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8
8
8
8 EFFETTI DEI MODI DI NEUTRALIZZAZIONE
SUL FASCIO
8.1 Introduzione
Nel presente capitolo si intende studiare il comportamento dei motori, fun-zionanti simultaneamente, in condizioni operative particolari per quanto ri-guarda la neutralizzazione del fascio. Quest’ultima può effettuarsi secondo differenti modalità, tra cui:
I. Neutralizzazione “a comune”. Entrambi i motori funzionano
con un singolo neutralizzatore.
II. Neutralizzazione “accoppiata”. Entrambi (o il singolo) i
moto-ri (motore) funzionano con i due neutralizzatomoto-ri connessi elet-tricamente.
III. Neutralizzazione “incrociata”. Ogni motore è acceso e
fun-ziona con il neutralizzatore dell’altro motore.
Tale studio ha l’obiettivo di approfondire le conoscenze sugli effetti prodotti da diverse modalità di neutralizzazione del fascio sulle prestazioni dei pro-pulsori.
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8.2 Effetti della neutralizzazione sulla forma del getto.
Nella sequenza fotografica seguente, si fornisce una testimonianza visiva degli effetti principali delle varie modalità di neutralizzazione di cui si è fat-to uso nel corso della campagna sperimentale.
a)
b) c)
d) e)
Fig. 8-1. Studio della neutralizzazione: (a) motori T01 e T02 indipendenti, (b) neutralizzazione a comune (T01 e T02 neutralizzati da K1 ), (c) neutralizza-zione accoppiata con due motori (T01 e T02 neutralizzati da K1 e K2 connessi
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insieme), (d) motore singolo con neutralizzazione accoppiata (T01 neutralizza-to da K1 e K2 connessi insieme), (e) neutralizzazione incrociata (T02 neutra-lizzato da K1).
In Fig. 8-1(a) è visualizzata la condizione nominale di funzionamento: i mo-tori T01 e T02 sono funzionanti simultaneamente e sono elettricamente flot-tanti tra di loro.
Il caso di Fig. 8-1(b) invece è relativo alla neutralizzazione a comune, ovvero soltanto il catodo (K1) del motore T01 è funzionante, mentre en-trambi i motori sono operativi. Si vede che il fascio del motore T01 subisce un aumento della divergenza, tendendo così verso il funzionamento in mo-dalità diffusa.
La neutralizzazione accoppiata è osservabile in Fig. 8-1(c): come era da attendersi, uno dei due neutralizzatori ha ridotto la sua emissione fino all’estinzione, mentre il catodo dominante ha prodotto la neutralizzazione per entrambe le unità. Allo stesso tempo l’emettitore del catodo “recessivo” ha continuato a raccogliere parte della corrente elettronica formando un fa-scio luminoso vicino al motore.
Questo modo di funzionamento anomalo è equivalente a quello del motore (T01) che funziona con due neutralizzatori connessi elettricamente, si veda la Fig. 8-1(d). In questo caso la neutralizzazione del fascio del moto-re T01 risulta effettuata da entrambi i catodi, tuttavia, in perfetta analogia con quanto osservato in Fig. 8-1(c), solo uno dei due, quello dominante, ri-sulta effettivamente operativo. Si nota, altresì, che facendo funzionare un motore con due neutralizzatori, quello recessivo, appartiene all’unità pro-pulsiva funzionante, mentre la corrente è prodotta dall’altro.
In Fig. 8-1(d), infine, si può vedere un esempio di neutralizzazione in-crociata, il motore T02 è neutralizzato dal catodo K1 del motore T01. In questo caso, come si vedrà a breve si produce una forte distorsione del fa-scio, con conseguenze negative sulle prestazioni.
8.3 Effetti delle varie modalità di neutralizzazione sulla
di-stribuzione di densità di corrente.
Si cerca adesso di affrontare il problema da un punto di vista più quantitati-vo, esaminando per i vari casi, i grafici relativi alla distribuzione di densità di corrente.
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8.3.1 Neutralizzazione a comune.
Nella Fig. 8-2, si confrontano gli andamenti di distribuzione di densità di corrente relativi ai casi di motori separati e con neutralizzazione a comune. Come si vede le due distribuzioni presentano delle differenze: nel caso di neutralizzazione a comune si ha un picco più basso e un appiattimento della curva. Le cause sono da ricercare soprattutto nel cambiamento dell’orientazione dei fasci e nell’aumento della divergenza per il motore che funziona senza neutralizzatore. Quest’ultimo, infatti, nelle suddette condi-zioni, è caratterizzato da una modalità mista tra quella concentrata e quella diffusa
Fig. 8-2. Andamenti di densità di corrente a confronto: motori separati Vs mo-tori con neutralizzazione a comune (K1). Condizioni operative: AMFR = 0.5mg/s, Vd = 300 V, per entrambi i motori.
