5.2 Descrizione del propulsore

(1)

La prova sperimentale

5.1 Introduzione

Il presente capitolo è strutturato in tre parti. Nella prima si fornisce una descrizione di massima del propulsore di classe SPT-100, il propulsore utilizzato nei test, e i parametri di prestazione nominali del propulsore e di altri propulsori a effetto Hall con potenza di scarica confrontabile. Nella seconda parte si descrivono la struttura e le attrezzature di Alta S.p.A.

che sono state impiegate nella prova sperimentale, insieme alle procedure effettuate in preparazione all'esperimento. Nella terza parte viene descritta la prova sperimentale. In tale sezione viene prima eseguita una caratterizzazione del propulsore alimentato a Xenon;

successivamente si analizza la transizione graduale dallo Xenon ai propellenti alternativi adottati, ovvero azoto e una mistura di azoto e ossigeno (1.3N2+O2). A transizione completata viene eseguita la caratterizzazione del propulsore per i propellenti alternativi adottati, seguita da una prova di durata del propulsore (endurance test).

5.2 Descrizione del propulsore

Il propulsore a effetto Hall utilizzato in questa prova sperimentale è di classe SPT: ha circa le stesse dimensioni, gli stessi parametri operativi, e fornisce prestazioni di entità comparabile all'SPT-100. Funziona nominalmente ad una potenza di 1.5 kW, tuttavia è capace di funzionare in modo stabile ed efficiente a potenze tra 1200 e 1600 Watt. Il propulsore ha un ingombro frontale di 150x150 mm e ha una profondità di 104 mm (catodi esclusi). Le dimensioni della camera di scarica sono rappresentate nella figura 5.1(b).

(2)

Uso di propellenti alternativi allo Xenon in propulsori a effetto Hall

90

C1 C2

M4 M3

M5

M1 M2

(a)

Anodo

(b)

Figura 5.1 - (a) Una foto del propulsore. I modelli destinati al volo spaziale sono forniti di due catodi (C1,C2) per aumentare l'affidabilità. Il campo magnetico radiale è generato da quattro elettromagneti esterni (M1-M4) e uno sull'asse centrale (M5)

(b) Dimensioni della camera di scarica del propulsore

(3)

Capitolo 5 La prova sperimentale

91 Il campo magnetico radiale è generato da quattro avvolgimenti magnetici esterni situati agli angoli del telaio metallico quadrato e uno centrale coassiale alla camera di scarica; gli elettromagneti sono collegati in serie. Il propellente entra nella camera di scarica tramite un anodo in acciaio inossidabile "a labirinto" che conferisce al flusso l'uniformità azimutale. La camera di scarica è costituita in materiale ceramico dielettrico, il borosil (BN-SiO2).

Il propulsore è dotato di cinque termocoppie, posizionate in punti strategici, al fine di monitorare le temperature di alcune parti durante tutte le fasi dei test, e sono situate, in riferimento alle figure 5.2(a) e (b):

 2 termocoppie sono posizionate sulla parte posteriore della piastra frontale del propulsore, una a sinistra e l’altra a destra rispetto alla posizione del catodo (1-2)

 2 termocoppie sono posizionate lateralmente (una a sinistra e l’altra a destra rispetto al catodo) sullo schermo magnetico vicino alla piastra frontale (3-4)

 Una termocoppia è montata sul basamento posteriore del propulsore in posizione opposta rispetto a quella del catodo (5)

(a) (b)

1

2 3

4

5

Figura 5.2 - viste laterali del propulsore, (a) da sinistra e (b) da destra rispetto al catodo I propulsori di classe SPT sono stati progettati per il controllo e il trasferimento orbitale di veicoli spaziali. Sono caratterizzati da un elevato impulso specifico e forniscono un alto rapporto spinta/potenza elettrica¹⁰. Questa tipologia di propulsori a effetto Hall ha dimostrato di possedere un'alta affidabilità e una limitata degradazione delle prestazioni nel tempo grazie a una lunga serie di test^45,46 e con l'applicazione nella missione SMART-1 (Small Mission for Advanced Research in Technology). Nella tabella 5.1 sono indicate le specifiche di funzionamento nominali e le prestazioni del propulsore utilizzato.

