SOMMARIO
I propulsori elettrici per uso spaziale generano la spinta utilizzando particelle cari-che elettricamente normalmente ottenute dalla ionizzazione del propellente per mezzo di una scarica o di intensi campi elettrici. Recentemente è stato sviluppato, presso il Max-Planck-Institute, un nuovo metodo di produzione dei portatori di ca-rica elettca-rica. Il processo è noto come Cluster Fragmentation Ion Source. Le cariche sono generate dalla frammentazione per urto di aggregati molecolari polarizzati che si formano dall’espansione di adatte sostanze nel vuoto. Questo metodo può rappre-sentare una valida ed innovativa alternativa a gli usuali sistemi di ionizzazione uti-lizzati in ambiente spaziale. Questo lavoro di tesi ha affrontato uno studio per stabi-lire l’applicabilità del processo di frammentazione per urto al campo della propul-sione spaziale elettrica. Sono stati analizzati vari schemi propulsivi di nuova conce-zione scegliendo, tra questi, quello più adatto ad accelerare gli ioni prodotti dall’in-novativo processo di ionizzazione. In questo contesto è stata individuata la classe di sostanze più adatta ad un efficiente funzionamento del motore. Lo schema propulsi-vo scelto è stato studiato in dettaglio per verificarne l’effettiva capacità ad accelera-re i portatori di carica e calcolaaccelera-re le paccelera-restazioni. La dinamica del flusso dei portatori di carica è stata simulata utilizzando un metodo a particelle. Sono stati implementati due tipi di codice a particelle: una versione mono-dimensionale finalizzata ad uno studio parametrico delle configurazioni del propulsore e all’individuazione di leggi di scala che consentono un rapido calcolo delle prestazioni; un codice bi-dimensio-nale assialsimmetrico finalizzato al calcolo più accurato delle prestazioni e alla stima delle perdite per divergenza. Sono stati infine indicati i principali limiti tecnologici relativi alla fattibilità di un propulsore di questa classe. I risultati ottenu-ti sono incoraggianottenu-ti e indicano la possibilità di applicare il processo di ionizzazio-ne per frammentazioionizzazio-ne alla propulsioionizzazio-ne spaziale elettrica. Tuttavia, attualmente, le basse efficienze di ionizzazione ed alcuni limiti tecnologici limitano la compe-titività di questi nuovi propulsori.
ABSTRACT
Electrically charged particles are employed as propellant in electric propulsion sys-tems. They are typically formed by plasma ionization or field ionization. Recently, at Max-Planck-Institute, a new method for space charge production was developed. This technique, know as Cluster Fragmentation Ion Source, is based on the charge-pair production in molecular cluster and subsequent mechanical charge separation by collision-induced fragmentation. Cluster Fragmentation Ion Source represent a suitable and innovative option to the usual ionization methods used in space sys-tems. In this thesis, a study to predict if the Cluster Fragmentation Ions method is applicable to space electrical propulsion, is presented. New thrusters are studied, the more suitable for ions acceleration produced by the novel ionization method is cho-sen and those right substances for the thruster operations are indicated. In order to verify its ability in charge carriers acceleration and to calculate its performances, a detailed analyses of the selected propulsion system is developed. The dynamics of charge carriers flow was predicted by a particle method: a monodimensional code for parametric study about performances and a bidimensional axial symmetric code for compute the divergence losses were implemented. After that, the most important technological bounds about the fabrication of this thruster category was displayed. The study’s outcomes show that application of Cluster Fragmentation Ions method to space electric propulsion is possible. Unfortunately, today, the low ionization ef-ficiency and some technological limits restrict the competitiveness of these new thrusters.
