L’anodo distributore

Per fare in modo che l’immissione dello xeno alla base del canale avvenga nel modo più uniforme possibile lungo tutto il condotto anulare, nei motori a effetto Hall è presente una camera di distribuzione che svolge la funzione accumulare il gas in un volume, col fine di livellare le disuniformità di pressione. Il distributore è un vano nel quale è immesso il gas dal circuito di gestione della portata, tramite i condotti che passano attraverso la base del motore e per tale motivo devono essere in quantità moderata, di solito due, tre o quattro, disposti in maniera tale da dividere la circonferenza in settori uguali. L’immissione del gas nella camera deve avvenire con la minima velocità assiale possibile in modo da favorire il processo di ionizzazione grazie all’aumento del tempo di permanenza nella zona in cui la temperatura elettronica è massima. Per tale motivo, è conveniente che il passaggio del gas dal volume di distribuzione anulare verso la base della camera avvenga attraverso una serie di fori radiali.

L’anodo è l’elettrodo posto alla base della camera, collegato al sistema di controllo elettrico (PPU) il quale applica una differenza di potenziale (𝑉) rispetto al catodo neutralizzatore. L’anodo raccoglie il flusso di elettroni provenienti dalla scarica. L’impatto delle specie del plasma sull’anodo e il contatto con le pareti della camera comportano i flussi termici che innalzano la temperatura dell’elettrodo. Per tale motivo, il materiale di cui l’anodo è composto deve garantire non soltanto un’elevata conducibilità elettrica ma anche un’elevata resistenza termica.

Le funzioni dell’anodo e della camera di distribuzione possono essere svolte da componenti differenti, scelta che richiede di realizzare sedi indipendenti nella camera ceramica, con i rispettivi fori di accesso, elementi di fissaggio e di isolamento del fluido nella camera. In tal caso gli ingombri e l’aumento del peso del propulsore sono considerevoli. L’indipendenza delle due funzioni ha i vantaggi di poter controllare le modalità di guasto separatamente e di evitare il deterioramento causato dal flusso di corrente sul sistema di gestione del gas. Questo tipo di configurazione potrebbe essere vantaggiosa in propulsori di grandi dimensioni e in quelli con multipli stadi di accelerazione, oppure in quelli con camere di accelerazione segmentate che permettano l’accesso più agevole in diversi punti. Solitamente le due funzioni sono invece accoppiate e svolte dallo stesso componente. Questo è utile in quanto comporta una maggiore

153 semplicità costruttiva, con una massa minore per via di un minor numero di organi di supporto e collegamento.

Date le dimensioni relativamente piccole del propulsore da 1,35 kW e dall’analisi delle soluzioni costruttive individuate in propulsori di potenza simile omologati per il volo, si è quindi scelto di accoppiare le due funzioni in un unico componente. La Figura 5.10 presenta una sezione dell’anodo distributore in corrispondenza di uno dei punti di ingresso del gas in cui sono indicati i nomi degli elementi che lo compongono.

Il materiale di cui è composto l’anodo deve avere quindi un’elevata resistenza ad alte temperature, ottima conducibilità elettrica, resistenza alla corrosione, facilità di saldatura ed essere anche amagnetico. L’acciaio austenitico AISI 347 possiede tutte queste caratteristiche ed è il materiale utilizzato per la realizzazione dell’anodo nella quasi totalità delle fonti analizzate.

Figura 5.10 Sezione dell’anodo distributore in corrispondenza del condotto di ingresso del propellente.

La soluzione proposta è composta da quattro tipi di elementi diversi, al corpo del distributore sono saldati una piastra frontale su cui sono presenti i fori radiali per l’ingresso del gas nella camera, i condotti di ingresso del propellente e i perni per il fissaggio alla camera ceramica. I perni per il fissaggio e i condotti di ingresso del propellente potrebbero essere ottenuti per stampaggio assieme

154 al corpo del distributore, ma la produzione per estrusione e il collegamento con cordone di saldatura presenta costi di produzione minori. Al fine di prevenire le disuniformità delle caratteristiche del flusso all’interno del volume di distribuzione, sono stati scelti quattro condotti per l’ingresso del gas, disposti in maniera simmetrica. I condotti di immissione sono alternati ai quattro perni per il fissaggio e un settore del loro posizionamento è mostrato in Figura 5.11.

Figura 5.11 Settore dell’anodo distributore anulare.

Il volume del distributore di gas potrebbe essere suddiviso in due parti attraverso un setto intermedio con l’intento di ottenere una minor variazione della pressione. La Figura 5.12 riportata da D. Folle [50] mostra due configurazioni del distributore di un HET da 1,7 kW che differiscono per la presenza del setto intermedio. Folle conclude che, dallo studio delle due configurazioni, la riduzione dell’oscillazione della pressione è trascurabile e quindi la soluzione senza il setto intermedio è da preferire per via della maggiore semplicità costruttiva. Lo stesso tipo di soluzione senza setto intermedio è adottata nel disegno dell’anodo distributore del DS-HET [49].

155 Dalla camera di distribuzione, il propellente ingressa nella camera attraverso una serie di fori praticati sulla piastra frontale dell’anodo. I fori sono eseguiti in direzione radiale per rendere più omogenea su tutto l’anello la distribuzione assiale della velocità del gas nella camera, rispetto alle configurazioni che impiegano fori assiali. Per facilitare la costruzione e la lavorazione, i fori radiali della serie interna e quelli della serie esterna sono allineati in modo da poterli realizzare in coppia ad ogni operazione di foratura. In modo da facilitare ulteriormente la distribuzione, il disegno del distributore è fatto in modo tale che la sezione trasversale che passa attraverso l’asse dei condotti di immissione del gas, non attraversi anche l’asse dei fori per l’immissione nella camera, ovvero che i condotti siano azimutalmente sfasati. La configurazione scelta, prevede di effettuare trentadue fori doppi (0,5 mm di diametro) nella piastra frontale (Figura 5.13), la quale deve essere successivamente saldata frontalmente al corpo del distributore.

156

Figura 5.14 Sezione quotata dell’anodo distributore in corrispondenza del condotto di immissione del gas.

Una volta definita l’estensione assiale dell’anodo, mostrata nella Figura 5.14, è stato possibile stimare la profondità effettiva della camera di accelerazione e quindi ottenere i parametri geometrici che hanno condizionato l’ingombro minimo del circuito magnetico che li dovrà circondare, il quale è discusso nel prossimo paragrafo.

157