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Componenti chiave nei Propulsori
Pulsati al Plasma
5.1 Introduzione
Nei capitoli precedenti è stata concentrata l’attenzione sul principio di funzionamento dei propulsori pulsati al plasma e sulle fenomenologie che lo caratterizzano, procedendo con l’analisi fisica e numerica di queste allo scopo di determinare una stima dei parametri e delle prestazioni derivanti da opportune schematizzazioni del propulsore. In modo abbastanza legittimo e lecito per questo tipo di analisi, la fisicità del propulsore è stata tradotta in numeri, quelli esprimenti le caratteristiche principali, ai fini della realizzazione del fenomeno oggetto di studio, dei singoli componenti. Sono state però trascurate le considerazioni essenziali circa il funzionamento intrinseco di alcune parti strutturali, importanti e cruciali per la realizzazione dei risultati forniti dall’analisi numerica. Certo un modello più accurato e dettagliato potrebbe sicuramente simulare altre fenomenologie intrinseche, ma come primo approccio allo studio di un PPT potrebbe sicuramente rivelarsi non appropriato e del tutto inadeguato. Il presente lavoro ha come scopo la realizzazione di metodologie di studio e di ricerca che forniscono in prima approssimazione valori di riferimento di proprietà e caratteristiche importanti per un PPT.
Data la semplicità costruttiva che distingue questo tipo di propulsori nell’ambito della propulsione elettrica, il discorso appena introdotto riguarda solo pochi componenti chiave che sono:
· Condensatore, che rappresenta il sistema di immagazzinamento dell’energia
· Circuito di avvio della scarica (Discharge Ignition) : Switch e Candele di
accensione.
5.2 Condensatori
L’unità di accumulazione di energia, il condensatore, rappresenta il cuore dell’attività propulsiva di un PPT; esso occupa una grande porzione della massa di esso ed è il principale responsabile della potenza specifica del sistema di spinta. Si tratta di un componente di estrema importanza per il funzionamento del PPT, le cui prestazioni dipendono in modo considerevole dalle caratteristiche intrinseche del componente elettrico.
Il condensatore piano è un componente elettrico che immagazzina l'energia in un campo elettrostatico, accumulando al suo interno una certa quantità di carica elettrica; nei circuiti elettronici il condensatore è sfruttato moltissimo per la sua peculiarità di lasciar passare le correnti variabili nel tempo, ma di bloccare quelle costanti. Si compone generalmente di una qualsiasi coppia di conduttori (armature o piastre) separati da un materiale isolante chiamato
Figura 5. 1 : Schematizzazione condensatore
Il condensatore ideale dovrebbe possedere alcune caratteristiche come avere capacità infinita di bloccare il regime continuo della corrente (resistenza infinita), avere una resistenza equivalente in serie nulla, capacità infinita di gestione del potenziale e induttanza in serie e coefficiente di temperatura nulli. Come tutte le condizioni ideali, esse sono molto lontane dall’essere realizzabili per cui in alcuni casi ci si accontenta di valori che approssimano meglio l’idealità. Le prestazioni del condensatore incidono tanto sull’efficienza elettrica del circuito e su quella del propulsore, vediamo quindi quali sono le caratteristiche intrinseche di questo componente elettrico e in che modo incidono sul funzionamento del PPT.
