IL PROPULSORE AD EFFETTO HALL
MULTICANALE
2.1. Motivazioni del progetto
I continui miglioramenti che negli ultimi tempi hanno riguardato i sistemi di propulsione elettrica ad alta potenza hanno fatto sì che questi motori diventassero un’alternativa efficace ai propulsori di tipo chimico, più usati in passato. L’uso dei propulsori elettrici si è rapidamente esteso sia a missioni di sollevamento orbitale, come nord-sud station-keeping e controllo d’assetto, che a manovre di posizionamento finale sull’orbita di strutture di grandi dimensioni. I recenti studi sull’argomento [11] hanno dimostrato come, nel caso di satelliti legati alle telecomunicazioni di ultima generazione, il vantaggio in termini di carico pagante effettivo trasportato in orbita a parità di prestazioni del lanciatore tra un sistema propulsivo chimico tradizionale ed un sistema elettrico possa raggiungere il 100%. La presenza di elevate potenze elettriche per il funzionamento dei canali di comunicazione (trasponders) nei satelliti di telecomunicazione fa sì che si possano sviluppare propulsori in grado di utilizzare tali potenze durante le fasi di trasferimento.
Inoltre tali sistemi propulsivi sono essenziali per la realizzazione di alcune tra le future missioni scientifiche e tecnologiche promosse dall’ASI e dall’ESA, come missioni di esplorazione interplanetaria o di osservazione terrestre in orbita molto bassa.
Fino ad oggi lo studio è stato indirizzato, attraverso opportune scalature geometriche, alla progettazione di motori ad un singolo canale ad alta potenza oppure allo sviluppo di cluster di motori di dimensioni ridotte [12]. In quest’ultimo caso si hanno grandi vantaggi nell’ambito del risparmio di ingombri e quindi di massa (a parità di potenza e di caratteristiche geometriche del canale di accelerazione) rispetto al singolo motore. In più si ha anche la possibilità di utilizzare l’insieme dei motori durante il trasferimento orbitale, mentre per il nord-sud station-keeping è possibile attivare soltanto un propulsore della serie con un evidente vantaggio ponderale; nel caso di cluster sembra che l’intervallo di potenza di miglior utilizzo sia quello compreso tra 5 e 10kW [11].
Tra i vari tipi di propulsori elettrici quelli che sembrano più promettenti sono i motori ad effetto Hall, sia nella tipologia SPT sia in quella TAL. Entrambi presentano rendimento di spinta dell’ordine del 60%, con minori problemi di erosione rispetto ai motori ad ioni. Tali motori sono avvantaggiati anche dalla semplicità realizzativa delle parti e dalla buona adattabilità ai processi di scalatura. Una tipologia di motori ad effetto Hall ancora inesplorata è quella con più di un canale di accelerazione; una siffatta configurazione potrebbe garantire un recupero di ingombri e massa rispetto a quelle fin’ora utilizzate composte da cluster di propulsori a singolo canale. L’idea del propulsore a canali multipli è infatti quella di sfruttare al massimo lo spazio, inserendo nella zona adibita ad un singolo canale un certo numero di canali concentrici.
A tutt’oggi questo tipo di propulsore non è mai stato realizzato, tuttavia esiste un brevetto depositato [13], in cui dei canali geometricamente simili sono stati allineati tramite espansione radiale; in questa versione a due canali il circuito magnetico non è comune a tutti canali, ma è diviso in tre parti: interno, intermedio ed esterno. Il primo passo nella progettazione del propulsore multicanale [14] è stato invece quello di creare un circuito magnetico unico.
2.2. Scelte progettuali di base
Un propulsore ad effetto Hall a canali multipli può essere definito come un dispositivo formato da una ripetizione finita dell’apparato di accelerazione opportunamente scalato nella direzione trasversale al moto; essendo un’espansione
del motore monocanale, anche per il propulsore a canali multipli si sono adottate le stesse soluzioni costruttive.