Potenza di scarica 1500 W Impulso specifico (anodo) 2000 s Potenziale di scarica 350 V Impulso specifico (totale) 1720 s Corrente di scarica 4.28 A Rendimento di spinta (anodo) 0.55 Portata all'anodo 4.27 mg/s Rendimento di spinta (totale) 0.51

Portata totale 5.3 mg/s Impulso totale 1.44∙10⁹ N∙s

Spinta 88 mN Cicli operativi 5200

Potenza specifica 17 W/mN Divergenza del fascio 42°

Tabella 5.1 - parametri operativi nominali del propulsore (i parametri di prestazione sono rappresentati in funzione della portata all'anodo o di quella totale, che comprende la portata e la potenza fornita al catodo)

(4)

92

5.3 Descrizione dell'impianto di prova

5.3.1 La camera a vuoto e il sistema di pompaggio

La camera a vuoto utilizzata nella prova sperimentale è la più grande tra quelle presenti a Alta, e si pone tra i più grandi anche tra tutti gli impianti europei per test sulla propulsione elettrica in termini di dimensioni e velocità di pompaggio. È denominata dalla sigla distintiva IV10 (impianto a vuoto 10), ha un diametro di 5.4 m ed è lunga 9.6 m, con un volume interno di circa 210 m³. Si riportano nella figura 5.3 due viste dell'impianto seguite da una foto.

(a)

(b) (c)

Figura 5.3 - Due viste della camera a vuoto IV10 (a,b) e una foto della stessa (c)

(5)

93 La velocità di pompaggio che viene raggiunto dall'impianto è di 1'500'000 l/s (320'000 l/s di Xenon) e la pressione interna che è possibile ottenere è dell'ordine di 3x10^-9 millibar (3x10^-6 millibar con una portata di Xenon nella camera di 3.6 mg/s). Per arrivare a condizioni di vuoto così elevate si ricorre a pompe di tipologie diverse: i vari stadi di pompaggio vanno accesi secondo un certo ordine, dato che ogni tipo di pompa funziona in modo efficiente solo entro un determinato intervallo di pressione.

Una volta chiusa la camera vengono accese le due pompe primarie (una pompa screw e una roots, poste in serie) che lavorano in un intervallo di pressioni che vanno dalla pressione ambiente fino a circa 10^-2 mbar; arrivati a questo punto vengono messe in funzione in sequenza prima le due pompe turbomolecolari e poi le due criopompe, che nel complesso portano la pressione intorno a valori di 10^-5 mbar; a questo punto viene fatto circolare azoto liquido dentro gli schermi interni alla camera per creare un ambiente idoneo al funzionamento delle teste fredde (assorbono l'energia termica nella camera a vuoto, che è quella emanata dal propulsore insieme all'irraggiamento delle pareti). Vengono accese infine le teste fredde collegate a 6 pannelli in rame situati dentro la parte terminale della camera che raggiungono una temperatura inferiore a 30 K; gli schermi raffreddati a azoto liquido, grazie alla loro ampia superficie, aumentano l'effetto di pompaggio delle teste fredde. La pressione finale che si raggiunge è dell'ordine di 10^-8 mbar, pressione ottimale per simulare la condizione spaziale per la maggior parte dei test.

Figura 5.4 - Andamento della pressione nella sequenza di generazione del vuoto

Nel grafico di figura 5.4 è rappresentata la sequenza del vuoto: le linee blu verticali separano le varie fasi di pompaggio appena citate, che consistono nell'accensione sequenziale (in base all'intervallo di pressione interna) di:

(6)

94

(1) screw e roots

(2) 2 pompe turbomolecolari;

(3) 2 criopompe;

(4) schermi refrigerati ad azoto liquido;

(5) 5 teste fredde.

La linea continua rossa indica il valore effettivo della pressione nella camera a vuoto, la linea rossa tratteggiata indica invece la pressione ipotetica nel caso si ometta la fase di test e pulizia delle linee di alimentazione del propellente, e la linea nera tratteggiata indica la sequenza di generazione del vuoto teorica corrispondente a quella con la minima durata temporale.

