La camera dielettrica

La camera di scarica dielettrica, anche semplicemente camera o canale, è il componente del propulsore che ha la funzione principale di contenimento del plasma. Nel tratto finale hanno luogo i processi di ionizzazione del propellente e l’inizio di quello di accelerazione. La camera è sottoposta a diversi tipi di stress tra cui: carichi termici, carichi elettrici, carichi meccanici e sputtering.

La camera è sottoposta a forti tensioni termiche a causa dei flussi di calore degli elementi ad alta temperatura che la circondano. I flussi termici sono sia di tipo conduttivo, come quello proveniente dall’anodo distributore, che di tipo convettivo, come quello derivante dall’interazione con il plasma, che ti tipo irradiato, come quello proveniente dalle bobine del circuito magnetico. Per questo è preferibile costruirla utilizzando un materiale con elevata conduttività termica ed elevata emissività termica.

Ogni propulsore di Hall fabbricato oggi negli Stati Uniti e in Europa possiede pareti dielettriche fabbricate in materiali ceramici quali nitruro di boro (BN) e borosil (BN-SiO2), oppure pareti segmentate che contengono una struttura a strati in ceramica e carbonio. Questo è dovuto al fatto che questi materiali ceramici possiedono le seguenti caratteristiche [44]:

 Superfici isolanti per non cortocircuitare il campo elettrico nella sezione di accelerazione del propulsore.

 Un contenuto tasso di sputtering sotto il bombardamento ionico per minimizzare l’erosione della superficie ed estendere la vita operativa del propulsore.

 Una bassa emissione degli elettroni secondari per minimizzare le perdite di potenza sulle pareti.

Gli HET che utilizzano altri materiali, che presentano maggiori emissioni degli elettroni secondari rispetto al BN, come ossidi di alluminio (Al2O3), carburo di silicio (SiC) e Macor, oppure materiali conduttori come grafite, velluto di carbonio e acciaio inossidabile, presentano efficienze molto più

141 basse, vite operative più brevi e minore capacità di throttling. La Figura 5.1 mostra i risultati sperimentali del comportamento dell’SPT-100 utilizzando diversi materiali della camera di accelerazione. In ascissa ci sono i valori della tensione di scarica, mentre in ordinata sono riportati i valori del rendimento di spinta.

Figura 5.1 Rendimento di spinta dell’SPT-100ML in funzione della tensione di scarica. Potenza 1,35 kW. Portata di xeno 5 mg/s. Corrente delle bobine 4.5 A [45].

Si può notare come durante il funzionamento alla tensione nominale di scarica (300 V), il rendimento di spinta (ɳ_𝑇) della camera costruita in borosil è del 50%, mentre quella costruita in grafite raggiunge solo il 30%. Il peggioramento del rendimento di spinta utilizzando materiali alternativi è stato largamente attribuito alla maggiore emissione degli elettroni secondari e alla minore conduttività termica rispetto al nitruro di boro (BN).

Come detto in precedenza, le perdite di potenza alle pareti della camera (𝜀𝑤) sono il fattore

dominante di perdita di energia nel propulsore. Questo accade perché il contenimento del plasma non avviene meccanicamente come accade negli ugelli gasdinamici tradizionali ma attraverso una

142 complessa interazione tra le particelle del plasma e il reticolo cristallino della camera. A causa dell’elevata conduttività in direzione parallela alle linee di campo magnetiche, gli elettroni primari sono continuamente sostituiti da elettroni secondari (SEE) emessi dalle pareti della camera nelle collisioni. Gli elettroni secondari delle pareti hanno un’energia molto minore rispetto ai primari della scarica e questo comporta una limitazione a valori moderati sia nel valore massimo, che nel gradiente della temperatura elettronica dei primari nel canale, che implica un minor tasso di produzione di ioni e quindi una minore corrente ionica.

L’esatta modellazione della dinamica degli elettroni all’interno del canale è ancora oggi oggetto di studio. Un primo ed esteso studio della conduttività nelle guaine delle pareti è stato condotto da Morozov negli anni sessanta in cui egli espone la necessità di trovare un ulteriore meccanismo in grado di spiegare l’elevato valore della conduttività misurata nella scarica degli HET rispetto a quella calcolata attraverso le equazioni della conduttività classiche e della diffusione di Bohm. Gli autori della Figura 5.1 concludono che nei loro esperimenti, l’intensificazione della conduttività nelle guaine a causa dell’emissione fotoelettrica non sia trascurabile, come neanche l’emissione di elettroni secondari, mentre invece lo siano le disuniformità della superficie.