Motori separati Neutr.a comune
197
8.3.2 Neutralizzazione accoppiata.
In Fig. 8-3, si può osservare il confronto tra distribuzione di densità di cor-rente per i casi di motori in parallelo separati e motori in parallelo con i ca-todi che funzionano con l’emettitore a comune (neutralizzazione accoppia-ta). Le differenze che si riscontrano sembrano essere piccole e, sono da at-tribuirsi principalmente ad un cambiamento nell’orientazione del picco e ad un allargamento del fascio.
Fig. 8-3. Andamenti di densità di corrente a confronto: motori separati Vs mo-tori con i catodi K1+K2 con emettitore a comune. Condizioni operative: AMFR = 0.5 mg/s, Vd = 300 V, per entrambi i motori.
Inoltre, nelle Fig. 8-4, Fig. 8-5 si hanno invece il motore T01, operativo con il proprio catodo (K1) e, il motore T01 operativo con entrambi i catodi (K1+K2), ciò che costituisce ancora un caso di neutralizzazione accoppiata. Si notano soltanto piccole diversità, che evidenziano un lieve incremento di divergenza. Appare opportuno sottolineare anche, che le distribuzioni di densità di corrente delle figure in questione, si riferiscono a misurazioni
ef-Motori separati
Emettitore a comune
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fettuate in periodi temporali diversi (con oltre 70 ore di sparo cumulate in più per il caso di Fig. 8-5). Per questo motivo, nonostante le condizioni ope-rative siano le stesse, si è preferito rappresentarle in grafici distinti. Inoltre si tenga presente che quanto riportato in Fig. 8-5, si riferisce a dati sperimenta-li ottenuti dopo la sostituzione del catodo (K1) che come già notato in pre-cedenza, ha prodotto delle discontinuità nelle grandezze d’interesse.
Fig. 8-4. Andamenti di densità di corrente a confronto: motore T01 con K1 Vs motore T01 con K1+K2. Condizioni operative: AMFR = 0.5 mg/s e Vd = 300 V.
T01 con K1+K2 T01 con K1
199
Fig. 8-5. Andamenti di densità di corrente a confronto: motore T01 con K1 Vs motore T01 con K1+K2. Condizioni operative: AMFR = 0.5 mg/s e Vd = 300 V.
In Fig. 8-6, si riporta su scala ingrandita un confronto tra i due casi sopra ci-tati per la sola condizione di funzionamento nominale ( Vd=300 V e AMFR=0.5 mg/s ). Si vede che il profilo delle distribuzioni, per le due si-tuazioni risulta abbastanza dissimile: in particolare dalla curva 2, relativa al caso di Fig. 8-5, si osserva che il picco del fascio ha una forma caratteristica ad “U”. Tale osservazione fa supporre che il fascio sia focalizzato ad una di-stanza maggiore dalla sonda centrale rispetto alla curva 1 ( per cui il fascio è invece focalizzato circa in corrispondenza delle sonda centrale ). Le ragioni di questo comportamento potrebbero essere imputate all’erosione subita dal-la camera d’accelerazione del motore1, la quale, nonostante non abbia pro-dotto variazioni apprezzabili nelle grandezze calcolate (si veda ad esempio che gli integrali delle curve non sono molto diversi quindi le correnti totali per i due casi hanno valori vicini tra di loro, si vedano inoltre i risultati della prova sulla durata riportati nel capitolo 7), ha determinato una differenza piuttosto marcata nella focalizzazione del fascio.
1 Visto anche che la misurazione relativa alla curva 2 è avvenuta dopo che il motore T01 aveva accumulato oltre 70 ore di sparo in più rispetto al caso della curva 1.
T01 con K1 T01 con K1+K2
200
Oltre a ciò, come si è detto, è avvenuta la sostituzione del catodo tra le due misurazioni. Entrambe le motivazioni possono rendere conto delle differen-ze riscontrate nelle Fig. 8-4, Fig. 8-5 e giustificare la scelta di una rappre-sentazione separata dei due casi benché le condizioni operative siano le stes-se.
Fig. 8-6.Andamenti di densità di corrente a confronto: condizioni nominali per T01 con Vd=300 V, AMFR = 0.5 mg/s.
Nel caso del motore T02 che funziona con entrambi i catodi, l’aumento di divergenza risulta leggermente più marcato, si veda a tal riguardo la Fig. 8-7. Nell’analisi di questa figura, si deve anche tener presente che la diffe-renza nei picchi della distribuzione di densità di corrente, potrebbe essere imputabile ad una lieve variazione della direzione del vettore di spinta. Il numero di sonde impiegate nella sperimentazione non permette di determi-nare deboli disallineamenti con precisione, per cui anche se, numericamente la differenza di disallineamento risulta non apprezzabile, potrebbe comun-que essere sufficiente a produrre una tale situazione.