5.3.2 Posizionamento del propulsore e bilancia di spinta

La misura della spinta è stata eseguita tramite una bilancia di spinta progettata e costruita ad Alta. Nella figura 5.5 è possibile vedere una foto della bilancia, già montata nel supporto interno alla camera a vuoto, mentre nella figura 5.6 è presente una rappresentazione schematica della stessa. La bilancia è composta da una parte fissa, solidale con la struttura nella camera a vuoto, e una parte mobile, vincolata alla struttura fissa con un doppio pendolo. La struttura mobile è connessa nella parte alta con il propulsore, nella parte bassa con la cella di carico, in modo da trasmettere la spinta. Sulla parte posteriore della bilancia è presente uno step propulsor, in grado di modificare l’inclinazione della bilancia rispetto al piano orizzontale e eventualmente correggere eventuali inclinazioni.

La cella di carico è costruita in una lega speciale di ferro e nickel (INVAR), il quale ha un uso specifico in applicazioni di precisione grazie al suo basso coefficiente di dilatazione termica (~10^-6 K^-1). Nella cella di carico sono presenti 4 estensimetri a resistenza (misurazione elettrica) e due interferometri di Fabry-Pérot (misurazione ottica).

La misura elettrica degli sforzi

Gli sforzi sulle superfici sottili della cella di carico vengono misurati con estensimetri a resistenza. Un estensimetro a resistenza è un filo metallico, incollato con una resina molto resistente alla superficie di cui si voglia determinare la deformazione, in modo che risulti solidale in ogni punto alla superficie della cella di carico nel punto di massima deformazione. Il filo è solitamente in costantana (una lega di rame e nickel), e segue un percorso a serpentina come schematizzato nella figura 5.7(a). Il filo metallico, a causa della deformazione della superficie a cui è incollato, subisce una variazione di lunghezza e quindi del valore della resistenza elettrica. La variazione della resistenza è misurabile tramite un ponte di Wheatstone (figura 5.17b) che consente di misurare le variazioni di resistenza degli estensimetri tramite la variazione del potenziale ai capi d'uscita rispetto a quello applicato in ingresso. Nella bilancia vengono usati 4 estensimetri, contrapposti a coppie come in figura 5.17(c). La falsa misura dovuta al disallineamento rispetto all'orizzontale della spinta viene compensata proprio contrapponendo gli estensimetri su superfici a deformazione antisimmetrica; le due coppie di estensimetri garantiscono una misurazione ridondante della spinta.

(7)

95 Parte mobile

Parte fissa

Figura 5.5 - Foto della bilancia di spinta, alloggiata all'interno della camera a vuoto

T

Step Propulsore

(T)

Figura 5.6 - Schematizzazione della bilancia di spinta

Cella di carico:

 4 estensimetri a resistenza

 2 interferometri di Fabry-Pérot

(8)

96

Direzione meno sensibile

T Parte mobile Direzione più sensibile

Direzione della deformazione

dell'estensimetro

Resistenze di valore noto

(b) Estensimetro

(c)

(a)

Figura 5.7 - (a) Semplificazione di un estensimetro, (b) ponte di Wheatstone, costituito da 4 estensimetri, (c) schema cinematico della cella di carico e posizionamento dei ponti di Wheatstone.

La misura ottica degli sforzi

Come già accennato, la misura della spinta, ovvero degli sforzi agenti sulla cella di carico della bilancia, viene eseguita oltre che da quattro estensimetri a resistenza (fig. 5.) anche tramite due fibre ottiche. Le fibre sono fissate in maniera antisimmetrica alla cella di carico in modo da eliminare la falsa misura causata dal disallineamento orizzontale della spinta (il valore effettivo dello sforzo risulterà la media dei due). Gli sforzi vengono misurati sfruttando l'effetto fotoelastico nella direzione ortogonale all'asse della fibra. Tale effetto fotoelastico implica che la permebilità dielettrica del materiale riflettente della fibra nelle due direzioni ortogonali all'asse della stessa subiscano una variazione perdendo l'isotropia dell'indice di rifrazione della fibra. Questa variazione dell'indice di rifrazione è causata dallo sforzo trasversale applicato, è proporzionale ad esso e risulta misurabile. La misura è recuperata dal lettore di segnale, che distingue il diverso comportamento della luce trasmessa nelle due direzioni e traduce il segnale in uscita in modo che il calcolatore possa interpretarlo come segnale spinta.

La bilancia di spinta di Alta presenta un'ottima risoluzione del valore della spinta: l'errore che commette non supera 1.5 mN. Durante tutte le fasi di sparo è stata riscontrata la presenza di una deriva termica del segnale di spinta nel tempo, la quale è stata compensata a posteriori tramite software, correlando sistematicamente i dati corrispondenti a punti operativi simili, compreso il punto a spinta nulla (motore spento).

