IV
INDICE
ELENCO DELLE FIGURE ... VI ELENCO DELLE TABELLE ... X
CAPITOLO 1 - LA PROPULSIONE ELETTRICA ... 1
1.1 INTRODUZIONE ... 1
1.2 TIPOLOGIE DI PROPULSORI ELETTRICI ... 1
1.2.1 Propulsori elettrotermici ... 4
1.2.2 Propulsori elettrostatici ... 6
1.2.3 Propulsori elettromagnetici ... 8
1.3 IL FUNZIONAMENTO DEL MOTORE AD EFFETTO HALL ... 12
1.4 SCOPI ED OBBIETTIVI DELLA TESI ... 14
1.4.1 Suddivisione del lavoro ... 15
CAPITOLO 2 - METODI DI SCALATURA ... 17
2.1 SCALATURA DEI PROPULSORI ... 17
2.1.1 Strategie di scalatura ... 18
2.2 PARAMETRI FONDAMENTALI DI UN HET ... 19
2.2.1 Rendimento di un motore ad effetto Hall... 20
2.2.2 Ionizzazione, diffusione, accelerazione ... 22
2.2.3 Interazioni con la parete e fattori di perdita ... 27
2.2.4 Vita stimata e carichi termici ... 32
2.2.5 Il propulsore di riferimento ... 33
2.3 MATRICE DI SCALATURA ... 36
2.3.1 Algebra di scalatura ... 36
2.3.2 Relazioni di scalatura ... 38
2.3.3 La matrice di scalatura ... 40
CAPITOLO 3 - APPLICAZIONE DEL METODO DI SCALATURA ... 51
3.1 DIMENSIONAMENTO DEL PROPULSORE ... 51
3.1.1 - Strategie di progettazione ... 52
3.1.2 - Applicazione dell’algebra di scalatura ... 52
3.2 SCALATURA RISPETTO ALLA SPINTA ... 54
3.2.1 - Variazione simultanea di due parametri ... 58
3.3 CONFRONTO DEI RISULTATI ... 64
CAPITOLO 4 - COMPONENTI DISPONIBILI ... 67
4.1 ELEMENTI GIÀ COSTRUITI ... 67
4.1.1 - Canale di Accelerazione... 68
4.1.2 - Supporti avvolgimenti e cavi ... 70
4.2 ALTRI ELEMENTI GIÀ PROGETTATI ... 71
4.2.1 - Anodo ... 71
4.2.2 - Catodo neutralizzatore ... 73
CAPITOLO 5 - ANALISI MAGNETICA ... 79
5.1 INFLUENZA DEL CAMPO MAGNETICO ... 79
5.1.1 Requisiti per il campo magnetico ... 79
V
5.2 MATERIALI FERROMAGNETICI ... 82
5.2.1 Saturazione e influenza della temperatura per i materiali ferromagnetici .. 84
5.3 - DISEGNO DEL CIRCUITO MAGNETICO ... 86
5.3.2 Materiale per il circuito magnetico ... 93
5.4 ANALISI E OTTIMIZZAZIONE ... 94
5.4.1 Software per l’analisi ... 94
5.4.2 Schematizzazione degli avvolgimenti ... 95
5.4.3 Analisi della configurazione di base ... 97
5.4.4 Effetto della variazione dello spessore degli schermi magnetici ... 100
5.4.5 Effetto della variazione della lunghezza degli schermi magnetici ... 104
5.4.6 Effetto della variazione dello spessore e della distanza delle espansioni polari ... 106
5.4.7 Effetto della variazione della posizione della bobina interna ... 109
5.4.8 Effetto della variazione delle correnti che circolano negli avvolgimenti .. 111
5.4.9 Configurazione finale ... 112
5.4.10 Nota sulla dimensione delle “finestre” presenti nei poli magnetici ... 113
CAPITOLO 6 - ANALISI TERMICA ... 115
6.1 INTRODUZIONE ... 115
6.1.1 Il problema termico nei motori a effetto Hall ... 115
6.2 MODELLO PER LA CONDUZIONE DEL CALORE ... 116
6.2.1 Stima dei carichi termici... 116
6.2.2 Distribuzione della potenza termica sulle pareti del canale ... 118
6.2.3 Condizioni al contorno ... 120
6.2.4 Requisiti da soddisfare e caratteristiche dei materiali ... 121
6.2.4 Programma di simulazione ... 121
6.3 SIMULAZIONI EFFETTUATE ... 122
6.3.1 Caso senza supporto ... 123
6.3.2 Caso con supporto posteriore ... 127
6.4 ANALISI DEI RISULTATI ... 130
CAPITOLO 7 - CONFIGURAZIONE FINALE ... 133
CONCLUSIONI ... 137
POSSIBILI SVILUPPI FUTURI ... 138
BIBLIOGRAFIA ... 141
RINGRAZIAMENTI ... 145
VI
ELENCO DELLE FIGURE
Figura 1.1 - Confronto tra le prestazioni delle tecnologie propulsive ... 2
Figura 1.2 - Impulso specifico ottimale per un propulsore elettrico ... 3
Figura 1.3 - Sezione di un resistogetto ad idrazina ... 5
Figura 1.4 - Principio di funzionamento di un arcogetto ... 5
Figura 1.5 - Schema del funzionamento di un motore a ioni ... 6
Figura 1.6 - Schema di un propulsore FEEP ... 8
