In questo lavoro di tesi sono state dapprima individuate le considerazioni tecnologiche che rendono i propulsori a effetto Hall un ottimo sistema propulsivo per i veicoli spaziali, con particolare attenzione a quei fenomeni che impongono delle limitazioni alla vita operativa. Nella fase iniziale sono state analizzate le relazioni fondamentali che caratterizzano il funzionamento, con particolare enfasi sui parametri di rendimento dei principali processi fisici discussi in letteratura. Successivamente è stato discusso il procedimento per lo sviluppo della mappa delle prestazioni, uno strumento grafico utile a individuare rapidamente la combinazione dei parametri di funzionamento intorno ai parametri nominali di disegno.
Nel corso dell’attività di ricerca, è stato individuato che la struttura del campo magnetico è uno dei fenomeni che condiziona maggiormente le prestazioni e la durata operativa del propulsore e di conseguenza gran parte del lavoro è stato focalizzato nello sviluppo della configurazione ottimale del circuito magnetico. Una configurazione particolare, denominata “schermatura magnetica” (Magnetic Shielding), è grado di sfruttare la topologia del campo magnetico per ridurre drasticamente l’usura per sputtering delle pareti della camera di scarica del propulsore. L’utilizzo del software di simulazione magnetostatica Femm4.2 ha permesso di condurre la simulazione della topologia magnetica derivante dall’architettura del circuito magnetico con simmetria cilindrica, per individuare gli effetti derivanti dalla variazione dei parametri geometrici ed elettrici sulla distribuzione delle linee del campo magnetico e quindi individuare le caratteristiche della configurazione del circuito magnetico in grado di sviluppare la topologia di schermatura magnetica.
Una delle caratteristiche che contraddistingue la topologia di schermatura magnetica rispetto alla topologia tradizionale, è la maggior curvatura delle linee di campo in prossimità della sezione di scarica che si estendono a partire dai poli verso valle per poi ritornare verso l’interno della camera di scarica. Questo effetto è stato ottenuto principalmente posizionando gli scudi magnetici più vicini alle pareti della camera di scarica rispetto ai poli magnetici e in misura molto minore, inserimento di smussi nell’estremità a valle dei poli magnetici da dove partono le linee magnetiche di maggiore intensità.
196 Lo sviluppo della struttura definitiva dei componenti, considerando i requisiti di accoppiamento e di fattibilità del processo di produzione, ha comportato delle modifiche geometriche rispetto alla configurazione utilizzata per simulare la corretta topologia del campo magnetico. Resta quindi il compito di verificare che queste modifiche non abbiano alterato significativamente la distribuzione delle linee del campo magnetico. La configurazione topologica mostrata in Figura 6.1, include tutti i componenti del propulsore in una sezione generica che non attraversa nessuno dei fori posteriori della camera.
197 L’aumento dello spessore dell’elemento AOM ha cambiato la simmetria nella distribuzione delle linee di campo rispetto alla linea media del canale. Per aggiustare questo intoppo, la simulazione riportata in Figura 6.1 è stata condotta cambiando il numero di avvolgimenti delle bobine, che risultano essere pari a 228 nella bobina interna e 108 in quella esterna, numeri compatibili con i vincoli di ingombro. Come si osserva nella Figura 6.2, l’intensità massima del campo magnetico è pari a 0,02 T con un’intensità di corrente di 5 A nel circuito. La Figura 6.3 conferma l’atteso risultato che i livelli di flusso all’interno del circuito magnetico non raggiungono livelli di saturazione durante il funzionamento a 7,5 A e infine, la Figura 6.4 riporta la distribuzione del campo magnetico lungo la linea media del canale per questo valore di corrente massima nel circuito. L’immagine della topologia magnetica calcolata durante la simulazione alla corrente del circuito di 7,5 A, è omessa in quanto è la stessa del funzionamento del circuito magnetico a 5 A.
Figura 6.2 Distribuzione dell’intensità del campo magnetico radiale lungo la linea media del canale con la corrente nelle bobine pari a 5 A.
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Figura 6.3 Densità del flusso magnetico durante il funzionamento del circuito magnetico alla corrente di 7,5 A.
Figura 6.4 Distribuzione del campo magnetico radiale lungo la linea media della camera con la corrente nelle bobine pari a 7,5 A.
Le simulazione che sono state condotte sono di natura esclusivamente magnetostatica. I risultati ottenuti son utili per una prima fase di progetto, ma prima di arrivare alla fase dello sviluppo di un
199 prototipo per il collaudo, sarebbe opportuno eseguire altre simulazioni computazionali quali l’analisi strutturale termoelastica e se possibile, la simulazione della distribuzione delle caratteristiche del plasma. L’esecuzione delle simulazioni computazionali ha il vantaggio di permettere di sviluppare un prototipo con costi inferiori rispetto alla sperimentazione diretta in laboratorio. Chiaramente i limiti della simulazione computazionale giacciono nell’accuratezza dei programmi utilizzati. Il progresso in questo ambito è rapido e i software di simulazione sono in continuo aggiornamento, un fattore che permette di ottenere soluzioni a problemi sempre più complessi e in maniera sempre più accurata. In ogni caso, non appena siano state eseguite tutte le simulazioni computazionali a disposizione, comprese quelle tridimensionali, il passo successivo è quello di costruire un prototipo per verificare sperimentalmente le sue caratteristiche ed eventualmente confrontarle con i risultati previsti dalle simulazioni per verificarne l’accuratezza.
Figura 6.5 Fronte e retro della modellazione solida del HET 1350 W.
La modellazione solida del propulsore sviluppato è riportata nella Figura 6.5. Una verifica dell’entità dell’ingombro del prototipo sviluppato e della massa complessiva, può essere fatto paragonandolo alle caratteristiche di altri HET della stessa classe. La stima della massa degli elementi può essere stimata dal confronto del Snecma PPS1350-G [61], che con due neutralizzatori
200 ha una massa complessiva di 5,3 kg, con quella del Snecma PPS1350-E [62], che con un solo neutralizzatore ha una massa complessiva di quella di 4,8 kg. Nonostante la potenza nominale dei due modelli sia leggermente diversa, le caratteristiche di ingombro massimo riportate nelle schede tecniche sono uguali per entrambi (F). Dal confronto emerge che la massa limite per ciascun neutralizzatore è circa pari a 0,5 kg e quella del il corpo del propulsore di 4,3 kg.
Figura 6.6 Caratteristiche di ingombro massimo del PPS 1350-G [61]
I parametri di ingombro del prototipo realizzato sono illustrati nella Figura 6.7, dal confronto emerge che il modello preliminare presenta in ingombro ragionevole. La massa complessiva del prototipo, è stimata intorno a 3,5 kg, ma bisogna considerare che non sono inclusi i condotti di