2.1 Introduzione
L’utilizzo, nei dispositivi di scarica, del catodo cavo (hollow
cathode) negli anni è stato molto vario poiché la sua polivalenza ne ha
permesso il funzionamento in un ampia gamma di condizioni operative. La sua capacità di generare, con un diametro di alcuni millimetri, correnti di decine di Ampere e gas altamente ionizzati lavorando a basse temperature e raggiungendo pertanto una vita relativamente lunga ne ha promosso lo studio e l’impiego sia per applicazioni tecnologiche (generatori MHD, propulsori a ioni in utilizzo a corrente continua e a radiofrequenza, generatori di ioni), sia per le ricerche sul plasma (studi sulla fisica delle collisioni tra atomi o molecole).
2.2 Architettura e principio di funzionamento del catodo
cavo
L’architettura comune di tutti questi dispositivi è di avere una cavità almeno parzialmente delimitata da pareti di materiale conduttore, refrattario e mantenute allo stesso potenziale del catodo. Il lato aperto del catodo è rivolto verso l’anodo così che il plasma presente nello spazio tra gli elettrodi possa penetrare all’interno della cavità catodica, assicurando una forte interazione tra plasma e la superficie interna del catodo (Figura 2.1).
Figura 2.1 : Penetrazione del plasma nella cavità catodica
In genere questa interazione riguarda un’area estesa della parete del catodo (zona attiva); in prossimità di essa si forma una guaina con densità di carica positiva detta anche sheath catodico (Figura 2.1). Il campo elettrico presente nella guaina è diretto verso la parete ed accelera fortemente gli ioni prima che essi si neutralizzino sulla parete del catodo.
In presenza di una corrente sufficientemente alta (regime di scarica ad arco) si ha un riscaldamento della parete tale da favorire l’emissione di elettroni per effetto termoionico da parte della parete stessa. Gli elettroni così emessi, accelerati dalla caduta di potenziale nella guaina, hanno un’alta probabilità di compiere urti anelastici con i neutri prima di uscire dalla cavità catodica accelerati dalla differenza di potenziale tra catodo ed anodo.
I catodi cavi assumono geometrie diverse in base alla geometria della scarica tra catodo ed anodo; si possono così distinguere due casi: configurazioni con scarica longitudinale (a sinistra in Figura 2.2) e configurazioni con scarica trasversale (a destra in Figura 2.2).
Figura 2.2 : Varie configurazioni di elettrodi con catodo cavo
Le prestazioni ottenute con i catodi cavi sono superiori a quelle ottenibili con catodi pieni (cilindrici o piani): a parità di pressione del gas, differenza di potenziale tra gli elettrodi e parametri geometrici, la corrente di scarica è maggiore per le configurazioni con catodi cavi. Questa è stata probabilmente la caratteristica che inizialmente ha suscitato l’interesse verso questo tipo di dispositivi.
Le ricerche sui catodi cavi hanno riguardato il regime di scarica a bagliore: bassa corrente I ≤1A, differenza di potenziale alta , catodo freddo. Solo successivamente è cresciuto l’interesse verso il regime di scarica ad arco: alta corrente , differenza di potenziale bassa
, temperatura del catodo . Data la notevole diversità dei due regimi e a causa della diversa attrezzatura sperimentale richiesta, questi due campi di ricerca hanno costituito fino ad oggi due filoni distinti.
V V >100 Δ A I ≥5 V V <50 Δ T > 2000°C
I primi risultati riguardanti catodi cavi con scarica ad arco sono stati presentati alla fine degli anni cinquanta. Fin da subito si notò che le prestazioni di questi dispositivi erano molto interessanti: la scarica creava un plasma esterno poco contaminato dal materiale del catodo, denso ( ) e altamente ionizzato (fino al 95%); inoltre il catodo presentava una vita operativa sufficientemente lunga, nonostante le alte
3 14 13 10 10 ÷ − ≈ cm ne
densità di corrente e l’elevata temperatura di parete del catodo (superiori a ). Queste sono state le caratteristiche che hanno promosso il successivo approfondimento dello studio di questi dispositivi per le applicazioni più varie.
K
° 2500
Date le caratteristiche dei due tipi di scarica, ai fini della propulsione spaziale siamo interessati al regime ad arco e ad esso faremo riferimento d’ora in avanti; per quanto riguarda la configurazione degli elettrodi faremo riferimento a quella con scarica longitudinale e catodo cavo cilindrico a singolo canale.
2.3 Il ruolo del catodo nei diversi propulsori elettrici
Il catodo cavo è utilizzato nei motori a ioni sia come dispositivo per la generazione degli elettroni che innescano il processo di ionizzazione del propellente sia come neutralizzatore del fascio ionico. L’impiego del catodo cavo nella teconologia dei propulsori a ioni risale al 1962 e dopo il suo utilizzo in SERT II sia come neutralizzatore che come catodo principale, tutti i successivi motori hanno adottato questo dispositivo.