(9)

97

5.3.3 L'interfaccia vuoto-aria

L'interfaccia tra il lato vuoto e il lato aria del sistema è costituito da 8 passanti posizionati sulla flangia posteriore della camera (passanti elettrci, TC e gassoso) e su una flangi laterale ( passante delle fibre ottiche).Nella foto di figura 5.8 sono state evidenziate le parti di interesse della flangia, ovvero i passanti che consentono l'alimentazione del propulsore, delle termocoppie e della bilancia.

1 3 2

6 7 4

5a 5b

Figura 5.8 - Una foto della flangia di interfaccia vuoto-aria. Nella foto è possibile identificare:

[1] Spettrometro di massa (RGA: Residual Gas Analyzer) [2] Alimentazione elettrica del propulsore

[3] Flangia di collegamento pannello gassoso-propulsore [4] Collegamenti elettrici con la bilancia di spinta

[5] Collegamenti dei sensori termici del propulsore (5a) e della camera a vuoto (5b) [6] Passante fibre ottiche

[7] Passante per il controllo dello step propulsor

(10)

98

5.3.4 Il sistema di alimentazione gassosa

Il sistema di alimentazione del propellente è costituito da:

 una bombola di Xenon;

 una bombola di propellente alternativo (N2 o una miscela 56% N2 - 44% O2);

 un pannello riduttore di pressione per lo Xenon;

 un riduttore di pressione portatile montato sulla bombola del propellente alternativo;

 3 pannelli gassosi indipendenti;

 una camera di miscelazione con trasduttore di pressione posizionato all’uscita (esattamente in corrispondenza del passante montato sulla camera a vuoto).

In riferimento alla figura 5.9, il pannello 1 (in alto) ed il 3 (in basso) sono collegati a monte con il pannello riduttore di pressione che eroga Xenon, mentre il pannello 2 (posizione centrale) ed il 3 sono collegati a valle con la camera di miscelazione (rappresentata da un semplice raccordo a T). Nella figura 5.10 è possibile osservare una schema del pannello gassoso. Si noti che sia il pannello riduttore sia il riduttore di pressione montato sulla bombola del propellente alternativo hanno il compito di ridurre la pressione della bombola (25-50 bar) ad un valore compatibile con quello richiesto per il funzionamento dei componenti del singolo pannello gassoso, pari a circa 5-7 bar.

Ogni pannello gassoso è dotato di:

 un riduttore di secondo stadio che riduce la pressione dai 5-7 bar in ingresso fino a circa 1.2 bar richiesti per il corretto funzionamento dei controllori di flusso (nota: le pressioni indicate sono sempre relative): la presenza di due stadi di riduzione previene l’insorgere di instabilità del flusso nei condotti dovuti ad eventuali fluttuazioni di pressione nel sistema;

 una valvola di by-pass utile per le operazioni di pulizia e successivo svuotamento della linea;

 una valvola di svuotamento;

 una valvola pneumatica controllata in remoto (eccetto il pannello 3 in cui è stata montata una valvola manuale);

 un controllore elettronico di flusso (Mass Flow Controller – MFC).

Il sistema della camera di miscelazione è costituito da:

 2 valvole di ingresso montate all’uscita dei pannelli 2 e 3;

 una camera di miscelazione (giunzione a T);

 un trasduttore di pressione montato a valle della camera di miscelazione ed in corrispondenza del passante.

(11)

99 1

2

3

Figura 5.9 - Foto del sistema di alimentazione gassosa

(12)

100

Figura 5.10 - Rappresentazione schematica del pannello gassoso

(13)

101

5.3.5 La distribuzione della potenza e il sistema di controllo e acquisizione dati

Il sistema elettrico è costituito da:

 5 alimentatori (1 per la sostentazione della scarica, 1 per i magneti, 1 per il riscaldatore del catodo (o heater) ed infine 2 per la generazione del treno di impulsi dell'accenditore del catodo o ignitor);

 Un dispositivo, denominato Ignitor Pulser, atto alla generazione dell’impulso necessario per accendere il catodo del propulsore;

 Una scatola con 8 contattori controllati in remoto da PC, denominata Relè Box;

