Electric propulsion 2 - appunti

(nei test quasi-steady) millisecondi

Pulse-forming-network Un qualsiasi segnale può essere visto come una composizione di segnali sinusoidali (trasformata di Fourier). Nel circuito RLC precedentemente visto, l'uscita è sinusoidale, quindi se vogliamo avere un impulso rettangolare possiamo partire da questo e ricavare le sinusoidi da più circuiti RLC messi come in figura (uno dei possibili modi).

Ritaglio schermata acquisito: 22/05/2021 18:37

Pulsed Plasma Thrusters Pagina 2 HALL THRUSTERS

• Introduction
• Electromagnetic mechanism
• Ideal and real thrusters
• Current distribuction
• Scaling model
• Thermalized potential
• Design aspects

Introduction In breve, nei GIT si ha una camera in cui viene formato il plasma, all'uscita si hanno due griglie poste a breve distanza, poste a una differenza di voltaggio elevata, e quindi gli ioni (solo loro) vengono estratti dal plasma e accelerati nella regione delle due griglie per via del forte campo elettrico.

Poi all'esterno vengono neutralizzati. Quindi gli ioni vengono separati dagli elettroni, si ha una separazione di carica, e questo è il grosso problema in cui incorrono i GIT: legge di Child-Langmuir, per cui si ha una corrente massima, oltre la quale non vengono più estratti gli ioni.

Nel caso ideale (linea continua in figura) il campo elettrico è costante e il voltaggio lineare, nella realtà l'elevata densità degli ioni nella griglia di estrazione influenza il campo elettrico, fino appunto a raggiungere il valore limite di zero (linea tratteggiata in figura), questo modifica anche l'andamento del voltaggio, che nel caso limite parte con tangente orizzontale, quindi è come se non ci fosse una variazione di potenziale (campo elettrico) che fa sì che gli ioni vengano accelerati.

Il plasma stesso ha la proprietà di reagire alle perturbazioni in maniera da mantenere la neutralità di carica, mantenendo ioni ed elettroni in

"drift velocity" ortogonale sia al campo elettrico che magnetico

Hall Thrusters Pagina 1

Electromagnetic mechanism

Si è già accennato che gli HT sono caratterizzati da un cosidetto self-consistent electric field, ma come si ottiene? Grazie a questa condizione si ha un comportamento differente tra elettroni e ioni.

Quindi abbiamo detto che gli elettroni sono intrappolati dal campo magnetico, essi avranno una drift-velocity azimutale (perpendicolare a E e B) e quindi se il canale è circolare percorreranno una traiettoria chiusa attorno all'asse. Poi c'è da considerare le collisioni, che saranno descritte in termini di collision cross section, mean free path, mean collision frequency ecc... per via delle quali gli elettroni mano a mano torneranno verso l'anodo. Il moto cicloidale degli elettroni avviene quindi nel piano visualizzato nella figura sopra, poi essi hanno pure una componente radiale della velocità, ma che è allineata

al campo magnetico e quindi non è influenzata da esso, per cui la particella rimbalzeranno su e giù come nella figura a sinistra, ma questo non partecipa al processo di spinta (non viene trasferita quantità di moto in questa direzione). Ricordiamo ancora, in tutto questo NON si ha SEPARAZIONE DI CARICHE, perché è il trend naturale del plasma di mantenere la quasi-neutralità (escluso plasma sheath). Abbiamo detto che in questi dispositivi le particelle cariche si muovono lateralmente (rispetto E e B che sono perpendicolari), se poi queste percorrono una traiettoria chiusa, tornando al punto di partenza, si parla di closed-drift devices, e questo è il caso dell' HT.

La corrente Hall, che è la corrente perpendicolare al campo elettrico.

L'effetto Hall è il trend per cui le particelle cariche si muovono lateralmente, e se ci sono delle pareti in cui finiscono, queste vengono caricate elettricamente, una in modo positivo e una negativo.

Si genera allora un campo elettrico perpendicolare a quello iniziale (E_h), quindi il caricamento di queste pareti fa sì che il motolaterale di stoppi, E_h si oppone alla corrente Hall. La presenza dell'effetto Hall (caricamento delle due pareti) va a stoppare la cosidetta corrente Hall. Quindi riprendendo l'HT, si vede che gli elettroni sono liberi di muoversi circolarmente senza imbattersi in delle pareti, questo vuol dire che, controintuitivamente, nei propulsori Hall non si ha l'effetto Hall.

HT architectures Il generatore di potenza qui è schematizzato ma in proporzioni è molto più grande del propulsore e anche in relazione al costo totale del sistema occupa una percentuale elevata (50%) mentre il propulsore stesso intorno al 20-30%. Come propellente è molto usato lo Xeno perché è il più pesante, stabile e non radiattivo gas nobile della tavola periodica, il fatto che sia pesante è perché in un certo senso

Una parte (20%, rosso) rientra eva direttamente verso l'anodo e poi il generatore di potenza, facendo un suo "ciclo chiuso" per il quale non partecipa al processo di spinta, ma comunque riveste un ruolo fondamentale in quanto altrimenti il propulsore non funzionerebbe, dato che servono per innescare la scarica di corrente e in seguito di mantenerla (differenza con GIT che non ha questo flusso di ritorno).

Dall'anodo viene iniettata una porzione di propellente neutro pari all'80%, questa poi viene ionizzata formando 80 elettroni e 80 ioni, gli elettroni saranno magnetizzati e andranno verso l'anodo con i 20 di prima, gli ioni invece non essendo magnetizzati sono accelerati verso l'esterno, i quali poi saranno neutralizzati dagli 80 elettroni in uscita dal catodo, andando a formare 80 neutri. Tutto questo avviene in maniera spontanea sempre per lo stesso motivo: il plasma tende a mantenere la propria quasi-neutralità.