Gli aspetti principali da considerare in un condensatore sono i seguenti:
1. Auto Induttanza (in serie)
2. Resistenza in serie equivalente (ESR) 3. Rigidità dielettrica
4. Polarità
5. Coefficiente di Temperatura 6. Assorbimento dielettrico
1. I condensatori, nella pratica, possiedono un’induttanza a seguito delle tecniche costruttive utilizzate, per cui sarebbe come mettere in serie al condensatore una singola spira della stessa lunghezza del condensatore. Spesso il valore di tale induttanza è molto elevato e forma, in
serie con il condensatore, un circuito risonante; quindi il condensatore risuona alle frequenze imposte dall’induttore virtuale. È preferibile che il valore dell’auto induttanza sia il più basso possibile in modo da non limitare il range di frequenze cui il condensatore può essere usato. Succede che ad alcune frequenze si verifica la condizione di risonanza che porta il circuito a comportarsi da filtro; questo determina un aumento dell’impedenza che limita la capacità del condensatore a far passare corrente alternata e quindi anche a basse frequenze filtranti (~60÷120Hz) è necessario un valore della capacità del condensatore elevato. Invece piccoli valori dell’auto induttanza rendono il condensatore idoneo alle alte frequenze (condensatori al Tantalio e Ceramici). 2. Tutti i condensatori sviluppano una resistenza in serie con se stessi a causa della loro struttura fisica fatta di fili metallici e materiali vari. Naturalmente l’ESR genera fenomeni di dissipazione di energia e di riscaldamento del condensatore che ne abbassano le prestazioni, l’efficienza e la vita operativa, per cui sarebbe auspicabile un valore basso di questo parametro. 3. La rigidità elettrica consente al condensatore di resistere a determinati potenziali senza che si verifichino corto circuiti o archi di scarica, quindi più alta è la rigidità più alto è il potenziale che il condensatore può sopportare; inoltre la sua vita operativa dipende notevolmente dalla tensione che può immagazzinare in modo proporzionale a V-7. 4. La polarità di un condensatore indica la possibilità di questo di operare, senza comprometterne l’affidabilità, con correnti a regime costante o alternato; i primi sono definiti “polari” mentre i secondi “non polari”. Alcune volte, però, i condensatori “polari” si combinano in modi opportuni da permettere di sopportare in piccola parte le inversioni di polarità della corrente, definendosi così “bipolari”. Ovviamente per il tipo di applicazioni richieste da un PPT è conveniente che il condensatore appartenga a quest’ultima categoria facendo attenzione al fatto che al crescere delle inversioni che la corrente subisce la vita operativa del condensatore diminuisce. 5. I condensatori sono portati a subire piccole variazioni a seguito delle temperature operative; l’entità di tali variazioni può essere piccola ma in alcuni casi considerevole per cui il coefficiente di temperatura, ovvero la variazione di capacità per unità di variazione di temperatura, non sempre è lineare. Quindi sarebbe utile che esso fosse lineare e negativo. 6. Questa non è una caratteristica desiderabile per un condensatore poiché non permette all’energia immagazzinata di essere liberata completamente durante la scarica. Alcuni materiali usati come dielettrico, tendono ad assorbire l’energia alla stregua di una spugna, per cui dopo aver scaricato la maggior parte
dell’energia, ne rimangono ancora un po’ intrise e la liberano in ritardo rispetto ai tempi di scarica.
Con riferimento a quanto appena esposto è possibile ridefinire le caratteristiche che un condensatore per uso aerospaziale si desidera che abbia:
a) Auto Induttanza bassa
b) Resistenza in serie equivalente (ESR) bassa c) Rigidità dielettrica elevata
d) Bipolarità
e) Coefficiente di Temperatura lineare e negativo f) Assorbimento dielettrico basso
Sono disponibili in commercio molti tipi di condensatori, con capacità che spaziano da pochi
picofarad a diversi farad e tensioni di funzionamento da pochi Volt fino a molti Volt. In
generale, maggiore è la tensione e la capacità, maggiori sono le dimensioni, il peso ed il costo del componente. Il valore nominale della capacità è soggetto ad una tolleranza, ovvero un margine di scostamento possibile dal valore dichiarato. La tolleranza spazia dall'1% fino al 50% dei condensatori elettrolitici. I condensatori sono classificati in base al materiale con cui è costituito il dielettrico, in due categorie:
· a dielettrico solido
· a ossido metallico detti condensatori elettrolitici.
