Capitolo 4 - Componenti disponibili

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Capitolo 4 - Componenti disponibili

4.1 Elementi già costruiti

Punto di partenza per il disegno del propulsore sono stati i componenti effettivamente disponibili presso il laboratorio: il disegno finale è stato fortemente influenzato dalla configurazione di questi componenti e molte delle soluzioni utilizzate sono state quasi “obbligate” proprio per potersi adattare a questi ultimi, portando a soluzioni non del tutto ottimali e che altrimenti non sarebbero state prese in considerazione.

Nella figura seguente è riportato lo schema classico per un propulsore ad effetto Hall, in cui sono state evidenziate (in rosso ed arancione) le parti esistenti, che sono state utilizzate come base di partenza per l’analisi (fig 4.1): i componenti già realizzati sono il canale di accelerazione e le bobine.

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4.1.1 - Canale di Accelerazione

Il primo componente presentato è il canale di accelerazione (fig 4.2 a, b). Questo componente è utilizzato per convogliare il propellente nella direzione voluta, proteggendo allo stesso tempo il resto del propulsore da un surriscaldamento eccessivo.

Figura 4.2 - Canale di accelerazione

Figura 4.3 - Sezione del canale di accelerazione

Il materiale utilizzato per la realizzazione è il Nitruro di Boro grado M26: tale materiale (costituito in realtà da una miscela di diversi componenti) presenta eccellenti capacità di resistere ad elevati shock termici e possiede un comportamento stabile fino a temperature di 1000 °C in aria (1400 °C nel vuoto). Il grado M26 sta ad indicare che nella composizione chimica del materiale ceramico, la percentuale di nitruro di boro è più elevata rispetto ad altre versioni dello stesso materiale e questo conferisce una

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maggiore conduttività termica. Le caratteristiche principali sulla composizione del materiale sono riportate di seguito.

Tabella 4.1 - Composizione del Nitruro di Boro grado M e M 26

Il componente in esame è stato ricavato per forgiatura in un unico pezzo. A causa della durezza meccanica simile alla grafite si presentano problemi di fragilità alle sollecitazioni meccaniche.

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4.1.2 - Supporti avvolgimenti e cavi

Gli altri componenti già disponibili sono le due bobine, che sono costituite dai due supporti per gli avvolgimenti e dai cavi contenuti al loro interno.

Nel modello originale (propulsore multicanale) questi rappresentavano rispettivamente le bobine esterne per il canale più esterno e per quello intermedio: nelle figure successive sono evidenziate (in rosso) le posizioni dei supporti nel propulsore originale (fig 4.5) e il loro disegno realizzato al computer (fig 4.6).

Figura 4.5 - Posizione supporti nel propulsore multicanale

Nel disegno del nuovo motore la bobina dal diametro minore è stata utilizzata come bobina interna del propulsore: questa scelta ha portato alla presenza di un notevole spazio vuoto inutilizzato all’interno del motore stesso.

I supporti sono realizzati in acciaio inossidabile Aisi 304, che rappresenta il grado più diffuso e più utilizzato per questo tipo di materiali. Presenta una buona resistenza termica, è in grado di operare fino a temperature di 600 °C, inoltre ha una buona lavorabilità e duttilità ed un comportamento di tipo non ferromagnetico.

Gli avvolgimenti contenuti nei supporti sono costituti da 84 spire, disposte su 3 livelli, di cavo di tipo AWG 12 in rame rivestiti con un isolante, il Kapton, resistente fino a temperature di 260° C. Questo tipo di cavi è stato utilizzato nella realizzazione delle bobine per il propulsore multicanale come soluzione provvisoria da utilizzare solo durante la fase di prima accensione e test: viste le temperature di esercizio previste per

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quel tipo di propulsore (circa 800 K per le bobine) questo tipo di cavi sarebbe utilizzabile solo per poche decine di minuti.

Il limite termico per gli avvolgimenti rappresenta il vincolo più restrittivo per quanto riguarda la temperatura massima ammissibile dal propulsore: durante l’analisi termica si dovrà verificare la compatibilità con questa restrizione e, nel caso non fosse rispettata, ipotizzare una soluzione alternativa per i cavi da utilizzare nel propulsore.

Figura 4.6 - Supporti degli avvolgimenti

4.2 Altri elementi già progettati

Oltre agli elementi già realizzati e disponibili presso il laboratorio, per lo studio del propulsore si sono presi in considerazione altri componenti che sono già stati progettati per altri impieghi e che sono facilmente adattabili alla configurazione in esame.