Nei motori a effetto Hall esso assolve sempre ad ambedue le funzioni suddette. I progetti russi, attualmente all’avanguardia in questo campo, utilizzano materiali e soluzioni progettuali non accetabili per le applicazioni spaziali occidentali (fonte: ESA).
Basati sull’utilizzo del lantanio esaboride (LaBB6), essi presentano
problemi di fattibilità e durata, connessi con l’elevata temperatura di regime necessaria (almeno 1300 °C) e con la complessità della tecnologia utilizzata che ha una notevole ricaduta sui costi. Tuttavia la configurazione di base del catodo cavo è la stessa anche nei progetti occidentali che si differenziano per le soluzioni realizzative adottate e per la scelta dei materiali.
La necessità di controllare e migliorare il comportamento erosivo dei catodi nei propulsori MPD ha comportato la sostituzione delle usuali geometrie con dispositivi come i catodi cavi. Il range di potenze interessato dalla propulsione magneto-plasma-dinamica implica correnti di scarica dell’ordine di diversi . Per sfruttare al meglio la portata di gas ed estrarre da essa la massima corrente si è fatto ricorso a configurazioni dette
multicanale, formati da più condotti di dimensioni ridotte aggregati in un
singolo dispositivo (Figura 2.3).
Figura 2.3 : Catodi cavi in tipiche configurazioni multicanale
La possibilità di un’accensione parziale dei catodi multicanale rende questi dispositivi flessibili, potendo funzionare sia a basse correnti di scarica, per cui pochi canali sono accesi, sia alle alte correnti di scarica, per cui sono interessati tutti i canali del catodo.
2.4 Studio dei catodi cavi a Centrospazio
L’attività di ricerca nell’ambito dei catodi cavi in corso presso il Centrospazio di Pisa si inserisce inizialmente all’interno di un programma di ricerca sulla propulsione MPD. La presenza di forme d’instabilità nei propulsori MPD per regimi di funzionamento ad elevate correnti di scarica ha evidenziato, infatti, anomali fenomeni di erosione della superficie catodica con conseguente diminuzione della vita operativa del propulsore.
Ciò ha portato alla realizzazione e alla sperimentazione del propulsore denominato Hybrid Plasma Thruster (HPT), caratterizzato da un catodo cavo centrale, attraverso il quale la maggior parte del propellente raggiunge la camera di accelerazione, e da otto catodi cavi periferici che forniscono il propellente alla camera di preionizzazione.
Da qui l’esigenza di intraprendere uno studio teorico dei fenomeni fisici inerenti al catodo cavo, attraverso modelli matematici che simulassero l’andamento dei principali parametri per varie condizioni di funzionamento e geometriche. A seguito di questi studi teorici si è arrivati alla progettazione di catodi cavi a singolo canale e, successivamente, di catodi multicanale.
Parallelamente all’attività teorica si è affiancata un’attività sperimentale per lo studio di fenomeni di erosione dei catodi cavi che garantivano migliori prestazioni grazie alle differenti interazioni tra catodo ed arco elettrico rispetto ai catodi di geometria convenzionale. In
particolare, in attinenza al catodo multicanale da applicare al motore HPT, progettato nel lavoro di tesi [12], è stata effettuata una campagna di prove i cui risultati sono serviti per una prima valutazione del suo funzionamento e per un confronto con i risultati forniti dal suo modello numerico.
Con il programma di ricerca nominato Una sorgente di plasma di
tipo Hall per impiego spaziale, nel contesto di un contratto ASI, hanno
avuto inizio le attività di ricerca per lo sviluppo di propulsori ad effetto Hall di tipo SPT (Stationary Plasma Thruster) con l’obiettivo di realizzare un prototipo avanzato di propulsore SPT da 5kW.
Nell’ambito di questo progetto è nato l’interesse verso l’acquisizione della tecnologia necessaria alla realizzazione in proprio dell’apparato neutralizzatore.
Sono state svolte, pertanto, ricerche riguardanti il funzionamento del catodo cavo con particolare attenzione allo studio dei fenomeni al suo interno [9], [10], [11], al quale ha fatto seguito la realizzazione di modelli numerici che ne permettessero la successiva progettazione di un prototipo.
2.5 Il catodo cavo nel motore HET
Il catodo neutralizzatore di ogni propulsore elettrico HET (Hall
Effect Thruster) assolve al duplice compito di sostenere la corrente di Hall e
quindi la ionizzazione ed accelerazione del propellente e di neutralizzare il flusso ionico in uscita dal motore.
