Sommario
Negli ultimi anni, la propulsione ad effetto Hall si è sempre più affermata in campo spaziale sia per gli enormi vantaggi logistici sia per l’aumento delle potenze elettriche disponibili a bordo delle nuove generazioni di veicoli spaziali. L’aumento delle dimensioni delle nuove piattaforme satellitari e la necessità di studiare nuovi veicoli scientifici per l’esplorazione del sistema solare, portano allo studio di nuovi dispositivi che possano fornire un incremento di velocità (∆V) sempre maggiore, alimentando la ricerca in questa direzione. Per questa ragione, l'agenzia spaziale europea ha dato inizio ad un programma di sviluppo di un motore ad effetto Hall ad alta potenza, all'interno del quale si colloca lo studio preliminare effettuato da Alta S.p.A. .
Il presente lavoro di tesi, svolto presso Alta, ha lo scopo principale di eseguire un’analisi termica preliminare di un prototipo di motore ad effetto Hall della potenza di 25 kW. Data la poca conoscenza su motori di così grande dimensione e potenza, è stato sviluppato un programma di simulazione numerica che fosse capace di predire, con sufficiente precisione, il comportamento del plasma all’interno del motore, al fine di ottenere informazioni più attendibili sui flussi termici scambiati dal plasma con le pareti della camera di scarica.
Il programma sviluppato, denominato “Cassiopea v0.1”, si basa su un modello fisico semplificato del canale di accelerazione di un motore ad effetto Hall, e presenta alcune ipotesi semplificative, tra cui l’unidimensionalità e la stazionarietà del flusso, rese necessarie dalla complessità dei fenomeni fisici coinvolti. Per la validazione del codice sono stati confrontati i risultati in uscita con i dati sperimentali relativi al ROS2000 (propulsore ad effetto Hall di 2kW di potenza nominale realizzato da Astrium GmbH e testato nella camera di prova di Alta) e mediante i dati relativi al propulsore russo SPT100 estrapolati dalla letteratura. Il codice sviluppato rappresenta, inoltre, un valido strumento per le fasi preliminari del progetto di qualsiasi altro nuovo prototipo di propulsore ad effetto Hall.
Dopo una prima parte introduttiva, relativa alle generalità della propulsione elettrica e all’analisi del principio di funzionamento di un motore ad effetto Hall, verranno descritti il modello fisico utilizzato per lo sviluppo del codice numerico e le principali caratteristiche del codice stesso, quindi, verranno presentati lo studio di validazione, l’analisi di sensibilità alle principali condizioni al contorno imposte, e i risultati relativi all’utilizzo del programma per il caso del motore da 25kW. In conclusione, verranno descritti il modello CAD del prototipo di propulsore utilizzato per l’analisi e i risultati della simulazione termica stazionaria. Verrà infine presentato il confronto tra l’analisi termica eseguita nel presente lavoro di tesi e quella precedentemente svolta da Alta.
Abstract
In the last few years, the Hall effect thrusters (HETs) have seen a growing achievement in the space applications, both for logistic reasons and for the increase in the electric power supply available in the new generation spacecrafts.
The increasing dimension of the new space platforms and the need to study new scientific vehicles to explore the solar system, are leading to study new devices in order to get a higher ∆V for the missions, boosting the research in such direction. For these reasons, the European Space Agency has started a program to develop a high power Hall effect thruster, within which the preliminary study made by Alta S.p.A, takes its place.
This graduation thesis work, made at Alta facilities, has the main aim of carrying out a preliminary thermal design for a prototype of a 25 kW Hall effect thrusters. For solve the problem of insufficient knowledge about engines of such large dimension and power, a numerical simulation program capable of foreseeing, with a good approximation, the plasma properties inside the engine has been developed, in order to obtain more information about the thermal flux transmitted by the plasma to the acceleration channel walls.
The program, named as “Cassiopea v0.1”, is based on simplified physical model of the acceleration channel of a Hall effect thruster and shows simplifying hypothesis, such as one dimensional and stationary plasma flux, due to the complexity of the physical phenomena involved. In order to validate the code, the output has been compared with the experimental data carried out from laboratory tests of the ROS2000 (2kW Hall effect thruster, projected by Astrium GmbH and tested in Alta’s laboratory) and through the data relating to the Russian thruster SPT100 that have been extrapolated from scientific literature. The developed code is, moreover, a valid tool for the preliminary steps of a project of any new prototype of Hall effect thruster.
After a short initial introduction, in which the main features of HET are presented, we will describe the physical model which has been used to develop the numerical code and the main features of it; then we will introduce the validation analysis, an analysis of sensitivity to the boundary conditions and the results related to the use of the program for the HET 25 kW case. In conclusion, the CAD model of the thruster, used for the thermal analysis, and the results of the stationary thermal simulation will be described. Then, a comparison between the thermal analysis carried out in this dissertation and the one previously carried out by Alta will be made.
