SOMMARIO
La propulsione elettrica, nell’arco degli ultimi dieci anni, si è affermata nel campo delle applica-zioni spaziali come valida alternativa alla propulsione chimica. In particolare, i propulsori MPD sono dispositivi molto semplici che sfruttano la forza di Lorentz per accelerare propellente verso l’esterno e produrre spinta per reazione. Come per gli altri motori elettrici, il loro impulso specifico è, in generale, almeno un ordine di grandezza più elevato dei propulsori chimici tradizionalmente impiegati. Inoltre, la loro densità di spinta (spinta per unità di superficie) è significativamente maggiore che in altri pro-pulsori elettrici. Per queste ragioni, i propro-pulsori MPD potrebbero essere tra i motori più promettenti per future applicazioni spaziali, ammesso che si riescano a limitare i fenomeni di malfunzionamento (problema dell’onset). Tra le ultime proposte per risolvere questi problemi, va tenuta in grande consi-derazione quella dell’impiego del litio come propellente.
Il presente lavoro di tesi si colloca nell’ambito della realizzazione e sperimentazione di propulsori MPD al litio in programma presso la ditta Alta S.p.a. In particolare, è consistito nello studio e proget-tazione preliminare di un impianto di alimenproget-tazione del propellente.
Inizialmente viene introdotta la propulsione spaziale, presentando una breve descrizione ed i ca-ratteri distintivi dei vari propulsori e illustrandone brevemente gli utilizzi passati e attuali. Successi-vamente sono elencate le motivazioni e gli obiettivi principali del lavoro di tesi. Quindi sono analizzati i propulsori MPD, in quanto la loro comprensione è basilare per l’intero studio. Di seguito, vengono descritti dettagliatamente i propulsori MPD alimentati a litio e viene definito il problema della proget-tazione di un impianto di alimenproget-tazione per propellenti metallici allo stato liquido.
Le proprietà fisiche e chimiche del litio sono riportate, in modo da rendere chiaro come esse pos-sano essere sfruttate per la propulsione spaziale, facendo attenzione alle modalità necessarie per una manipolazione ed uno stoccaggio sicuri; in questo capitolo, inoltre, vengono prese in considerazione le caratteristiche che devono possedere gli elementi da impiegare in un impianto di approvvigionamento del litio.
Infine, viene illustrata la configurazione adottata per l’impianto di alimentazione del propellente, dopo aver compiuto alcuni dimensionamenti preliminari. Concludendo, si riporta un’analisi conclusiva sul raggiungimento degli obiettivi preposti per quanto concerne la progettazione dell’impianto di ali-mentazione per propulsori MPD al litio e alcuni spunti per eventuali sviluppi futuri.
ABSTRACT
During the last decade, electric propulsion became an effective alternative to chemical propulsion in the field of space applications.Particularly, MPD thrusters are very simple devices, where the thrust is obtained as reaction to the Lorentz force, acting on the ionized propellant. As for other electric thrusters, they have specific impulses one order of magnitude higher than chemical engines. Moreover, their thrust densities are the highest among the electric thrusters. For these reasons, MPD thrusters could probably be the most promising propulsion system for many future space applications, of course finding a solution to the so-called onset problem. Among the latest ideas to solve these problems, the use of lithium as a propellant is highly regarded.
The present thesis is concerned with the realization and the experimental validation of lithium MPD thrusters in program near the company Alta S.p.a. In particular, it is concerned with preliminary study and design of a lithium feed system.
At the beginning, space propulsion is introduced by presenting a brief description and the distinc-tive characteristics of various thrusters and by explaining briefly the past and current uses. Successive-ly, are the motivations and objectives of this thesis work. Then, MPD thrusters are analyzed, because their understanding is crucial for the entire study. Afterwards, lithium MPD thrusters are described in detail and the problem of designing a liquid metal feed system is defined.
The physical and chemical properties of lithium are showed, with particular interest to the ones which make this propellant particularly attractive for space propulsion, paying attention to precautions related to the handling and storage of lithium; also, the peculiarity which must be fulfilled the ele-ments used in a lithium feed system are taken into account.
Finally, the preliminary dimensioning and the design of the propellant feed system are illustrated. Ultimately, is reported a conclusive analysis about attainment of starting target for concerning the de-sign of lithium MPD thruster feed system and there are, also, some ideas for future development.