La scelta del condensatore purtroppo si complica data la difficoltà di riunire in un unico dispositivo le caratteristiche ideali per le applicazioni propulsive, per cui diventa un compromesso fra le varie condizioni includendo anche le spese di realizzazione. Per esempio tra i condensatori a dielettrico solido quelli ceramici sembrano avere caratteristiche interessanti poiché garantiscono elevata qualità, possono essere utilizzati ad elevati voltaggi e a volte sono anche a basso costo e infine possiedono elevate capacità però non resistono bene ad applicazioni in tensioni alternata, sono quindi polari, e tollerano piccoli intervalli di temperatura.
Figura 5. 2 : Condensatori ceramici di I, II, III classe
Tra i condensatori elettrolitici si distinguono quelli al tantalio poiché permettono di immagazzinare elevate energie in spazi molto piccoli; hanno auto induttanze e ESR molto basse, sono fortemente polari. Sono molto comuni a bassi voltaggi e con capacità inferiori a pochi microfarad mentre diventano costosi ad alto voltaggio e C>5÷10µF ; purtroppo sono molto pericolosi poiché non tollerano i picchi di sovratensione e possono danneggiarsi, a volte esplodendo violentemente, cosa che avviene anche qualora vengano alimentati con polarità invertita o superiore al limite dichiarato.
La scelta si restringe ai condensatori con film plastici appartenenti alla categoria dei condensatori a dielettrico solido. In particolare i Mylar che sono condensatori a film di
poliestere, il più comune tra i materiali dielettrici; essi sono a basso costo e può essere
trovato in film e foglie e nelle varietà metallizzate. I voltaggi che possono sopportare non superano il kilovolt e hanno un assorbimento dielettrico non molto basso (0.20 %); infine questo tipo di condensatori non ha un coefficiente di temperatura lineare per cui sono molto sensibili alle escursioni termiche (figura 5.4). I condensatori a film di polistirene hanno caratteristiche elettriche migliori; possiedono coefficienti di temperatura bassi e tali da garantire un ottima linearità su un buon intervallo di temperature per gli usi cui è destinato; è caratterizzato inoltre da basso assorbimento dielettrico (0.02 %) forse il più basso tra i condensatori. Purtroppo non sopportano elevate temperatura, non sono disponibili nella varietà di film metallizzati e sembrano essere molto fragili.
Figura 5. 5 : Condensatori a film di polistirene
Al posto di questi vengono spesso utilizzati i condensatori con film in polipropilene; leggermente più grandi dei Mylar essi sono superiori elettricamente, hanno un coefficiente di temperatura lineare e negativo, un assorbimento dielettrico basso (0.02 %) ed elevata resistenza alle alte temperature (fino a 105°C). Infine una buona scelta per le applicazioni propulsive sono i condensatori Mica; essi prendono il nome dal minerale di cui è fatto il dielettrico usato; questo è molto buono e stabile e spesso le lamiere sono placcate su ciascun lato in argento. I Mica sono non polari e offrono prestazioni migliori dei condensatori
ceramici, sono molto stabili con la temperatura e anche se disponibili nel range del picofarad
sono condensatori a coefficienti di temperatura speciali.
La tabella 5.1 sintetizza quanto appena descritto. Type C er am ic Tan tal u m Poly est er ( My lar ) F il m Poly st yr ene F il m Poly pr opy lene F il m Mi ca Capacitance 10- 22000pF 22nF- 2200µF 0.001- 10mF 0.001- 10.0mF 0.001- 5.0mF 1.5 pF - 82µF ESR 0.05Ω- 0.2Ω 250µΩ- 6.0kΩ - - 1.4- 2.6mΩ 2.0- 150mΩ Voltage V 250-440AC 600-5000DC 10-125DC 10-600AC 10-600DC 50-350AC 50-1000DC 10-600AC 50-1000DC 100- 15000DC Dielectric Absorption at 25°C none - 0.20 0.02 0.03 0.02 Operating Temperature Range °C -55÷125 -55÷175 -55÷125 -55÷85 -55÷105 -55÷125 Best Characteristics High capacitan ce in small size High
Stability Low Cost
High
Stability Low DF*
Ultra Stable
Relative Cost Low High Low Higher Moderate High
La gamma di condensatori si dimostra essere copiosa e ricca di elementi che presentano caratteristiche varie che si adattano in diversi campi e che non sempre riescono e soddisfare le esigenze delle applicazioni in cui sono impegnate. Pertanto la scelta di essi rappresenta il risultato di diversi compromessi che incentivano la ricerca di nuove e più efficienti strutture. Alcuni obiettivi nell’ambito spaziale sono stati ereditati da esperienze propulsive precedenti e dalla realizzazione di alcune innovazioni.