L’interazione delle pareti della camera con gli ioni ad alta energia del plasma, che sono concentrati prevalentemente nella zona di accelerazione, può comportare una riduzione del rendimento di spinta per via della ricombinazione degli ioni sulle pareti e una forte limitazione della vita operativa del propulsore per il logoramento causato dallo sputtering. In rete sono reperibili una grande quantità di studi che si occupano dello sputtering dei materiali in svariate condizioni e un’eccellente sommario di queste analisi è stato condotto da Smentkowsky [46]. Il tasso di erosione delle pareti della camera dovuto allo sputtering è determinato principalmente dall’energia degli ioni, dall’angolo di incidenza degli ioni e dal loro flusso verso pareti.

La struttura cristallina del nitruro di boro gioca un ruolo nella determinazione del tasso di erosione delle pareti e dovrebbe essere tenuta in considerazione nell’eventuale sviluppo di un modello analitico [47]. I risultati di Elovikov [48] mostrano come la struttura cristallina romboidale (r-BN) presenti maggiori tassi di sputtering rispetto a quella esagonale (h-BN) e spiega anche il motivo per cui gli ioni tendono a collidere di meno nella struttura h-BN.

I metodi sperimentali per determinare il tasso di sputtering includono: la misurazione del peso del campione prima e dopo l’esposizione al fascio di ioni, la misurazione delle oscillazioni della

143 frequenza di un cristallo di quarzo micro-bilanciato mentre le particelle si depositano su di esso e la determinazione del volume de crateri attraverso profilometria ottica.

Studi recenti [44] condotti sull’H6 HET MS (Magnetic Shielding) mostrano come questa recente ottimizzazione della topologia del campo magnetico possa portare ad una protezione elettromagnetica delle pareti della camera. L’intensità misurata del flusso degli ioni sulle pareti nella configurazione MS è ridotta di un fattore 1000 rispetto alla configurazione tradizionale ottimizzata dell’SPT (US). Se ottimizzata, la schermatura magnetica MS porterebbe in secondo piano la resistenza allo sputtering del materiale della camera e consentirebbe di impiegare materiali più economici come la grafite per la sua realizzazione, senza degradare il rendimento di spinta del propulsore. Purtroppo l’esatta topologia di schermatura magnetica MS è custodita con riservatezza e anche se in questa tesi è cercato di applicare i principi su cui si basa l’MS nella simulazione della topologia magnetica, la scelta di utilizzare un materiale come la grafite per la costruzione della camera di un HET commercialmente appetibile appare prematura senza una previa campagna sperimentale. La messa a punto della geometria della camera, in base alla topologia del campo magnetico, richiederebbe una campagna sperimentale accompagnata dall’utilizzo di più sofisticate simulazioni computazionali, mentre lo scopo di ottenere un propulsore appetibile al mercato odierno è più facilmente raggiungibile attraverso l'utilizzo di tecnologie disponibili e collaudate. Per tutti i motivi precedenti, nella progettazione della camera del propulsore si è scelto quindi di utilizzare il nitruro di boro con struttura esagonale (h-BN) e di preservare la convenzionale geometria della camera dell’SPT-100. Applicando i criteri della schermatura magnetica MS, si spera di ottenere un propulsore che possa presentare il comportamento a erosione zero a partire da una particolare soglia di tempo di funzionamento, un comportamento analogo a quello esibito dal BPT-4000.

Talvolta, a seconda delle dimensioni e delle esigenze dei propulsori da realizzare, risulta conveniente progettare la camera dielettrica in parti segmentate. Questo è particolarmente utile per propulsori di grandi dimensioni in cui la realizzazione di unico blocco in ceramica può essere difficoltosa, quindi anche costosa e presentare problemi di rottura fragile legati al peso eccessivo. La struttura segmentata potrebbe essere anche comoda nella realizzazione di prototipi ad uso sperimentale, in modo da permettere la sostituzione di sezioni parziali, riducendo i costi di sperimentazione nel laboratorio. Per contro, la segmentazione comporta un maggior numero di

144 elementi nel propulsore, dato che sono necessari molti più organi di fissaggio, collegamento e isolamento. In un propulsore di dimensioni modeste del tipo l’SPT-100, la costruzione della camera in un unico pezzo permette di limitare le interfacce e l’ingombro (e quindi anche la massa complessiva) ad un costo ragionevole. Allo scopo di facilitarne la realizzazione e la lavorazione, sono stati eseguiti dei disegni della camera senza sottosquadri e con una totale simmetria azimutale, in modo da agevolare anche la costruzione degli stampi per la sinterizzazione.