Le scelte progettuali riguardo alle configurazioni del motore hanno riguardato [14]:
• tipo di simmetria del motore: tra i due tipi di simmetria possibile, assiale con espansione del numero dei canali in direzione radiale oppure planare con estremità raccordate a semicerchio; la scelta è caduta sulla prima possibilità, sia per semplicità realizzativa che per il maggior numero di dati a disposizione su motori simili;
• configurazione geometrica dei canali di accelerazione: tra le due possibilità, TAL ed SPT, è stata scelta la seconda, ancora per motivi legati ad una maggiore disponibilità di dati su motori di quel tipo;
• creazione del campo magnetico: la generazione del circuito magnetico è stata affidata esclusivamente a bobine elettriche, senza magneti permanenti, per una maggiore semplicità;
• legge di scalatura: è stato selezionato un tipo di scalatura lineare, in modo da mantenere inalterate le caratteristiche prestazionali proprie del motore a singolo canale; così facendo il motore non è stato ottimizzato, ma questo è stato considerato un problema successivo, trattandosi comunque di un prototipo.
2.3. Confronto con precedenti versioni di pari potenza
Con l’obiettivo di verificare il guadagno di ingombri e di pesi correlato col multicanale sono stati effettuati due confronti con le altre versioni, a singolo canale e a cluster [14].
2.3.1. Canale di accelerazione con lunghezze caratteristiche fissate
Nella prima fase di confronto sono state assunte stesse caratteristiche geometriche, ovvero lunghezza L e raggio b, in ogni canale di accelerazione; scalando linearmente [10] il motore T-220 [15], si è valutato il diametro esterno in funzione del numero dei motori a parità di potenza, figura 2.1; successivamente si è presa in considerazione la configurazione a cluster, considerando un parametro detto lunghezza caratteristica e pari alla dimensione maggiore di ingombro complessivo
legata alla disposizione a cluster e si è calcolato l’ingombro in funzione della potenza, il tutto parametrizzato secondo il numero di cluster, figura 2.2; infine, passando alla configurazione del multicanale, supponendo una distanza tra gli assi dei canali di 2.5 b⋅ è stato calcolato l’ingombro del canale più esterno in funzione della potenza parametrizzato con il numero dei canali, figura 2.3.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Numero dei propulsori
D ia m e tr o e s te rn o [ m m ]
Figura 2.1: Diametro esterno in funzione del numero di propulsori
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Potenza totale [kW] L u n g h e z z a c a ra tt e ri s ti c a d i in g o m b ro [ m m] N=1 N=2 N=3 N=4 N=7
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Potenza totale [kW] L u n g h e z z a m a s s im a d i in g o m b ro [ m m ] N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 N=6 N=7
Figura 2.3: Lunghezza massima di ingombro per un propulsore a canali coassiali in funzione della
potenza e parametrizzato con il numero di canali
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 n*W ref/Wtot p a ra m e tr o d i in g o m b ro R /D re f Propulsore a canali coassiali Cluster n=2 Cluster n=3 Cluster n=4 Cluster n=6 Cluster n=7
Confrontando le varie soluzioni è stato immediato riconoscere il minor ingombro a parità di potenza della configurazione a canali concentrici rispetto alle altre due possibilità, in particolar modo per potenze elevate.
Per avere una più completa comprensione delle differenze di ingombri intercorrenti fra le due classi di propulsori prese in considerazione si sono infine definiti due parametri dimensionali: il rapporto tra la potenza media per numero di motori o canali e la potenza totale e il rapporto tra l’ingombro e il diametro di riferimento del propulsore adottato: in figura 2.4 sono riportati gli andamenti in funzione di
ref tot
n W⋅ W del parametro di ingombro
2.3.2. Canale di accelerazione di massimo rendimento
In questa seconda analisi si sono calcolate le dimensioni di un singolo canale di potenza pari a 100 kW e di massimo rendimento [4]; osservando che nello spazio vuoto lasciato dal suo diametro era possibile inserire un altro canale opportunamente scalato, si è operato un confronto utilizzando lo stesso motore di prima, il T-220, utilizzando però questa volta la scalatura geomE [10], più precisa di quella lineare per potenze elevate; nelle figure 2.5 e 2.6 sono riportate le lunghezze massime di ingombro in funzione della potenza parametrizzate con il numero dei canali, rispettivamente nel caso di canali coassiali e cluster.
