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 manetico, 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 posticipa re 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 de lla 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 bassa

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 richiuedere la valvola, nel canale proulsivo 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 plasm