Curva 2 Curva 1
201
Fig. 8-7. Andamenti di densità di corrente a confronto: motore T02 con K2 Vs motore T02 con K1+K2. Condizioni operative: AMFR = 0.5 mg/s e Vd = 300 V.
8.3.3 Neutralizzazione incrociata.
Il caso di neutralizzazione incrociata, vedere Fig. 8-8, presenta un fascio di forma nettamente diversa da quello normale, si noti infatti che il motore T01 funziona in modalità diffusa. Questo comportamento si presenta anche nel caso di motore T02 funzionante con il catodo del motore T01, vedere Fig. 8-9. Gli effetti di questo tipo di neutralizzazione si riscontrano nettamente anche sulle prestazioni, ad esempio, la spinta, per entrambi i motori, subisce riduzioni dell’ordine del 25%-30%.
T02 con K2
202
Fig. 8-8. Andamenti di densità di corrente a confronto: motore T01 con K1 Vs motore T01 con K2. Condizioni operative: AMFR = 0.5 mg/s e Vd = 350 V.
Fig. 8-9. Andamenti di densità di corrente a confronto: motore T02 con K2 Vs motore T02 con K1. Condizioni operative: AMFR = 0.5 mg/s e Vd = 300 V.
T01 con K2
T01 con K1
T02 con K2 T02 con K1
203 Nella Tab. 8-1, si riassumono i principali effetti della neutralizzazione sulle caratteristiche operative del propulsore. Oltre a quanto esposto nelle pagine precedenti si aggiungono informazioni sulla spinta, sulla corrente di scarica Id, e sul potenziale di riferimento del catodo CRP. Come si può notare, gli effetti maggiori sulle prestazioni sono prodotti dalla neutralizzazione incro-ciata, caratterizzata da riduzioni nella spinta dell’ordine del 30% e da un notevole aumento nella divergenza del fascio. Nei casi di neutralizzazione a comune ed accoppiata i valori di spinta non subiscono variazioni significati-ve rispetto alle condizioni di funzionamento nominale; differenze legger-mente più marcate si hanno nella distribuzione di densità di corrente per il caso di neutralizzazione a comune, per effetto delle variazioni nell’ orienta-zione dei picchi.
Tab. 8-1. Effetti dei differenti modi di neutralizzazione.
Neutralizzazione Comune Accoppiata Incrociata Configurazione T01+T02 con K1 S: T01,T02 con K1+K2 D: T01+T02 con K1+K2 T01 con K2 and T02 con K1 Spinta
Più alta della somma dei singoli motori.
Paragonabile per motori in parallelo all’interno della tolleranza di misu-ra.
S All’interno della tolle-ranza per T01.
In entrambi I casi la spinta diminuisce del 25%÷30%.
D All’interno della tolle-ranza per motori in pa-rallelo separati. Id Valore nominale per T01 10% più bassa per T02.
S Non influenzata. In entrambi i casi la corrente diminuisce del 17%÷19%.
D 10% più bassa per T01 10% più alta per T02. CRP
Tra -20 V e -27 V. Intermedio tra –Vkeeper1 e
-Vkeeper2
S Simile a –Vkeeper1 Non influenzato in
modo apprezzabile. D Simile a –Vkeeper2
Distribuzione
Grandi differenze nella distribuzione di densità di corrente, dovute a cambiamenti
nell’orientazione dei pic-chi e nell’allargamento del fascio del motore senza neutralizzatore o-perante tra la modalità diffusa e concentrata (Fig. 8-2).
S
Fascio leggermente più largo per T01 (Fig. 8-4, Fig. 8-5), diffe-renze più marcate per
T02 (Fig. 8-7). Il motore funziona nel-la modalità diffusa in-vece che nella modali-tà concentrata (Fig. 8-8, Fig. 8-9). D
Differenzekapprezzabili nella distribuzione della densitàkkkdikkcorrente probabilmentekakcausa dikkcambiamentiknella orientazioneikkkkkkdei picchi (Fig. 8-3). kkkkkkkk
204
8.4 Effetti delle diverse modalità di neutralizzazione al
va-riare delle condizioni operative.
A completamento di questo capitolo si prendono in considerazione due ulte-riori casi di neutralizzazione accoppiata (motori in parallelo funzionanti con K1) in condizioni operative di portata in massa all’anodo e potenziale di scarica differenti da quelli utilizzati finora. A tal proposito si veda la Fig. 8-10: l’andamento della densità di corrente relativa alle condizioni operative di 0.5 mg/s per entrambi i motori e Vd1= 300 V, Vd2 = 350 V, è stato con-frontato con la sovrapposizione analitica corrispondente (secondo quanto esposto nel capitolo 7). Il confronto, in questo caso, è stato effettuato con la sovrapposizione analitica, perché non è presente una misurazione sperimen-tale relativa a tali condizioni operative. Il divario tra le due curve sembra es-sere maggiore a quello osservato in Fig. 8-2.
