Conclusioni e sviluppi
Nel presente lavoro di tesi è stato sviluppato un modello numerico semplificato capace di determinare le prestazioni di propulsori a effetto Hall alimentati con propellenti alternativi al tradizionale Xenon. Il modello creato, pur essendo "zero-dimensionale" con parametri e grandezze costanti a tratti, fornisce un'ottima stima delle prestazioni globali (i rendimenti parziali e la spinta), sfruttando le ipotesi iniziali adottate per la temperatura e la densità elettronica.
La validazione del codice è stata effettuata grazie al confronto dei risultati forniti dal modello per il propulsore del tipo SPT-100 oggetto di questa tesi, alimentato sia in Xenon (il propellente convenzionale) sia in azoto, con i dati sperimentali ottenuti attraverso la caratterizzazione.
La caratterizzazione del propulsore è stata eseguita, oltre che in Xenon e in azoto puro, anche con una miscela di azoto e ossigeno in proporzione molare 1.3 a 1. Le grandezze misurate sperimentalmente mostrano, tuttavia, la presenza di processi microscopici di entità tale da non permettere al modello di essere sufficientemente valido: le interazioni tra gli atomi (e le molecole) di azoto e ossigeno, insieme alla possibilità di ottenere ioni negativi dalla ionizzazione dell'ossigeno, sono tali da provocare una degradazione del valore della spinta di entità non prevedibile dal modello, perchè nel costruire quest'ultimo si sono trascurati gli effetti appena citati.
Le ipotesi preliminari, adottate nel modello, su densità e temperatura elettroniche sono giustificate da studi precedenti, eseguiti sullo stesso motore utilizzato nei test. Il modello numerico risulta essere semiempirico, in quanto necessita di ipotesi preliminari per quanto riguarda la densità e la temperatura elettronica (basate su misure empiriche), e si dimostra molto sensibile alla scelta di tali valori. Per quanto riguarda l'utilizzo dell'azoto come propellente, non essendo disponibili in letteratura dati di alcun genere, si è optato per
Uso di propellenti alternativi allo Xenon in propulsori a effetto Hall
154
utilizzare, come valori di temperatura elettronica, le misure sperimentali disponibili in letteratura per il propulsore alimentato a Xenon, a punti operativi vicini il limite inferiore di densità del plasma. In questi punti operativi il propulsore va incontro a problemi di ionizzazione incompleta in maniera analoga a quanto riscontrato utilizzando i propellenti alternativi. Per quanto riguarda la densità elettronica, si sono usati, nel caso del propulsore alimentato a Xenon, i valori sperimentali disponibili in letteratura per i propulsori del tipo SPT-100, adattandoli ai vari punti operativi della caratterizzazione grazie all'individuazione della dipendenza di tali valori dai parametri operativi. Si ricorda che il valore teorico della densità elettronica fornita dalle equazioni risulta essere, per il propulsore alimentato a Xenon, circa 13 volte superiore al valore sperimentale ottenuto dai dati in letteratura. La ragione di questa discrepanza è stata attribuita al fatto che il numero di elettroni che scorre nel canale, e di conseguenza le perdite energetiche associate al flusso di ioni e elettroni verso le pareti, sia ottimizzato per il propulsore alimentato a Xenon, fatto che per ipotesi non sussiste nel caso del propulsore alimentato ad azoto: il valore della densità elettronica per il propulsore alimentato ad azoto è stato assunto pari al valore fornito dalle stesse equazioni che ne individuano il valore teorico per il propulsore alimentato convenzionalmente.
I risultati del modello di prestazioni forniscono un'ottima approssimazione della spinta e dei rendimenti parziali che si sono ritenuti "critici" per le prestazioni, ovvero il rendimento energetico e il rendimento di ionizzazione. In conclusione il modello semiempirico oggetto di questa tesi simula in maniera ragionevole i processi fisici in atto: il modello, applicato al propulsore alimentato a Xenon nei punti operativi della caratterizzazione, evidenzia un errore massimo della spinta (in difetto rispetto al valore sperimentale) inferiore a 3 mN; il modello applicato al propulsore alimentato ad azoto, nei punti operativi della caratterizzazione, mostra un errore massimo di 3.5 mN. Il metodo utilizzato fornisce una stima per difetto dei valori ottenuti sperimentalmente: la discrepanza risulta essere di entità maggiore nei punti operativi caratterizzati da una portata all'anodo più vicina al limite inferiore di densità del plasma, per ogni propellente di cui si è studiato il comportamento.