4.2.1 - Anodo

La funzione dell’anodo è quella di immettere il propellente all’interno del canale di accelerazione con la maggiore uniformità possibile, al fine di massimizzare l’efficienza del propulsore, garantendo una spinta omogenea in ogni punto della sezione d’uscita. L’altro compito fondamentale è quello di generare la differenza di potenziale, insieme al catodo neutralizzatore, responsabile del campo elettrico che permette dell’accelerazione degli ioni.

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Nella realizzazione dell’anodo si deve tenere conto espansioni termiche dovute alla elevate temperature che gli elementi possono raggiungere durante il funzionamento, evitando eventuali interferenze con altri componenti. La camera di ceramica ha un coefficiente di espansione termica quasi nulla mentre l’anodo in acciaio inox ha un comportamento molto differente e quindi deve esserci gioco tra i due componenti in senso radiale. Si deve inoltre cercare di ottenere una configurazione semplice, evitando il più possibile fori, perché hanno un costo di realizzazione molto elevato (fori molto piccoli su superfici curve), ed elementi di collegamento per ridurre al minimo le dispersioni indesiderate di gas attraverso orifizi diversi dalla camera.

Altri accorgimenti importanti per lo studio della configurazione dell’anodo riguardano la diffusione del gas negli ambienti seguendo un percorso il più tortuoso possibile, che vada in entrambe le direzioni nel flusso radiale, con il maggior numero di ambienti in cui diffondere per potersi mescolare ed uniformarsi opportunamente prima di essere immesso in camera. Il gas deve inoltre essere immesso nella camera di espansione con direzione assiale nulla o comunque la più bassa possibile. In particolare la soluzione prevede non solo un flusso radiale, ma nelle singole sezioni deve essere simmetrico così da annullare la velocità.

Anodo utilizzato nell’analisi

Per il propulsore da disegnare si è pensato di utilizzate una versione modificata dell’anodo utilizzato nel motore HT-400: la scelta è ricaduta su questo modello per la relativa semplicità di fabbricazione e semplicità di adattamento al propulsore in esame. Nell’immagine seguente è possibile vedere una rappresentazione della configurazione adattata alla nuova geometria (fig. 4.7).

Per quanto riguarda il montaggio, i componenti dovranno essere saldati opportunamente negli interstizi di collegamento di ogni componente per evitare perdite indesiderate di gas. A questo scopo è necessaria una saldatura di tipo “Tig” o al laser, affinché il componente rispetti i requisiti per l’immissione in camera a vuoto. Molto importante per il corretto funzionamento sono le tolleranze dimensionali e geometriche imposte sul percorso tortuoso che il gas deve affrontare ed i relativi trafilamenti per la omogenea ed uniforme immissione in camera: è proprio questo aspetto che fa innalzare di molto il prezzo dei componenti.

Per quanto riguarda il materiale per l’anodo e per i suoi distanziali si è scelto di utilizzare l’AISI 316L, un acciaio inox della serie Austenitica al Nickel Cromo che ha la

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proprietà di non essere magnetico, o comunque in percentuale estremamente bassa a seguito di lavorazioni meccaniche a freddo. Inoltre è molto resistente a corrosione e alle alte temperature e presenta un’ottima saldabilità.

Figura 4.7 - Anodo HT- 400 riadattato

Ogni anodo è dotato di un attacco elettrico con lo scopo di creare una differenza di potenziale tra esso ed il catodo. Inoltre su ogni condotto viene posizionato un “Breaker”, un componente necessario per interrompere il circuito elettrico e far in modo che non ci sia una differenza di potenziale tra i condotti del gas, i quali sono caricati per il contatto con il corpo dell’anodo, fatto che potrebbe essere pericoloso per la generazione di scariche elettriche nel caso di fuoriuscite di gas. Infatti, per limitare questo fenomeno si preferisce posizionare il più vicino possibile all’anodo gli elementi isolanti, facendo in modo di coinvolgere la minor parte possibile di tubazione.

In questa prima fase di progettazione, in vista di un possibile prova sperimentale, è stata prevista la presenza di un solo condotto di alimentazione del propellente, in modo da rendere la realizzazione la più semplice possibile. Sarà possibile in seguito, con semplici modifiche, aumentare il numero dei condotti di alimentazione.