Figura 1.7 - Schema di un propulsore a bombardamento elettronico ... 8
Figura 1.8 - Schema di funzionamento dei propulsori elettromagnetici ... 9
Figura 1.9 - Schema della linea PFN ... 10
Figura 1.10 - Schema di un motore MPD ... 11
Figura 1.11 - Schema di un motore ad effetto Hall SPT ... 11
Figura 1.12 - Schema di un motore ad effetto Hall TAL ... 12
Figura 1.13 - Schema di funzionamento di un motore ad effetto Hall ... 13
Figura 1.14 - Rappresentazione del motore ad effetto Hall multicanale [5] ... 15
Figura 2.1 - Confronto fra le zone del canale di accelerazione ... 23
Figura 2.2 - Schema delle collisioni tra particelle ... 24
Figura 2.3 - Distribuzione potenziale in prossimità di una parete ... 27
Figura 2.4 - Distribuzione particelle in prossimità di una parete ... 28
Figura 2.5 - Andamento tipico della curva di produzione degli elettroni secondari ... 29
Figura 2.6 - Propulsore SPT-100 ... 34
Figura 3.1 - Variazione della spinta al variare del campo magnetico ... 55
Figura 3.2 - Variazione dell’impulso specifico al variare del campo magnetico ... 55
Figura 3.3 - Variazione della lunghezza del canale al variare del campo magnetico ... 56
Figura 3.4 - Variazione delle frazioni di lunghezza al variare del campo magnetico .... 56
Figura 3.5 - Variazione dei termini di perdita al variare del campo magnetico ... 57
Figura 3.6 - Variazione del rendimento al variare del campo magnetico ... 57
Figura 3.7 - Variazione della spinta... 59
Figura 3.8 - Variazione dell’impulso specifico ... 59
Figura 3.9 - Variazione della lunghezza del canale ... 60
Figura 3.10 - Variazione della frazione di lunghezza di diffusione ... 60
Figura 3.11 - Variazione della frazione di lunghezza di accelerazione ... 61
Figura 3.12 - Variazione del rendimento ... 61
VII
Figura 4.1 - Componenti disponibili ... 67
Figura 4.2 - Canale di accelerazione ... 68
Figura 4.3 - Sezione del canale di accelerazione ... 68
Figura 4.4 - I canali di accelerazione del modello multicanale ... 69
Figura 4.5 - Posizione supporti nel propulsore multicanale ... 70
Figura 4.6 - Supporti degli avvolgimenti... 71
Figura 4.7 - Anodo HT- 400 riadattato ... 73
Figura 4.8 - Schema costruttivo del catodo ... 74
Figura 4.9 - Schema costruttivo del catodo (zona d’uscita) ... 75
Figura 4.10 - Schema della corrente di riflusso degli ioni... 76
Figura 4.11 - Schema interno del catodo [20] ... 78
Figura 4.12 - Il catodo neutralizzatore... 78
Figura 5.1 - Topologia ottimale delle linee di campo magnetico ... 82
Figura 5.2 - Andamento qualitativo della permeabilità magnetica per materiali ... 83
Figura 5.3 - Schema di base di circuito magnetico... 84
Figura 5.4 - Orientamento dei domini magnetici ... 84
Figura 5.5 - Ciclo di isteresi per i materiali ferromagnetici ... 85
Figura 5.6 - Schema di un tipico circuito magnetico ... 87
Figura 5.7 - Poli del circuito magnetico ... 88
Figura 5.8 - Polo con spessore costante ... 88
Figura 5.9 - Polo con “orecchio” ... 88
Figura 5.10 - Polo ed espansione (esterni) come unico componente ... 89
Figura 5.11 - Polo ed espansione (esterni) come componenti separati ... 90
Figura 5.12 - Schermo magnetico costituito da due pezzi ... 91
Figura 5.13 - Schermo magnetico come pezzo unico ... 91
Figura 5.14 - Schermo magnetico interno nel propulsore ... 91
Figura 5.15 - Posizione dello schermo magnetico nel propulsore ... 92
Figura 5.16 - Sezione della piastra di base ... 92
Figura 5.17 - Configurazione iniziale del circuito magnetico ... 93
Figura 5.18 - Curva B-H relativa al ferro ARMCO ... 95
Figura 5.19 - Geometria avvolgimenti realistica e semplificata ... 96
Figura 5.20 - Sezione propulsore nel software FEMM ... 97
Figura 5.21 - Sezione con poli magnetici modificati... 98
Figura 5.22 - Analisi magnetica configurazione di base ... 99
