MOTIVAZIONI ED OBIETTIVI
2.1 Motivazioni
I liquidi ionici sono una recente classe di sostanze largamente utilizzate nell’industria chimica come solventi, non comportano nessun rischio per l’uomo in quanto la loro pressione di vapore è trascurabile, e quindi non possono essere inalati , sono sostanze non corrosive e facilmente sintetizzabili. Dal punto di vista applicativo la loro particolare struttura chimica, l’elevata massa degli ioni che lo compongono e la loro buona conducibilità elettrica, ha suscitato interesse nel campo della propulsione elettrostatica per impieghi aerospaziali.
Sebbene rispetto ai metalli liquidi sono meno prestanti dal punto di vista propulsivo, sono tante le semplificazioni che ne deriverebbero da un loro utilizzo.
In fig.1 è illustrata l’unità propulsiva del FEEP al cesio, in tutta la sua completezza, concepita per l’applicazione nella missione Lisa Pathfinder.
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Fig. 2.1 Unità propulsiva prevista per la missione Lisa Pathfinder.
Basti pensare che la non reattività dei liquidi ionici in aria eliminerebbe la necessità del meccanismo di apertura (LOM), necessario nel FEEP al cesio, con una conseguente riduzione della complessità dell’unità propulsiva che risulterebbe più leggera e compatta, così come consentirebbe una facilitazione della sperimentazione a terra.
Ad oggi, il sistema di alimentazione concepito per il FEEP al cesio prevede un meccanismo di alimentazione basato sulla capillarità: in particolare, il serbatoio è costituito da due parti, il tank (fig.2.2) che ha la funzione di ospitare il cesio e il pmd
cap (fig.2.2) che ha da una parte la funzione di interfacciare l’emettitore con il tank,
dall’altra di permettere al cesio, per mezzo di una geometria appositamente studiata, di andare a bagnare l’emettitore per capillarità.
Una volta che il serbatoio viene assemblato al resto del motore (dopo essere stato riempito di cesio in vuoto), il cesio rimane isolato dall’unità emettitrice per mezzo di una valvola (burst disc).
Quando è richiesta l’alimentazione, il cesio viene riscaldato e per effetto della dilatazione termica raggiunge una pressione tale da aprire la valvola permettendo al propellente di fluire verso l’emettitore per capillarità (fig.2.3).
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Fig. 2.2 Pmd cap e tank body per il FEEP al cesio
Fig. 2.3 Flusso capillare per il FEEP al cesio.
Sebbene la capillarità presenti sia il grosso vantaggio di non richiedere energia elettrica, sia di essere un sistema autoregolante, ovvero la quantità di propellente che arriva alla fessura è proporzionale al flusso di massa espulso sotto forma di fascio ionico, rimane comunque un sistema non controllabile; a tal proposito la presenza di micro-accelerazioni potrebbe quindi ostacolare o interrompere il flusso di propellente verso l’unità emettitrice.
Un sistema di alimentazione attivo ha quindi il grosso vantaggio di consentire il controllo del flusso di propellente, seppur a discapito di una richiesta di energia elettrica. Tuttavia, considerando i valori decisamene bassi della massa espulsa sotto forma di fascio ionico relativamente al FEEP a liquidi ionici, che in base alle ultime attività sperimentali tenutesi presso il laboratorio di micropropulsione di Alta SpA si aggira intorno ai , ci si aspetta un consumo di energia elettrica altrettanto basso.
Tenendo comunque presente lo scopo principale su cui poggia la nuova concezione del sistema FEEP a liquidi ionici, ovvero una maggiore semplicità e compattezza, appare evidente come tale debba essere il sistema di alimentazione del propellente. Un aspetto fondamentale da analizzare derivante dalla scelta di un sistema di alimentazione attivo sono le conseguenze di un accumulo di liquido lungo la fessura
burst disc
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di emissione per effetto della non coincidenza del flusso emesso sottoforma di fascio ionico e quello che dal serbatoio arriva alla fessura e governato dall’impedenza idrodinamica del sistema. Ipotizzando questa condizione, il menisco sulla fessura di emissione sarebbe soggetto ad un aumento di pressione che ovviamente andrà ad influire sull’emissione del fascio ionico; la condizione più disastrosa corrisponde ad una fuoriuscita di propellente non controllata. Per questi motivi è doveroso indagare quali sono i limiti di pressione che il menisco riesce a sopportare prima che si verifichi una fuoriuscita di liquido.