Il funzionamento di base del catodo cavo consiste nell’iniettare il gas da ionizzare (Xe) all’interno di un tubo di materiale refrattario che presenta, all’estremità a valle, un disco (tip), anch’esso di materiale refrattario, dotato di un piccolo foro centrale (orificed hollow cathode) attraverso il quale il gas fuoriesce.
All’interno del tubo si trova invece un inserto (dispenser) di materiale a bassa funzione di lavoro che emette elettroni per effetto termoionico.
Esternamente al tubo è presente un riscaldatore (heater) costituito da un avvolgimento bifilare di tungsteno e isolato con materiale ceramico che ha il compito di portare in temperatura l’inserto e favorirne l’attivazione (Figura 2.4).
Figura 2.4 : Schema di un catodo cavo
L’inserto è fatto, in generale, di materiali drogati che, a parità di temperatura riescono ad emettere una quantità maggiore di elettroni per effetto termoionico rispetto a qualsiasi altro materiale puro; ovvero pertanto permettono di ottenere la stessa corrente a temperature operative più basse.
Il disco di estremità svolge un ruolo fondamentale all’interno del catodo cavo. Esso, infatti, ha lo scopo di aumentare la densità dei neutri in prossimità dell’inserto favorendone la ionizzazione del gas al suo interno e di conseguenza contribuisce significativamente all’economia di esercizio del dispositivo limitando il consumo di propellente per via di un suo sfruttamento più efficace.
Esternamente al catodo si trova l’elettrodo di mantenimento (keeper
electrode o semplicemente keeper) che viene polarizzato positivamente
rispetto al corpo del catodo. Attraverso un’opportuna differenza di potenziale tra keeper e catodo (precedentemente riscaldato) si crea una scarica elettrica che ha origine all’interno della zona attiva e si autoalimenta spontaneamente grazie al calore generato per bombardamento ionico dell’inserto. Questo elettrodo è utile sia in fase di accensione, in quanto è più agevole innescare l’arco tra catodo e keeper e successivamente trasferire l’arco sull’anodo del propulsore, sia nelle fasi non operative del motore (idle
mode) durante le quali non si vuole spegnere l’arco.
L’efficacia del catodo neutralizzatore influenza molti parametri come ad esempio l’efficienza, l’impulso specifico, la stabilità e la vita del propulsore. Per queste ragioni e per ragioni di affidabilità, sino ad oggi si è preferito utilizzare il catodo neutralizzatore in configurazione ridondante.
Risultati sperimentali di validità generale su neutralizzatori a base di Xenon [3], [8], [13], hanno permesso di ricavare utili parametri per la progettazione e l’ottimizzazione di questo componente:
- Posizionamento assiale: la posizione assiale del neutralizzatore
rispetto al propulsore non sembra avere influenza sulle caratteristiche del neutralizzatore stesso, e ciò a beneficio della flessibilità del disegno meccanico e della possibilità di posizionare l’apparato sufficientemente lontano dal contatto diretto con il fascio ionico con conseguente minore erosione.
- Influenza sulle prestazioni del propulsore: le prestazioni del
neutralizzatore influiscono in diversi modi sulle prestazioni del propulsore. Di seguito si esaminano i più importanti:
a) la potenza consumata dal keeper del neutralizzatore (o analogamente la quantità di calore assorbita) può essere considerata una perdita di potenza generale che riduce l’efficienza elettrica del propulsore;
b) la potenza di accoppiamento (intesa come prodotto della tensione di accoppiamento per la corrente) riduce l’efficienza elettrica e quindi l’efficienza del propulsore per un valore fissato della tensione;
c) la portata di propellente richiesta dal neutralizzatore riduce l’efficienza dell’utilizzo del propellente stesso, e quindi riduce l’impulso specifico e il rendimento del propulsore.
In conclusione per ottenere prestazioni del propulsore ottimali il punto di lavoro migliore per il neutralizzatore è quello che massimizza sia la potenza che il rendimento del propulsore. Tuttavia queste due condizioni non possono essere soddisfatte contemporaneamente, ed è quindi necessario ricercare una soluzione di compromesso.
I requisiti progettuali per un catodo cavo sono quindi:
- bassa energia richiesta per mantenere la temperatura del catodo ad una temperatura di lavoro relativamente bassa;
- minimi consumi di propellente; - lunga vita operativa.
È noto che per riscaldare un catodo e portarlo alla temperatura di lavoro è necessaria una certa quantità di energia: la massima efficienza sotto l’aspetto energetico si ottiene quando il catodo opera in modo tale che la temperatura di lavoro è quella fornita dalla scarica di plasma all’interno
Le ricerche effettuate nell’attività sperimentale sui catodi cavi [5] e [14] hanno mostrato l’esistenza di molti modi operativi per il catodo, specialmente quando provato nella configurazione a diodo. Tuttavia i modi operativi dominanti sono due e sono conosciuti come spot mode e plume
mode. I due modi indicati dipendono fortemente dalla corrente estratta dal
catodo e dalla portata del propellente.