Nella ambito della progettazione diverse tecnologie di condensatori furono studiate inclusi quelli al tantalio, a film metallizzati, a ceramiche impilate e Mica a film arrotolati, con dimostrazione da parte di quest’ultimi due di esibire caratteristiche migliori e fornire capacità critiche a correnti elevate per le operazioni dei PPT. La configurazione a film
arrotolati presenta una grande tradizione in ambito spaziale e possiede elevate capacità di
densità di energia, mentre i condensatori a ceramiche impilate mostrano caratteristiche incoraggianti come la mancanza di fluido e elevate resistenze agli effetti termici ma allo stesso tempo mostrano incertezza riguardo la durata e l’idoneità alle applicazioni nei PPT. Il condensatore a film arrotolati esibendo prestazioni notevoli è diventato oggetto di studi e sviluppi futuri. In particolare sono stati fatti interventi sul dielettrico realizzando combinazioni migliorate dello stesso che permettono di ottenere densità di energie e vite operative superiori; si sono realizzate capacità più elevate per gestire livelli di energia più alti e si è ricorso al laser per il taglio dei fogli in modo da ridurre i difetti di produzione e quindi conseguenti cause di fallimento. Inoltre rivestimenti in ceramica più robusti hanno permesso di tollerare carichi vibrazionali e sollecitazioni di espansione termiche maggiori così come si sono sviluppate tecniche per ridurre l’induttanza e migliorare il trasferimento termico. Infine furono migliorate le connessioni esterne tra gli elettrodi per minimizzare le perdite resistive e induttive. Il risultato fu quello di ottenere un condensatore con capacità d’impulso maggiori e vita operativa più lunga [39].
5.3 Circuito di avvio della scarica (Discharge Ignition)
I propulsori al plasma pulsati ablativi usano una candela di accensione per avviare il processo di scarica; essa fornisce una scarica iniziale la quale favorisce l’aumento della
densità di carica e l’avvio della scarica principale attraverso la superficie esposta del propellente solido: la candela di accensione inietta una piccola quantità di propellente solido che, a seguito della scarica innescata dalla stessa candela, abla formando del plasma conduttivo che completa il circuito costituito dagli elettrodi del propulsore e dal condensatore, favorendo la scarica di quest’ultimo (figura 5.8). La metodologia scelta per l’avvio della scarica gioca un ruolo importante per le prestazioni del propulsore così come ha notevole ripercussione sulla massa e il volume complessivi.
Figura 5. 8 : Sequenza schematica della scarica di un PPT
Storicamente i dispositivi che per acceleratori al plasma pulsati hanno sviluppato sistemi di inizio scarica basati su uno dei tre meccanismi fondamentali. Il primo, chiamato Iniziazione
di Paschen [40], consisteva nel sottoporre gli elettrodi alla tensione operativa desiderata e
poi successivamente veniva iniettato il propellente; quando la pressione tra gli elettrodi diventava alta abbastanza da rendere la tensione tra gli elettrodi sufficiente ad ablare, il plasma si formava. Però nelle applicazioni propulsive questa tecnica si dimostrava irrealizzabile e inflessibile alle variazioni della massa bit e della tensione operativa, causando una variazione del tempo di rottura del plasma. Questo inficia seriamente le prestazioni poiché una rottura anticipata determina un’accelerazione dello strato di corrente
prima che sia stata accumulata una quantità di massa sufficiente, mentre una rottura ritardata porta il gas a diffondere verso l’estremità del propulsore senza essere accelerato.
