SCALATURA DEI PROPULSORI HET
2.1 Lo sviluppo del metodo di scalatura
I primi propulsori ad effetto Hall furono realizzati grazie ad un intenso lavoro di sperimentazione al fine di caratterizzarne le prestazioni e ottimizzarne il funzionamento.
Questo tipo di approccio alla progettazione di propulsori ad effetto Hall produsse ottimi risultati, soprattutto nell’intervallo di potenze 0.5-1 KW, e permise, grazie all’esperienza maturata, di redigere i primi criteri di scalatura per ottenere nuovi propulsori nell’intervallo di potenze 0.5-5 KW.
Il continuo sviluppo delle tecnologie di generazione di energia e quindi la possibilità di poter disporre di livelli di potenza, a bordo di veicoli spaziali, sempre maggiori ha spinto i ricercatori a pensare a propulsori ad alte potenze. La possibilità di disporre di centinaia di KW di potenza consente di ipotizzare l’utilizzo di propulsori di questa categoria anche per applicazioni interplanetarie.
L’interesse per i propulsori HET non si limita alle alte potenze ma anche alle basse potenze, come testimoniano le numerose richieste in ambito commerciale per missioni orbitali terrestri sia per il controllo d’assetto che per il sollevamento orbitale.
La strategia di progettazione tramite le leggi di scalatura basate sull’esperienza sperimentale evidenzia i suoi limiti a causa della scarsa disponibilità di dati consultabili e che purtroppo non possono essere completati
con i modelli numerici oggi disponibili per la descrizione dei processi fisici che si sviluppano all’interno del motore, a causa della loro ancora bassa affidabilità.
2.2 Il database
La raccolta dei dati di funzionamento riguardanti una grande varietà di propulsori ad effetto Hall, svolta da ALTA e da Centrospazio, al fine di poter redigere leggi di scalatura per questa categoria di propulsori, ha permesso di ottenere un database molto fornito con più di 1000 punti operativi di 30 diversi propulsori tra SPT e TAL con potenze comprese tra i 100 Watt e i 70 KW.
La costruzione del database, cosi come descritto in [34], è stata ottenuta individuando inizialmente i parametri di riferimento dividendoli in parametri di prestazione, grandezze dimensionali e dati relativi all’attendibilità delle informazioni. I parametri scelti sono i seguenti:
Spinta effettiva
Portata di propellente all'anodo Portata di propellente al catodo Impulso specifico
Rendimento Tensione di scarica Corrente di scarica Potenza di scarica Massa del motore ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎩ Pa ra m etr i di pr es ta zi on e
Dimensioni della camera di accelerazione diametro medio larghezza
lunghezza
Picco di massimo del campo magnetico
d b L ⎧ ⎪ ⎧ ⎪⎪ ⎪ ⎨ ⎨ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪⎩ Pa ra m etr i dim en siona li
Riferimento alle fonti Costruttori
Pressione in camera di prova durante il test ⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩ In form az ioni sul la qu al ità de i da ti
Il progetto preliminare di un propulsore tramite il database si articola in diversi passi. Dato che inizialmente non esiste una strategia preferenziale per ottenere il propulsore voluto, occorre scegliere il parametro iniziale con cui procede alla scalatura. I dati a disposizione devono essere i più omogenei possibili dunque occorre ricavare dal database quei valori, relativi ad un particolare intervallo di potenze, relativi ad una particolare condizione operativa, ottenendo, come spiegato in [34], una riduzione sostanziale di dati.
2.2.1 Limiti del metodo statistico
Il primo limite del metodo statistico è che certi fenomeni, come ad esempio l’instabilità del plasma, di fondamentale importanza nella determinazione delle prestazioni del propulsore, non vengono in nessun modo tenuti in considerazione ottenendo risultati teorici che possono differire anche di parecchio dai valori del propulsore reale.
Un altro aspetto importante da tenere in considerazione è che sviluppando un propulsore con l’ausilio del database generalmente si ottiene un propulsore già esistente. E anche se ciò è a favore della garanzia di funzionamento non permette comunque di comprendere quale può essere la strategie da seguire per ottenere determinate prestazioni finali.
2.3 Il metodo analitico
Per superare tutti gli inconvenienti intriseci del metodo statistico si è sviluppato un nuovo procedimento, molto più elastico e flessibile, basato su veri e propri criteri di scalatura e non solo su dati di funzionamento di diversi propulsori. Questo modo di procedere ci permette di individuare la migliore strategia da seguire per ottenere determinati valori e prestazioni da raggiungere con il nuovo propulsore.
Individuazione
modello fisico
Desrizione dei
principali
fenomeni fisici
Stato dell’arte
della metodologia
di scalatura
Nuova descrizione
del modello di
scalatura
Applicazione del
modello alle alte
potenze
Applicazione del
modello alle
basse potenze
Dimostrazione
di flessibilità del
modello
Definizione dei
parametri
principali
Ionizzazione Diffusione Interazione plasma- parete Campo magnetico2.3.1 Limiti del metodo analitico
I risultati che si possono raggiungere con questo modello devono essere letti alla luce delle forti ed evidenti semplificazioni che sono state necessarie per rendere il modello sufficientemente flessibile e adatto ad ogni applicazione di scalatura sia per le alte che per le basse potenze.
Nel progetto preliminare svolto con questo modello non vengono tenuti in considerazione tutti i fenomeni che effettivamente si palesano durante un accensione di un motore ad effetto Hall, come la dinamica delle onde di instabilità del plasma, proprio per non appesantire il modello. Inoltre il modello stesso non ha la pretesa di prevedere il comportamento del propulsore scalato puntualmente all’interno del motore, quindi ciò che si ottiene da una scalatura è una indicazione delle caratteristiche che si possono ottenere da un propulsore se vogliamo che raggiunga certe condizioni operative, e utilizzare queste informazioni come dati di ingresso per un programma di simulazione che possa convalidare tali dati o modificarli per garantire previsioni più aderenti alla realtà.