In Figura 5.2 vi è la sezione trasversale del PPS 1350, nella quale è possibile osservare che la soluzione adottata per la costruzione della camera è un blocco unico. In essa sono indicati alcuni valori delle caratteristiche della scarica e inoltre è indicata la scala del disegno, dalla quale è possibile risalire alle dimensioni dei componenti. Per quanto riguarda lo spessore della camera, è stato misurato uno spessore minimo di 1,25 mm alla base e uno spessore di circa 1,75 mm della parete esterna. I parametri geometrici nominali sono il diametro medio del canale (𝑑 = 85 𝑚𝑚) e dalla larghezza della camera (𝑏 = 13,64 𝑚𝑚), dai quali è possibile ricavare le dimensioni linearmente dipendenti del raggio della parete esterna (49,32 𝑚𝑚) e quello della parete interna della camera (35,68 𝑚𝑚).

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Figura 5.2 Sezione trasversale del PPS 1350 W di SEP FAKEL, con valori tipici delle condizioni di scarica [4].

Nel tratto finale in prossimità della sezione di scarica del propulsore, in corrispondenza della zona di accelerazione interna, lo sputtering è più intenso e le pareti a contatto con il plasma si deteriorano più intensamente. Una misura per compensare la perdita di materiale della camera in questa zona e prevenire l’esposizione del circuito magnetico dal getto, è quella di aumentare localmente lo spessore della camera. Bisogna per contro non esagerare con lo spessore per via del fatto che questo comporta, oltre che un aumento della massa, una maggiore distanza minima tra i poli del circuito magnetico e quindi, sia una maggiore potenza richiesta per sviluppare

146 correttamente la topologia, che un maggior riscaldamento per effetto joule delle bobine che lo alimentano.

Il dimensionamento dei componenti del propulsore ha seguito processo iterativo, dato che la variazione delle dimensioni di un componente comportava anche delle variazioni sugli altri. Per definire ad esempio l’effettiva profondità della camera è stato necessario definire prima la lunghezza assiale dell’anodo distributore.

I primi disegni della camera sono stati fatti con l’obiettivo di eseguire delle prove della simulazione del circuito magnetico piuttosto che per soddisfare i requisiti costruttivi e di interfacce del disegno finale. In Figura 5.3 sono mostrate due esempi della forma preliminare della camera, quella al lato sinistro presenta la sezione di uscita ricurva nel tentativo di approssimare la tangenza alle linee del campo magnetico nella sezione di accelerazione interna, mentre quella a destra ha una sezione più tradizionale con dei fori nella parte posteriore per il passaggio dei condotti per l’immissione del propellente. Entrambe le soluzioni sono sottodimensionate rispetto alla soluzione finale e sono state realizzate senza considerare le interfacce.

Figura 5.3 Sezioni della camera ceramica utilizzate nelle simulazioni della topologia preliminari.

Le interfacce della camera nella configurazione scelta risultano essere tre. Tutte nella parte posteriore di cui: quella con l’anodo distributore nella base del canale interno della camera, quella con elementi ceramici che nei fori posteriori assicurano l’isolamento elettrico dei collegamenti con

147 l’anodo e la chiusura stagna della camera, infine, quella nella parete posteriore con l’elemento di riferimento e fissaggio della camera al corpo del propulsore.

Una configurazione successiva è quella mostrata in Figura 5.4,in cui la camera dovrebbe essere fissata assieme all’anodo nella parte posteriore del motore e in cui sono predisposte delle facce di chiusura a valle, con l’intento di fornire protezione agli elementi del circuito magnetico dal getto. La soluzione è stata abbandonata in quanto la ceramica BN è un materiale molto fragile e costoso, per cui la camera deve avere il minimo ingombro possibile e perché nelle soluzioni costruttive analizzate di altri HET commerciali sono utilizzati, al più, elementi ceramici indipendenti per la protezione dal getto degli elementi ferromagnetici e quindi una soluzione di questo tipo risultava eccedente.

Figura 5.4 Camera ceramica a fissaggio posteriore e protezione a valle degli elementi magnetici.