La netta superiorità del multicanale si spiega perché il motore a singolo canale essendo già ottimizzato avrà, a causa della maggiore potenza, un rendimento più elevato rispetto ai motori del cluster. Questo significa avere un diametro esterno più piccolo rispetto alla somma di quelli del cluster.
0 100 200 300 400 500 600 700 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Potenza totale [kW] L u n g h e z z a m a s s im a d i in g o m b ro [ m m ] N=1 N=2 N=3
Figura 2.5: Lunghezza massima di ingombro per un propulsore a canali coassiali in funzione della
potenza e parametrizzato con il numero di canali
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 200 400 600 800 1000 1200 1400 Potenza totale [kW] L u n g h e z z a c a ra tt e ri s ti c a d i in g o m b ro [ m m ] N=1 N=2 N=3 N=4 N=7
Figura 2.6: Lunghezza massima di ingombro per un sistema propulsivo a cluster in funzione della
Da queste considerazioni preliminari si evince che la possibilità di realizzare un propulsore a canali coassiali può essere una valida alternativa sia ai propulsori monocanali sia ai cluster per quanto riguarda le alte potenze. Naturalmente tali motori non presentano soltanto vantaggi, ma potrebbero essere limitati dagli elevati stress termici, dovuti alla loro forma così compatta e anche dai possibili effetti dissipativi legati alle interazioni dei canali di accelerazione.
2.4. Scalatura
Come spesso si fa per prototipi completamente nuovi, al fine di ottenere una base da cui partire per il progetto del propulsore multicanale, si è scelta la potenza che si voleva ed in base alle leggi di scalatura lineare [10], preferita alla scalatura geomE per motivi di semplicità di realizzazione, si sono costruiti i tre canali a partire dal modello ROS 2000, del quale esisteva un’ampia documentazione sperimentale. In tabella 2.1 si riportano i risultati di tale studio [14]:
Canale 1 Canale 2 Canale 3
dm [mm] 118 223 328 b [mm] 20 20 20 L [mm] 38 38 38 PD [W] 2000 3780 5560 T [mN] 113 214 314 m [mg/s] 6.67 12.60 18.54 VD [V] 350 350 350 JD [A] 5.75 10.87 15.98 Isp [s] 1600 1600 1600
2.5. Dimensionamenti e verifiche
Una volta calcolate le dimensioni dei canali, compatibilmente con questi sono stati dimensionati per tentativi il circuito ferromagnetico e gli avvolgimenti, variando la forma del primo e l’intensità di corrente in ciascuno dei secondi, in modo da garantire per ogni canale un campo magnetico soddisfacente, cioè con una componente radiale del flusso di campo magnetico crescente da un valore più basso possibile all’anodo fino ad un valore di 150G all’uscita del canale, una componente assiale molto piccola ed una lunghezza di dimezzamento della componente radiale non più grande della semilunghezza del canale. Il numero dei canali è stato fissato iterativamente con la scalatura: si è giunti alla scelta di tre conseguentemente alla peggior forma del campo magnetico in caso di due canali; d’altra parte un numero superiore a tre avrebbe avuto grosse difficoltà di realizzazione per il canale più esterno a causa delle sue dimensioni. A questo sono seguiti una analisi termica preliminare, il dimensionamento dei componenti principali e le verifiche conclusive.