Figura 5.23 - Andamento del campo magnetico radiale ... 100
Figura 5.24 - Effetto della variazione dello spessore degli schemi magnetici ... 101
VIII
Figura 5.25 - Andamento del campo magnetico radiale (variazione spessore schermi)
... 102
Figura 5.26 - Effetto dell’aumento dello spessore dello schermo interno ... 103
Figura 5.27 - Effetto dello spostamento dello schermo interno ... 104
Figura 5.28 - Effetto della diminuzione della lunghezza dello schermo esterno ... 105
Figura 5.29 - Effetto della diminuzione della lunghezza dello schermo interno ... 105
Figura 5.30 - Effetto della diminuzione della lunghezza degli schermi ... 106
Figura 5.31 - Modifica spessore espansioni polari ... 107
Figura 5.32 - Modifica spessore espansioni polari (scalino) ... 107
Figura 5.33 - Effetto della variazione delle geometria delle espansioni ... 108
Figura 5.34 - Effetto dell’aumento della distanza delle espansioni polari dal canale ceramico... 109
Figura 5.35 - Effetto della variazione della posizione della bobina interna ... 110
Figura 5.36 - Effetto della variazione della posizione della bobina interna (linee di campo) ... 110
Figura 5.37 - Variazione geometria basamento ... 111
Figura 5.38 - Effetto della variazione delle correnti negli avvolgimenti ... 112
Figura 5.39 - Configurazione finale del circuito magnetico ... 113
Figura 6.1 - Andamento della densità di potenza rilasciata alle pareti (PPS-1350) ... 119
Figura 6.2 - Andamento semplificato della densità di potenza rilasciata alle pareti .... 119
Figura 6.3 - Andamento della temperatura nella configurazione più conservativa ... 123
Figura 6.4 - Andamento delle dei flussi termici nella configurazione più conservativa ... 124
Figura 6.5 - Andamento delle temperature senza il contributo delle bobine ... 125
Figura 6.6 - Andamento delle temperature ... 125
Figura 6.7 - Presenza “finestre” nei poli del circuito magnetico ... 126
Figura 6.8 - Andamento delle temperature senza il contributo delle bobine ... 127
Figura 6.9 - Configurazione con supporto posteriore ... 128
Figura 6.10 - Andamento delle temperature nella configurazione con supporto posteriore ... 129
Figura 6.11 - Andamento dei flussi termici nella configurazione con supporto posteriore ... 129
Figura 6.12 - Andamento delle temperature nella configurazione con supporto posteriore (ingrandimento) ... 130
Figura 7.1 - Modello del propulsore ... 133
Figura 7.2 - Vista in sezione del propulsore (misure in mm) ... 134
X
ELENCO DELLE TABELLE
Tabella 2.1 - Dati sull’emissione degli elettroni secondari per alcuni materiali ... 30
Tabella 2.2 - Scelta della prima variabile ... 41
Tabella 2.3 - Scelta della seconda variabile ... 43
Tabella 2.4 - Matrici A,V,N ... 46
Tabella 2.7 - Matrice di scalatura ... 47
Tabella 3.1 - Parametri indipendenti dal campo magnetico ... 62
Tabella 3.2 - Risultati scalatura con uno o due parametri variabili ... 63
Tabella 3.3 - Confronto con valori ricavati dal database: motore P5 ... 64
Tabella 3.4 - Confronto col motore SPT-200 ... 65
Tabella 3.5 - Confronto col motore TM-50 ... 65
Tabella 3.6 - Confronto col motore D-100 ... 66
Tabella 4.1 - Composizione del Nitruro di Boro grado M e M 26 ... 69
Tabella 4.1 - Materiali del catodo ... 77
Tabella 4.2 - Parametri di funzionamento del catodo ... 77
Tabella 4.3 - Dimensioni del catodo ... 77
Tabella 6.1 - Potenza termica generata per effetto Joule negli avvolgimenti... 117
Tabella 6.2 - Potenze termiche dissipate ... 117
Tabella 6.3 - Caratteristiche termiche dei materiali utilizzati ... 121
Tabella 7.1 - Pesi dei vari componenti del propulsore ... 134
Tabella 7.2 - Pesi dei vari componenti del circuito magnetico ... 135
Tabella 7.3 - Pesi di alcuni motori della stessa classe ... 135