Il secondo meccanismo di sovratensione di rottura [40], invece, consisteva nell’iniettare il propellente prima che venisse generata una qualsiasi tensione tra gli elettrodi creando su di essi, successivamente e velocemente, una differenza di potenziale molto più alta di quella necessaria alla rottura del gas. Tale tecnica risolve il problema dei tempi e della ripetibilità però aggiunge la complessità di un commutatore, switch, veloce e ad alto voltaggio. Un tale
switch comporta una massa addizionale al di sopra della norma, induttanze parassite e una
causa ulteriore alla riduzione della vita operativa; inoltre l’alta tensione cui opera richiede l’utilizzo di condensatori ad alto potenziale pesanti.
Infine il terzo ed ultimo meccanismo, che poi è quello che i PPT utilizzano, è la
sottotensione di rottura [40]; questo consiste nel porre gli elettrodi alla differenza di
potenziale appena inferiore a quella necessaria a provocare la rottura del gas; quando il propellente viene iniettato, un circuito di avvio di scarica separato spara nel momento opportuno fornendo un impulso di elettroni che induce la rottura. Questo meccanismo ha diversi vantaggi quali il controllo accurato dei tempi di rottura del gas, l’isolamento del circuito di avvio dal resto del’apparato circuitale del propulsore che permette di avere induttanze parassite minime e una maggiore gestione delle variazioni di potenziale e infine una maggiore semplicità nonché rudimentalità rispetto alle tecnologie di commutazione ad alto voltaggio. Naturalmente esistono anche delle controindicazioni. Gli iniettori di elettroni, le candelette di accensione, tendono a creare del plasma nelle loro immediate vicinanze e ciò determina uno strato di corrente non uniforme, presumibilmente più permeabile e meno efficiente di uno strato ben formato. Peraltro questi iniettori tendono a corrodersi velocemente diventando una possibile causa che limita la vita operativa del propulsore. Si potrebbe ovviare a tale situazione selezionando opportuni materiali e spessori dell’elettrodo; infatti gli elettrodi delle candelette dovrebbero essere sufficientemente robusti per prevenire fenomeni di erosione.
Un’altra possibile tecnica, ma ancora in via di sviluppo, è quella di usare un impulso laser diretto sul catodo del propulsore per rilasciare elettroni nel spazio di scarica garantendo uno strato di corrente uniforme con fenomeni di erosioni esigui o addirittura nulli.
5.3.1 Switch e Candele di avviamento (Igniter Plugs)
Un circuito di avvio della scarica consiste fondamentalmente di un condensatore di piccola capacità che immagazzina la carica fornita dal generatore ad alta tensione (HV supply), uno
switch che trasferisce l’energia accumulata nel condensatore alla bobina di accensione (ignition coil), una bobina di accensione che è un particolare trasformatore che trasferisce
l’elevato voltaggio alla candela di accensione e infine la candela di accensione (spark plug) che rappresenta l’elemento finale della catena di avviamento.
La selezione di un dispositivo commutante (switch) atto all’innesco della scarica del circuito di avvio, che fosse altamente affidabile, di piccola massa e operante alle alte energie rappresenta un obiettivo significativo. Un PPT tipicamente usa un SCR (Silicon Controlled
Rectifier) il quale è un commutatore che controlla la scarica del condensatore che innesca la
candela di accensione.
Figura 5. 9 : Circuito di avvio della scarica
Questo però è un dispositivo che una volta attivato non può essere spento; esso cessa di svolgere la sua funzione quando la corrente che vi fluisce diventa nulla e quindi il condensatore è completamente scaricato. Per cui si dovrebbe ricaricare ad alte frequenze il condensatore del circuito di avviamento dopo ogni sparo per permettere al propulsore di effettuarne altri e questa è una condizione poco desiderabile. Quindi data l’attività pulsata di un PPT questo tipo di commutatore non sarebbe idoneo, al contrario lo sarebbe un dispositivo che permetta al condensatore del circuito di avviamento di scaricarsi in più
riprese. L’attenzione è stata rivolta ad altri tipi di switch in particolare ai transistor di
potenza esclusi per requisiti guida di base eccessivi, ai MOSFET anch’essi scartati per le
limitazioni sui picchi di corrente e potenza, e infine ai IGBTS. Lo switch IGBTS (Insulated
Gate Bipolar Transistor) ha mostrato caratteristiche interessanti e molto vicine alle esigenze
propulsive; esso permette di:
· commutare più alte tensioni e correnti
· essere realizzati in configurazioni di 1200V, circa due volte le capacità degli altri dispositivi
· avere masse e dimensioni più piccole · di garantire più alte affidabilità.