2.6. Obiettivi generali della tesi
Il presente studio riguarda un propulsore ad effetto Hall a tre canali concentrici; una tale disposizione rappresenta una novità assoluta, in quanto a tutt’oggi un siffatto dispositivo non è mai stato realizzato. Il lavoro si è sviluppato in più direzioni e a più livelli: ad analisi termiche e magnetiche generali, con l’aiuto delle quali si sono scelti i materiali definitivi tenendo in considerazione oltre alle caratteristiche fisiche anche le lavorazioni alle macchine utensili, i trattamenti termici ed i costi, si sono aggiunte analisi più specifiche come quelle del transitorio termico, del comportamento termo-magnetico, degli effetti tridimensionali, degli effetti termici e magnetici del contatto e infine delle accensioni parziali, peculiarità esclusiva del multicanale, sia dal punto di vista magnetico che termico. La motivazione che ha spinto verso un’analisi di questa profondità è stata prima di tutto la mancanza di studi sia teorici che soprattutto sperimentali su un propulsore di questo tipo. Alla luce di queste considerazioni, gli obiettivi generali della tesi possono riassumersi nello schema logico riportato in figura 2.7.
Figura 2.7: Schema logico di progettazione del presente lavoro Configurazione iniziale Considerazioni conclusive Costi di produzione e reperibilità Analisi magnetica
Analisi delle perdite termiche e magnetiche Analisi termica Analisi strutturale Variazioni nell’architettura Analisi gasdinamica Vincoli tecnologici
Analisi del transitorio termico Accensioni parziali: analisi magnetica Configurazione finale Accensioni parziali: analisi termica Analisi termostrutturale
Scelta dei materiali Analisi termomagnetica
2.6.1. Parte prima: determinazione e analisi della configurazione definitiva
Nella prima parte della tesi si è svolto un lavoro iterativo di progettazione e verifica, riassumibile nei seguenti punti:
• progettazione e scelta dei materiali: rilettura critica della configurazione iniziale del dispositivo e completamento del disegno del dispositivo con i dimensionamenti e le tolleranze non ancora presi in considerazione;
• analisi magnetica: controllo della credibilità di quattro programmi di simulazione del campo magnetico tramite confronto tra i risultati teorici e quelli sperimentali a disposizione, e applicazione dei programmi al multicanale con l’abbandono delle approssimazioni utilizzate in precedenti analisi; posizionamento del catodo;
• analisi termica: controllo termico di quattro possibili funzionamenti, tra due estremi dei carichi, uno negativo nel quale si è supposto che le interazioni dei carichi facciano aumentare a dismisura la potenza dissipata ed uno positivo in cui non ci fosse alcuna interazione tra i canali, e due estremi delle condizioni al contorno, uno negativo nel quale si sono supposte le superfici interna e posteriore adiabatiche ed uno positivo in cui tutte le pareti fossero irraggianti ed in cui fosse presente un supporto posteriore;
• analisi termo-magnetica: controllo del funzionamento del dispositivo a temperatura di lavoro;
• analisi termo-strutturale: verifica a temperatura di lavoro della mancanza di contatti indesiderati dovuti alle dilatazioni e controllo delle tensioni nelle zone di contatto tra materiali diversi; dimensionamento del collegamento con la camera a vuoto;
• effetti di contatto: stima della diversità di trasmissione del calore e peggioramento del campo magnetico in considerazione del non perfetto contatto tra i vari componenti del propulsore;
• analisi gasdinamica: dimensionamento degli anodi, in particolare delle tolleranze sui fori di distribuzione del gas dalla camera di distribuzione alla camera di accelerazione.
2.6.2. Parte seconda: verso la fase sperimentale
Una volta decisa la configurazione definitiva, c’è stato il passaggio ad una fase di analisi più approfondita:
• analisi del transitorio termico: studio dell’andamento temporale delle temperature in ogni componente sia nella fase di riscaldamento che in quella di raffreddamento, stima dei tempi di raggiungimento della fase di regime e di varie temperature la cui conoscenza è stata considerata utile; valutazioni sulla durata di materiali meno costosi nell’eventualità di un loro uso;
• analisi magnetica con accensioni parziali: controllo del campo magnetico e del funzionamento di ciascun canali in caso di accensioni parziali, creando delle successioni logiche per le accensioni dei canali; studio degli effetti della variazione della corrente in ciascuna bobina accesa;
• analisi termica con accensioni parziali: analisi stazionaria e del transitorio termico in caso di accensioni parziali, con osservazioni sui tempi analogamente a quanto fatto per l’accensione complessiva.