Fig. 8-10. Andamenti di densità di corrente a confronto: motori T01+T02 con K1 Vs sovrapposizione analitica. . Condizioni operative: AMFR = 0.5 mg/s + 0.5 mg/s e Vd = 300 V + 350 V.
T01+T02 calcolata
T01+T02 con K1
205 In Fig. 8-11, invece le condizioni operative sono 1 mg/s per T01 e 0.5 mg/s per T02, Vd1 = 200 V e Vd2 = 350 V, le due curve sembrano mostrare un dif-ferenza maggiore rispetto alle Fig. 8-10, Fig. 8-2. Tuttavia si tenga presente che la sovrapposizione analitica ha mostrato una attendibilità decisamente minore nei casi di elevate portate (come 1 mg/s), vedere capitolo 7. Pertanto quest’ultimo caso deve essere considerato poco rappresentativo.
Fig. 8-11. Andamenti di densità di corrente a confronto: motori T01+T02 con K1 Vs sovrapposizione analitica. Condizioni operative: AMFR = 1.0 mg/s + 0.5 mg/s e Vd =200 V + 350 V.
Infine si vuole rimarcare che le Fig. 8-10 e Fig. 8-11, sono rappresentative di condizioni operative diverse da quelle finora esaminate per il funziona-mento in parallelo. Infatti si hanno potenziali di scarica, e/o portate di pro-pellente differenti per le due unità propulsive2, con conseguente asimmetria nelle prestazioni dei motori. In particolare, l’asimmetria introdotta nel po-tenziale di scarica, dà luogo all’insorgere di campi elettrici trasversali, i qua-li influenzano il moto elettronico e ampqua-lificano l’effetto della neutraqua-lizza-
2 Configurazione utilizzata ad esempio nel caso si voglia introdurre una coppia sul sistema spaziale dovuta a differenti valori della spinta su ognuno dei motori.
T01+T02 con K1 T01+T02
206
zione a comune. Tutto questo potrebbe rendere conto almeno in parte delle differenze osservate nei fasci.
8.5 Conclusioni
Per concludere, si può dire che la possibilità di una neutralizzazione a co-mune, accoppiata e incrociata è stata studiata facendo funzionare i motori con gli emettitori dei catodi connessi elettricamente. L’uso di un singolo ca-todo per far funzionare i due motori ( neutralizzazione a comune ), conduce a risultati di funzionamento simultaneo abbastanza buoni e vicini a quelli dati dai due motori separati ( eccetto che per una leggermente più ampia di-stribuzione di densità di corrente per il motore con catodo non operativo ). La neutralizzazione accoppiata risulta nello spegnimento di un catodo sia nel caso di uno, che di due motori operativi. La spinta risulta paragonabile, per entrambi i casi, a quella relativa alle condizioni nominali, all’interno della tolleranza di misura; comportamento coerente con quanto si osserva nelle distribuzioni di corrente dove piccole differenze (presenti soprattutto nel caso di due motori funzionanti) sono dovute ad una diversa orientazione dei picchi. Mentre, far funzionare un motore con il catodo dell’altro deter-mina un passaggio alla modalità diffusa per il propulsore e produce una ri-duzione nella spinta di circa il 30%, rispetto alle condizioni nominali per questa particolare configurazione.
Infine lo studio della neutralizzazione a comune, con differenti condi-zioni operative per i due motori (ad esempio differenze nel potenziale di scarica), conduce ad un’amplificazione degli effetti prodotti dai modi di neutralizzazione.
A questo punto si veda che le modalità di neutralizzazione studiate, possono considerarsi rappresentative di situazioni reali dovute ad anomalie di funzionamento o guasti intervenuti durante la vita operativa. Ad esempio la neutralizzazione a comune, potrebbe prodursi in seguito al guasto di un catodo per una configurazione di motori in parallelo: quindi allo scopo di mantenere in funzione anche il motore con catodo non funzionante si po-trebbe agire su un interruttore connettendo i due motori elettricamente attra-verso gli emettitori dei catodi. In questo modo, come si è, visto è possibile ottenere risultati simili a quelli relativi al funzionamento nominale dei due propulsori indipendenti. Inoltre al fine di migliorare le prestazioni di un propulsore si potrebbe pensare di utilizzare una configurazione con due (o più catodi) in parallelo, determinando una modalità di neutralizzazione ac-coppiata. Si è osservato però che questa non produce i risultati attesi perché soltanto il catodo “dominante” si mantiene operativo.