4.2.2 - Catodo neutralizzatore

Il catodo presente nei propulsori ad effetto Hall ha lo scopo di provvedere agli elettroni che servono per innescare la scarica nel plasma e per la neutralizzare del fascio di ioni

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accelerati nel canale. Inoltre, come detto in precedenza, completa il circuito elettrico formato con l’anodo e il plasma tra essi contenuto.

L’architettura più spesso utilizzata per il neutralizzatore, è quella del catodo cavo cilindrico con disco d’estremità dotato di un piccolo foro (orificed hollow cathode). Un

possibile schema costruttivo del catodo è riportato nella figura seguente (fig. 4.8):

Figura 4.8 - Schema costruttivo del catodo

All’interno del catodo è posizionato un setto cilindro cavo in tungsteno poroso impregnato con un materiale a bassa funzione di lavoro (emettitore). Il corpo del catodo è ricoperto da un riscaldatore opportunamente isolato grazie alla presenza di un rivestimento ceramico resistente alle alte temperature. Per favorire l’inizio dell’emissione elettronica il riscaldatore aumenta la temperatura dell’emettitore fino a quando il materiale comincia ad emettere elettroni per effetto termoionico. Questo fenomeno comunemente avviene tra 750°C e 1000°C. Viene stabilita una differenza di

potenziale tra il catodo e l’elettrodo esterno denominato “keeper” con conseguente innesco spontaneo di una scarica che si trasferisce all’interno del catodo. Gli elettroni emessi per effetto termoionico, accelerati dal potenziale attraverso la guaina del plasma, acquistano energia sufficiente a ionizzare il flusso di Xenon che attraversa il catodo.

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Gli elettroni che escono dal catodo sono quindi prodotti al suo interno sia dalla emissione superficiale dell’emettitore che dalla ionizzazione volumetrica dello Xenon. Gli ioni corrispondenti colpiscono la superficie dell’emettitore con energia sufficiente a garantire l’emissione per effetto termoionico. Una volta stabilitosi un funzionamento stazionario il riscaldatore e il keeper sono disconnessi e il catodo lavora in autosostentazione.

Figura 4.9 - Schema costruttivo del catodo (zona d’uscita)

Una notevole importanza è rivestita dai parametri geometrici del catodo, in particolare sono tre gli elementi principali per la progettazione (fig 4. ):

• dimensione del foro di uscita d ; _k

• distanza tra la piastra del Keeper l ; _k

• lo spessore della piastra t ; _k

Infatti, la corrente di elettroni emessa dal catodo è funzione dei parametri geometrici, sottoforma di un termine f, e della corrente di ioni che escono dal canale del motore:

ion e i e I m m f I ⋅ ⋅ =

π

2 (4.1)

con f =sin2

(

π 2−θ_t

)

e θ_t =arctan

(

2

(

l +_k t_k

)

d_k

)

.

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Data la particolare configurazione del propulsore da disegnare, una possibile scelta per posizione del catodo sarebbe quella all’interno del propulsore stesso, con asse ad esso coincidente. Questa scelta non è solamente pensata per minimizzare gli ingombri, ma limita il riflusso di ioni verso il centro del propulsore. Infatti, il catodo esterno fornisce parte degli elettroni per neutralizzare il flusso di ioni in uscita; però, parte di essi che sono stati neutralizzati possono collidere con altri elettroni presenti in uscita e dare origine ad una re-ionizzazione che innesca un flusso di elettroni verso l’anodo ed un piccolo flusso di ioni in direzione tendente ad annullarsi nel punto più vicino, e cioè la parete del propulsore.

Figura 4.10 - Schema della corrente di riflusso degli ioni

A tale scopo, il catodo centrale rappresenta un elemento che minimizza il fenomeno e neutralizza la scarica in maniera più omogenea, oltre a soddisfare i requisiti di praticità di afferraggio e compattezza della soluzione.

Caratteristiche tecniche del catodo

Per il propulsore in esame si è deciso di utilizzare un catodo innovativo realizzato presso i laboratori di ALTA s.p.a. e realizzato con un emettitore in Esaboruro di Lantanio. Dato che tale catodo non è stato ancora testato in laboratorio, l’utilizzo per il motore in esame potrebbe rappresentare un buon collaudo sperimentale. Di seguito sono riportati alcuni dati rappresentativi e schemi del catodo in questione.

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Componente Materiale

Flangia AISI 304

Flangia tubo TZM

Flangia anodo TZM

Inserto o emettitore LaB₆

Isolante BN

Tubo principale Grafite

Anodo cilindrico Grafite

Tabella 4.1 - Materiali del catodo

Parametro Valore

Correte di scarica 15 - 20 A