2.2 Obiettivi
L’obiettivo di fondo di questo lavoro è quello di indagare la funzionalità di un nuovo sistema di pompaggio del propellente, in particolare la pompa magnetoidrodinamica, in vista delle semplificazioni che l’uso dei liquidi ionici come propellenti alternativi ai metalli liquidi porterebbe all’unità propulsiva del sistema FEEP. In particolare, il liquido ionico testato è l’EMI-BF4 che ad oggi rappresenta il compromesso migliore
(tra i liquidi ionici) dal punto di vista propulsivo.
Trattandosi di un sistema mai utilizzato in quest’ambito sono tante le problematiche da affrontare sia dal punto di vista delle prestazioni e dei consumi di potenza elettrica che da quello dell’integrabilità con gli altri sottosistemi. Questo lavoro però, non cura tanto l’aspetto sistemistico, bensì si concentra sulle prestazioni in termini di salto di pressione o portata di massa che questo meccanismo di pompaggio può offrire in funzione di quelli che sono i parametri dai quali dipende la richiesta di potenza elettrica e le dimensioni del sistema.
In particolare, gli obiettivi di questo lavoro si possono riassumere nei seguenti punti:
Analisi del problema, in cui si affronta un percorso di apprendimento della teoria della magnetoidrodinamica con lo scopo di ottenere le equazioni base da utilizzare nelle fasi successivi.
Prove preliminari di corrente. Questi test hanno lo scopo di fornire valori non ottenibili semplicemente da un analisi teorica del problema. Infatti, come si vedrà, si tratta di fenomeni di natura elettrochimica molto complessi in cui entra in gioco anche la dipendenza dal materiale dell’elettrodo.
Dimensionamento e realizzazione della componentistica e della circuiteria elettrica. L’obiettivo è quello di arrivare ad una configurazione che permetta una misura semplice ed efficace del salto di pressione offerto dalla pompa magnetoidrodinamica; il criterio adottato per il dimensionamento si fonda
19 sull’esigenza di rendere apprezzabili gli effetti del pompaggio (da confrontare in seguito con i risultati ottenuti dal modello sviluppato) utilizzando componenti e materiali disponibili nei laboratori di Alta SpA con vincoli di budget e senza coinvolgere lavorazioni esterne.
Test con il dispositivo. Si giunge in questo modo all’obbiettivo principale, ovvero testare la pompa magnetoidrodinamica utilizzando l’EMI-BF4 e fare
un confronto tra i valori ottenuti sperimentalmente e quelli teorici.
Sebbene l’attività svolta è nata dall’esigenza di sperimentare un nuovo meccanismo di alimentazione nei confronti dei liquidi ionici, la maggioranza delle argomentazioni affrontate prescindono il tipo di liquido utilizzato; di conseguenza nulla vieta di poter applicare alcuni risultati (soprattutto teorici) ottenuti durante questo lavoro ad un metallo liquido come il cesio.
In parallelo allo sviluppo della pompa magnetoidrodinamica, si è intrapresa un’attività sperimentale finalizzata ad indagare su una delle conseguenze basilari all’utilizzo di un sistema di alimentazione di tipo attivo, ovvero l’accumulo di propellente che potrebbe verificarsi in corrispondenza della fessura di emissione per la non coincidenza tra il flusso emesso sotto forma di fascio ionico (governato dalla formazione del cono di Taylor) e il flusso di propellente che arriva all’emettitore e governato dall’impedenza idrodinamica del sistema. Lo scopo di questo test è quello di ottenere il valore limite di pressione a cui corrisponde una fuoriuscita di propellente.