L'errore massimo che si è commesso con il modello risulta essere di entità comparabile all'errore di misura ottenuto dalla bilancia di spinta (1.5 mN), quindi il modello semplificato è affidabile e capace di simulare in modo efficiente le prestazioni globali, a patto di accettare la validità delle forti semplificazioni adottate sulla fisica del propulsore.
Il propulsore, quando alimentato con propellenti alternativi, ha mostrato prestazioni molto lontane da ciò che può essere definito funzionamento ottimale. Si sono fornite le ragioni fisiche della degradazione delle prestazioni, e la direzione verso la quale è necessario puntare per ottenere un propulsore ottimizzato per propellenti "leggeri" come l'azoto. Per aumentare il rendimento totale del propulsore alimentato ad azoto è necessario rendere più efficiente il processo di ionizzazione, modificando sia la geometria del canale di scarica, sia la topologia e l'intensità del campo magnetico. Mentre il rendimento di ionizzazione tende ad aumentare al crescere della lunghezza della zona di deriva azimutale e del valore del picco del campo magnetico, si è dimostrato che il rendimento energetico mostra una tendenza contraria a causa dell'aumento delle perdite energetiche alle pareti.
Il modello mostra ampi margini di miglioramento, nel caso si opti per ridefinire il modello semplificato come unidimensionale. Per tale obiettivo si rende tuttavia necessario ripetere l'esperimento con l'ausilio di sonde (sonde di Faraday, di Langmuir, RPA e misure ottiche) in grado di misurare i profili assiali delle grandezze microscopiche che caratterizzano il
Capitolo 7 Conclusioni e sviluppi
155 propulsore (temperatura e densità elettronica, profilo del potenziale, specie ioniche nel getto), oltre che alle misure delle caratteristiche globali (caratteristiche elettriche e spinta). Il modello può essere migliorato decidendo di non trascurare gli effetti dell'espansione esterna (ovvero della plume) sulle caratteristiche microscopiche del plasma, mentre il modello prende in considerazione solo gli effetti direzionali dell'espansione.
Un'ulteriore miglioria può essere rappresentata da una modellazione più precisa dei processi che avvengono a seguito delle collisioni tra le specie all'interno della camera di scarica, mentre il modello di questa tesi trascura qualunque interazione tra particelle diversa da urti ionizzanti tra elettroni e neutri. Decidendo di non trascurare le collisioni diverse da quelle neutro-elettrone, si può migliorare il modello estendendolo alle miscele di gas:
durante la transizione del propellente dallo Xenon al propellente alternativo si è notato che anche una piccola percentuale di Xenon tende a migliorare il processo di ionizzazione, e conseguentemente il rendimento totale. Nel caso del propulsore alimentato con la miscela di azoto e ossigeno si è osservata una tendenza contraria alle miscele che contengono Xenon: la presenza di ossigeno causa una degradazione delle prestazioni, mentre la previsione del modello identificherebbe una tendenza contraria. Per estendere il modello alle miscele di gas sarà quindi necessario determinare l'entità degli scambi energetici e di carica tra gli atomi dei diversi propellenti presenti nella miscela. L'aumento delle prestazioni rispetto a quanto predetto dal modello, riscontrato con la presenza di Xenon nella miscela durante la transizione Xenon-azoto, indica una direzione di studio più che valida. Le prestazioni subiscono una diminuzione molto meno accentuata rispetto al caso di propulsore alimentato ad azoto puro, tuttavia è possibile utilizzare portate molto inferiori di Xenon rispetto al valore nominale del propulsore alimentato a Xenon puro. Sviluppare un propulsore che sia ottimizzato per miscele di gas equivale quindi a diminuire di molto i consumi di Xenon, senza però intaccare eccessivamente le prestazioni.
Gli esperimenti eseguiti ad Alta, di cui si è fornita un'interpretazione in questo lavoro di tesi, aprono la strada ad eventuali nuove iniziative il cui scopo finale è la progettazione di un propulsore a effetto Hall ottimizzato per il funzionamento con gas atmosferici, in modo che il propellente possa essere procurato in situ, minimizzando di conseguenza la quantità di propellente da stivare nel veicolo spaziale, quindi il suo peso al momento del lancio.
Uso di propellenti alternativi allo Xenon in propulsori a effetto Hall
156