Questo tipo di commutatore può però presentare alcuni problemi; in particolare può essere sensibile alle scariche del PPT e quindi generare false scariche senza che il circuito di avviamento lo abbia comandato. Tale sensibilità può stressare oltre modo lo switch causando il fallimento prematuro. Opportune modifiche elettriche al circuito di avviamento consentono di raggirare tale problema.
Il circuito di avviamento attiva la candeletta di accensione non appena riceve un impulso elettrico. La candeletta (igniter plug) nella forma più generica ed essenziale è costituita da un rivestimento esterno, un elettrodo di Inconel (Inconel è un marchio registrato della
Special Metals Corporation, che fa riferimento alla famiglia delle superleghe austenitiche a
base di nichel-cromo, esso resiste meglio ai fenomeni di corrosione) separato, per mezzo di un anello concentrico di materiale semiconduttore, dall’elettrodo interno anch’esso fatto di
Figura 5. 10 : Rappresentazione schematica di una candela di accensione
Figura 5. 11 : Candela di accensione a basso voltaggio di rottura, di tipo semiconduttore Bendix
La candeletta viene inserita nel catodo della camera di scarica con l’elettrodo esterno mantenuto al valore del potenziale a terra; uno sparo o una scarica nel vuoto si genera non appena una tensione positiva di circa 700V viene applicata all’elettrodo interno. Il
semiconduttore è necessario per la scarica nel vuoto poiché probabilmente libera elettroni a seguito del forte campo elettrico presente, che permetteranno la ionizzazione del propellente.
Figura 5. 12 : Sparo della candeletta e innesco della scarica
I test effettuati sulle candelette di accensione hanno mostrato un caratteristica particolare di questi dispositivi, in particolare l’affidabilità della scarica avviata è compromessa dalla pressione nel vuoto che si crea nella camera di innesco e quanto più questa è bassa tanto minore è l’affidabilità; solitamente questo fenomeno dipende dalle dimensioni della candeletta e dal fatto che essa possa funzionare o meno ad alte pressioni. In realtà esistono altri fattori che possono compromettere la bontà del funzionamento di una candeletta di innesco e la sua vita operativa; questi sono a parte gli inevitabili danni arrecati dalla naturale usura ma anche i fenomeni di corrosione e contaminazione; questi coinvolgono le superfici delle candele che portano ad avere tensioni di rottura variabili e scariche di intensità diverse a parità di potenziali. In generale questi dispositivi si dimostrano essere non lineari e quindi difficili da modellare o da predirne il comportamento. Per quanto concerne la vita operativa di questi dispositivi ci sono diversi fenomeni che concorrono ad inficiarla, in particolare la formazione di fuliggine sulla superficie della candeletta. Per attenuare tale tendenza si possono effettuare delle operazioni di pulizia chiamate pulse clearing, le quali consentono di ottenere un’estensione della vita operativa. Infine alcuni studi, [38], hanno mostrato che le prestazioni di un propulsore dipendono, tra i vari fattori, dalla distanza rispetto alla superficie del propellente alla quale si genera la scarica di avvio, quindi dalla posizione della candeletta sull’elettrodo. Alcune analisi effettuate sulle forme d’onda di scarica delle
tensioni dei condensatori hanno rivelato che la resistenza e l’induttanza del propulsore aumentano quanto più la distanza della scintilla d’avvio dal propellente aumenta; naturalmente ciò ha immediate ripercussioni su alcuni parametri come Ibit e mbit [38].