Figura 2.5 : Illustrazione dei modi operativi
Nella Figura 2.6 sono riportati questi due modi operativi per neutralizzatori per motori a ioni, tuttavia è riportato anche l’andamento del modo plume per catodi più piccoli [1].
A portate molto basse il tentativo di estrarre un’elevata corrente comporta un voltaggio dell’anodo relativamente alto ed a disturbi elettrici significativi (curva O). La scarica è quindi molto luminosa intorno
all’estremità del catodo e siamo in presenza del modo plume. Aumentando la portata si rendono disponibili gradualmente correnti sempre più elevate (curva P). Improvvisamente si ha la transizione al modo spot in cui la corrente può essere aumentata mentre il potenziale rimane basso (curva Q). Questa transizione include ovviamente una regione in cui la caratteristica elettrica ha pendenza negativa.
Nel modo spot si ha una luminosità generale minore, con la radiazione luminosa che viene emessa principalmente dall’orifizio del catodo che risulta moto brillante. Quando la portata viene ulteriormente aumentata la transizione si sposta verso correnti più basse (curva R). Alla fine, alle portate più elevate, il modo plume è completamente assente e i disturbi che lo accompagnano spariscono (curva S).
Almeno un altro modo operazionale può essere identificato: il
neutraliser mode. Questo modo si manifesta quando sia la portata che la
corrente sono basse e il catodo si trova in alto vuoto. Il catodo può così funzionare in modo molto stabile a temperature relativamente basse, ma si ha una generazione di disturbi significativa. Questo modo operazionale è quindi appropriato per scopi di neutralizzazione e implica che questo fenomeno sia la componente dominante dell’interferenza magnetica (EMI) prodotta dall’intero propulsore. Non è invece adatto all’impiego in motori SPT perché opera a bassa corrente, mentre in un motore di questo tipo il neutralizzatore svolge anche la funzione di sostentamento della scarica ed ha quindi bisogno di correnti più elevate.
Il modo operazionale utilizzato per i neutralizzatori dei motori HET è quindi il modo spot.
2.6 Obiettivi della tesi
Trai i vari tipi di propulsori elettrici, la famiglia di motori ad effetto Hall sia nella tipologia SPT (Stationary Plasma Thruster) sia del tipo TAL (Thruster with Anode Layer) è risultata molto promettente per le applicazioni ad alta potenza, presentando livelli di rendimento dell’ordine del 60% con minori problemi di danneggiamento per erosione rispetto ai motori a ioni con griglia di accelerazione (motori tipo Kaufmann).
L’attività di ricerca di Centrospazio in questo campo è iniziata con lo studio, la realizzazione, e la prova del motore SPT-70 (Figura 2.6) che, operando con gas Xenon, ha mostrato prestazioni soddisfacenti con un livello di spinta di 54 mN ed un impulso specifico di circa 2000 s.
Figura 2.6 : Motore SPT-70 di Centrospazio
Figura 2.8 : Motore SPT da 5 kW in funzionamento
ossia con un anodo esterno posto davanti l’orifizio) per verificarne il funzionamento e quindi la bontà del progetto. Da qui la necessità di:
- Progettare le interfacce per il fissaggio del catodo e dell’anodo nell’impianto di prova IV4 e l’allaccio alle linee di alimentazione gassosa ed elettrica già in dotazione.
- Effettuare un’analisi termica transitoria con ANSYS 6.1 per determinare le temperature raggiunte in funzione della corrente fornita al riscaldatore nella zona dell’inserto e sulla flangia di collegamento del catodo con l’interfaccia di fissaggio.
- Determinare la caratteristica elettrica del dispositivo permettendo di verificarne i livelli di corrente raggiunti dalla scarica in funzione della tensione anodica e della portata del gas.
Per quanto riguarda la parte teorica, il lavoro ha come base di partenza i modelli numerici della scarica nella regione dell’inserto e dell’orifizio. Per avere un modello numerico di scarica da poter confrontare con i dati sperimentali raccolti nelle prove di funzionamento, è nata quindi l’esigenza di elaborare un modello del plasma nella regione esterna tra anodo e orifizio.
Pertanto gli obiettivi di questa parte teorica sono stati:
- Sviluppare un modello fisico-matematico con MATLAB 6.1 della scarica elettrica relativa alla zona esterna al catodo compresa tra la sezione di sbocco dell’orifizio e l’anodo.
- Confrontare la caratteristica elettrica ottenuta sperimentalmente con quella ottenuta dal modello numerico tale da consentirne una sua parziale validazione.
