-LTA thrusters

Introduction

MPD Thrusters Pagina 1

Ritaglio schermata acquisito: 10/05/2021 17:36

Modello Stoccarda

Ritaglio schermata acquisito: 10/05/2021 17:47

MPD Thrusters Pagina 2

Ideal self-field MPD

MPD Thrusters Pagina 1

MPD Thrusters Pagina 2

E in cui si effettuano le misure

Per ottenere una potenza abbastanza elevata ci vogliono correnti molto alte, nell'ordine dei kA.

MPD Thrusters Pagina 3

Real self-field MPD

MPD Thrusters Pagina 1

MPD Thrusters Pagina 2

MPD Thrusters Pagina 3

Onset problems

Vicino all'anodo, come diminuisce la densità e la corrente aumenta, si entra in una condizione di saturazione della corrente nella guaina dell'anodo.

MPD Thrusters Pagina 1

Sperimentalmente si è visto come alcune modifiche del propulsore o certi parametri possano aumentare il k* e quindi posticipare l'onset:

• Si è visto che k* è proporzionale a 1/M^(1/2), quindi più si usa un propellente leggero meglio è, in generale ogni aumento della densità porta ad un suo aumento
• Iniettare il propellente più vicino all'anodo
• Ridurre il fattore ra/rc rende più compatto il propulsore e quindi aumenta la densità
• Allungare il catodo comporta uno scoraggiamento dell'effetto pumping, avendo quindi una corrente più radiale
• Anche il materiale dell'anodo influisce sul k*, più è liscio più questo sarà elevato

MPD Thrusters Pagina 2

Tikhonov's theory

MPD Thrusters Pagina 1

The screw-pitch hypothesis

MPD Thrusters Pagina 2

Applied-field MPD thrusters

MPD Thrusters Pagina 1

Li-LFA thrusters

MPD Thrusters Pagina 2

Pulsed plasma thrusters

• Pulsed plasma thrusters
• Ablative PPT

Pulsed plasma thrusters

Pulsed Plasma Thrusters Pagina 1

Pulsed Plasma Thrusters Pagina 2

Pulsed Plasma Thrusters Pagina 3

Quindi nei PPT gli input ( V(t) o I(t) ) non vengono controllati ma oscillano liberamente, mentre ci sono altre tipologie in cui gli ingressi sono mandati come impulsi (rettangolari) comandati, e vengono chiamati "quasi-steady" plasmadynamic thrusters". I PPT hanno un semplice capacitore usato come alimentatore di potenza, vengono usati per dispositivi a bassa potenza e hanno basse efficienze, l'utilizzo viene fatto per la semplicità con cui si ottiene la spinta.

A sinistra vediamo un tipo di propulsore, fornito di un trigger per avviare la scarica, mentre il propellente viene iniettato attraverso una valvola che viene mossa dalle forze elettromagnetiche generate nel "coil", in seguito una molla tende a richiudere la valvola, nel canale propulsivo si genera poi la spinta come già descritto. Il problema sta nel sincronizzare la pulsazione della scarica di corrente e l'immissione di propellente, se non lo sono si rischia di attivare una scarica senza il dovuto propellente e quindi si ha erosione dei materiali, oppure di perdere del propellente iniettandolo quando non c'è la corrente, quindi si deve cercare di sincronizzarle ma non è semplice.

Pulsed Plasma Thrusters Pagina 4

Ablative PPT

A destra abbiamo un propulsore a propellente solido, si utilizza il teflon perché è la migliore scelta che si possa fare, serve poca energia per depolimerizzarlo e appena smette la corrente, smette subito di "gassizzarsi". La scarica viene avviata tra i due elettrodi da un ignitor, in seguito particelle di teflon vengono asportate, evaporizzano e vengono ionizzate, quindi si genera il plasma.