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CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI
10.1 Conclusioni
Nel corso di questa tesi si è svolta una caratterizzazione del motore ad effetto Hall da 95 W progettato a Centrospazio, che ha permesso di approfondire alcune problematiche che già erano previste in sede progettuale e di individuarne altre note a seguito della campagna sperimentale dovute al carattere prototipico del propulsore.
Nella prima parte è stata svolta una dettagliata analisi delle prestazioni del motore. Questo lavoro ha permesso di inquadrare bene gli intervalli di funzionamento in cui ci si aspettava che il propulsore funzionasse. Oltre a questi dati, ricavati tramite equazioni di carattere semi-empirico, sono state svolte simulazioni, tramite software specializzati realizzati presso Centrospazio, che prevedessero il comportamento degli ioni in uscita dal propulsore, in modo da avere una caratterizzazione della forma del fascio e da prevedere la spinta generata.
In seguito è stata preparata la procedura d’accensione e la pianificazione delle prove per organizzare la campagna sperimentale in modo da essere in grado di ottenere dati non ripetitivi ed andare ad indagare ogni punto dell’intervallo di funzionamento del propulsore. In questo modo è inoltre possibile avere una chiara idea del tempo previsto per le prove in modo da ottimizzare l’uso delle risorse.
A causa del progetto compatto del propulsore, sono stati utilizzati pezzi di dimensioni ridotte che hanno molteplici funzioni spesso in contrasto tra loro. Per questo motivo la realizzazione del motore ha comportato la necessità di isolare la camera di distribuzione del propellente dal passante elettrico, poiché vi era il rischio che, a causa delle pressioni che si raggiungono, si producesse una scarica elettrica che avrebbe impedito il funzionamento del motore. La base, infatti, deve essere in
Caratterizzazione preliminare di un prototipo di propulsore ad effetto Hall da 100W
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materiale ferromagnetico per chiudere il circuito magnetico e per permettere di brasarci il passante elettrico, mentre, nello stesso tempo deve essere anche parete della camera di distribuzione del propellente.
La campagna sperimentale svolta ha rilevato, proprio nel passante elettrico, un punto debole, poiché lì si è avuta la formazione della scarica elettrica all’interno della camera di distribuzione del propellente, che ne ha impedito il funzionamento: la scarica, infatti, è andata ad attaccarsi sui fori d’adduzione dello xeno danneggiando lo strato isolante e lo spinotto femmina brasato sull’anodo. Tra quest’ultimo pezzo e l’anodo si è anche verificata l’esistenza di un contatto elettrico poco efficiente che ha aumentato la resistenza nella zona in questione. Si è verificata anche una resistenza sull’anodo ulteriore dovuta ai residui di brasatura sulla sua superficie. La somma di questi due effetti può aver pesato negativamente anche sulla capacità dell’anodo di raccogliere gli elettroni.
L’accensione del motore si è in ogni caso avuta a seguito delle riparazioni e alle migliorie svolte nella zona in questione. Questa, però, è avvenuta a potenze molte basse ed ha posto dubbi sull’effettiva efficacia del catodo ad effetto termoionico come sorgente di elettroni sufficienti ad innescare la scarica di plasma a livelli d’auto-sostentazione.
Successivamente a questa prova si è scelto di operare una caratterizzazione elettrica del catodo per vedere quali correnti sia in grado di fornire. Parallelamente a questa attività sperimentale è stata preparata un’analisi delle prestazioni del catodo con cui confrontare i dati. I risultati ottenuti hanno evidenziato che la causa della bassa corrente può essere stata la contaminazione della superficie emettitrice da parte di molecole estranee che ne hanno impedito il corretto funzionamento. Un’altra causa può essere stata anche la resistenza sull’anodo che gli ha impedito di raccogliere correttamente gli elettroni messi a disposizione dal catodo.
A seguito di queste prove è stato deciso di provare l’XHT-100 con un catodo cavo di produzione della Alenia-Spazio/ Proel. Queste prove hanno visto l’accensione del motore e la raccolta di alcuni dati sperimentali con cui valutare le prestazioni del motore anche se i parametri di funzionamento non si trovavano nell’intervallo operativo di progetto. Questi esperimenti hanno anche evidenziato che il motore si è acceso solo a potenze molto alte, che è imputabile alle zone dell’anodo dove i residui di brasatura hanno aumentato localmente i valori di resistenza ed al contatto elettrico poco efficiente tra anodo e spinotto brasato sulla camera. Hanno anche mostrato, però, come i valori di efficienza di funzionamento siano molto buoni nonostante il carattere prototipico.
Capitolo 10 – Conclusioni e sviluppi futuri 153
In seguito è stato svolto uno studio volto ad individuare attrezzature adatte a completare i dati sperimentali: si è quindi impostato un progetto preliminare sia per un’attrezzatura per la misura del campo magnetico, onde valutare il decadimento delle prestazioni dei magneti permanenti, sia per una bilancia di spinta con cui compiere valutazioni sperimentali delle prestazioni del motore.
10.2 Sviluppi futuri
L’accensione del motore ed i parametri prestazionali hanno evidenziato come sia possibile sviluppare un motore Hall di bassa potenza che possa funzionare correttamente. La campagna sperimentale, però, ha anche rilevato alcune tematiche da approfondire.
Per prima cosa sarebbe opportuno prevedere un ridisegno del contatto elettrico all’interno della camera di distribuzione del propellente per evitare che occorrano problemi di scarica elettrica all’interno di essa e per migliorare il contatto elettrico con l’anodo. Su quest’ultimo elemento sarebbe inoltre opportuno cercare di ripristinare l’uniformità della superficie eliminando i residui di brasatura.
Sarebbe opportuno ripetere le prove con il catodo cavo in una camera più grande per evitare interferenze del plasma con le pareti, con un vuoto più spinto e dotata di un’interfaccia che permetta anche il cablaggio delle termocoppie, oltre che una diagnostica più efficiente per avere misurazioni più precise e dati sulla spettrometria dello scarico e della forma del fascio.
Sarebbe inoltre utile approfondire lo studio sui catodi ad effetto termoionico a causa dei vantaggi in semplicità, ingombri e masse che possono portare.
Sarebbe preventivabile la definizione finale del progetto dell’attrezzatura per la misurazione del campo magnetico ed il montaggio sul propulsore degli elettro-magneti: in questo modo si potrebbe sia valutare il deterioramento dei magneti permanenti, sia modificare il campo in base a fattori di degrado e a fattori prestazionali.
Per avere misure prestazionali più efficienti sarebbe necessario portare a termine gli studi sulla bilancia di spinta e costruirla per effettuare una caratterizzazione completa del comportamento del propulsore.