La realizzazione della camera in ceramica deve tener conto dello spessore minimo manifatturabile, della fragilità del materiale e della diversa dilatazione termica dei materiali con cui si interfaccia. La sinterizzazione della ceramica può essere eseguita attraverso metodi a controllo numerico che permettono di ottenere una precisione nelle dimensioni dell’ordine di decimi di millimetro.

148 Considerando lo spessore minimo misurato nel PPS 1350 (Figura 5.2), nel disegno della camera si è cercato di limitare lo spessore minimo a 1 mm.

Nel tentativo di definire l’interfaccia con l’anodo, sono state tenute in considerazione tre soluzioni costruttive differenti. L’interfaccia richiede di garantire un’adeguata chiusura stagna per evitare che lo xeno possa fluire a monte verso il satellite e al contempo deve permettere la dilatazione termica dell’anodo costruito in acciaio, che è di due ordini di grandezza maggiore rispetto alla dilatazione termica del nitruro di boro.

La prima configurazione, denominata “piatta”, è mostrata nella Figura 5.5 in cui è evidenziato in colore rosso il fatto che tra l’anodo e le pareti interne della camera vi è una separazione che ha la funzione di permettere la dilatazione dell’anodo all’aumentare della temperatura. Nella configurazione piatta però, il percorso evidenziato in giallo, che rappresenta il percorso che il fluido della camera dovrebbe percorrere per tornare a monte attraverso le superfici di contatto diretto, è composto da due segmenti e potrebbe essere un percorso troppo semplice da attraversare per il fluido propulsivo.

Figura 5.5 Soluzione piatta dell’interfaccia camera-anodo.

Una seconda soluzione, denominata “incavata”, è stata presa in considerazione dall’articolo sullo sviluppo di un HET a doppio stadio di LABEN, Alta S.p.A. e ESA/ESTEC [49]. Nella decima figura di tale articolo si osserva che, nel modello, l’anodo è leggermente incastrato nella camera.

149 La soluzione incavata è mostrata nella Figura 5.6, in cui è evidenziata in rosso la zona di circa 1mm in cui avviene l’incastro. Si osserva inoltre che il percorso giallo di dispersione è composto da tre segmenti ed è quindi più difficile da attraversare rispetto alla soluzione piatta. Per contro, le dimensioni del HET a doppio stadio da cui è presa l’idea sono sensibilmente maggiori rispetto a quelle del propulsore da 1350 W e quindi un incastro di questa entità (1 mm) risulta accettabile nel caso del HET a doppio stadio, mentre è una frazione significativa di circa un quarto della lunghezza assiale dell’anodo di un HET da 1350 W e di conseguenza questa soluzione non esclude con certezza la possibilità di una frattura della camera ceramica a causa della dilatazione termica dell’anodo.

Figura 5.6 Soluzione incavata dell’interfaccia camera-anodo.

La soluzione definitiva proposta per l’interfaccia camera-anodo, ha cercato di poter offrire contemporaneamente un percorso complesso per la dispersione del fluido dalla camera e permettere la dilatazione dell’anodo senza sottoporre la camera a stress. Nella Figura 5.7 è mostrato ancora una volta in colore rosso il varco che permette la dilatazione dell’anodo e in giallo il percorso per la dispersione del fluido, che è composto da quattro segmenti (nella sezione), un percorso chiaramente più difficile da attraversare.

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Figura 5.7 Soluzione definitiva dell’interfaccia camera-anodo.

Per contro, la soluzione scelta comporta la realizzazione dei canaletti di circa un millimetro di profondità e spessore alla base del canale e questo comporta da una parte l’uso di spessori minimi di 1mm (minori di 0,25 mm rispetto a quelli minimi misurati nel PPS 1350) e dall’altra un costo leggermente più alto di produzione e di lavorazione della camera.

Il disegno quotato della configurazione definitiva della camera è presentato in Figura 5.8, in essa non è indicato ma tutti gli spigoli sono stati raccordati con un raggio di 0,1 mm. Nella base della camera vi sono otto fori di 8 mm di diametro, quattro dei quali servono al fissaggio della camera all’anodo e gli altri quatto servono per il passaggio dei condotti di immissione del propellente. Infine, nella Figura 5.9 sono riportate una vista isometrica di un quarto della camera e una sezione parziale di essa. A proposito della camera riprenderemo ad analizzare i dettagli per il fissaggio, nel paragrafo 5.4, dopo aver presentato le caratteristiche dell’anodo e del circuito magnetico nei paragrafi successivi.

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Figura 5.8 Disegno quotato della configurazione definitiva della camera ceramica.

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