 Una scatola filtri e diodi, denominata Filter Box, avente il compito di filtrare la corrente elettrica in uscita dagli alimentatori, evitare, grazie ai diodi, indesiderati ritorni di corrente inversa sugli stessi e, infine, riferire a terra tutte le linee elettriche del sistema;

 Una BFU (Bench Filter Unit), richiesta dal fornitore del propulsore, avente il compito di tagliare eventuali oscillazioni di corrente ad alta frequenza in ingresso al propulsore;

 Una scatola sonde, denominata V&I Probes Box, in cui sono posizionate tutte le sonde di corrente e di tensione per la diagnostica elettrica del sistema. Le sonde sonde appena citate sono: sonde di corrente LEM LA25-NP, sonde di tensione LEM LV-25P;

 Una sonda RMS (Root Mean Square), denominata RMS Probe Box, avente il compito di misurare il rumore della corrente di scarica del propulsore.

Nella figura 5.11 è possibile osservare due foto dei dispositivi appena citati, mentre nella figura 5.12 è rappresentato uno schema del sistema di distribuzione della potenza generata dagli alimentatori.

I parametri controllati durante il test sono stati:

 Corrente sulla linea dell’anodo;

 Corrente sulla linea del catodo;

 Corrente sulla linea del magnete;

 Corrente sulla linea dell’heater;

 Corrente sulla linea dell’ignitor;

 Tensione tra le linee di anodo e catodo (potenziale di scarica);

 Tensione tra le linee corrispondenti ai poli positivo e negativo dei magneti;

 Tensione tra la linea dell’heater e la linea del catodo;

 Tensione tra la linea dell’ignitor e la linea del catodo;

 Tensione tra la linea del catodo e terra, detta CRP (Cathode Reference Potential);

 RMS sulla linea dell’anodo.

(14)

102

(a) (b)

Figura 5.11 - (a) Rack sonde, contattori e filtri, (b) rack alimentatori

(15)

103 Figura 5.12 - Schema della distribuzione della potenza

(16)

104

5.3.6 Procedure preliminari

Prima di poter procedere alla sequenza di prove sul propulsore è necessario eseguire tre operazioni preliminari:

1 - Degassaggio a freddo del propulsore, del catodo e della componentistica

Durante la procedura di messa in vuoto della camera, tutte le impurità presenti nei pezzi meccanici, ovvero residui oleosi e acquosi delle lavorazioni alle macchine utensili, non asportati dalla pulizia preliminare, e i gas atmosferici intrappolati nei componenti,

"degassano" (fase di outgassing), cioè passano allo stato gassoso, a causa della bassa pressione nella camera, e vengono aspirati dalle pompe. Questo prolunga sostanzialmente i tempi di messa in vuoto. Per ridurre al minimo questa fase tutti i pezzi che vanno inseriti in camera vengono attentamente lavati con prodotti sgrassanti, successivamente sciacquati e asciugati. Vengono poi passati con uno strato di alcool (molto volatile e quindi non dannoso in camera) per eliminare più a fondo le particelle di acqua residue. Nonostante tutto il materiale venga trattato in questa maniera, toccato solo con guanti e il personale che entra in camera sia vestito con tute apposite, la fase di degassaggio è comunque inevitabile, e ha una durata di circa 12 ore mantenendo un livello di vuoto alto (circa 10^-5 mbar)

2 - Degassaggio a caldo del propulsore e del catodo

Questa fase dura circa 4 ore e viene eseguita al punto operativo che viene definito startup (punto di partenza) o outgassing point (punto operativo di degassaggio), che è il punto al quale viene effettuata l'accensione del propulsore ogni volta.

Il degassaggio del catodo e del propulsore viene eseguito automaticamente all'accensione del propulsore stesso. Durante la procedura di accensione il catodo, riscaldato per attivare l'emissione termoionica di elettroni (punto (2) della procedura al paragrafo 5.4.1), subisce un effetto collaterale gradito, ovvero un degassaggio preliminare che ha inizio 150 secondi prima dell'accensione del propulsore (figura 5.10). Durante questo tempo la corrente all'heater (riscaldatore) è impostata a 12.4 A e la portata al catodo è costante e pari a 0.35 mg/s. Al termine dei 150 secondi di riscaldamento viene fatta partire la scarica anche all'anodo.

Il punto operativo è caratterizzato da una corrente di 4.28 A ai magneti, e un potenziale di scarica pari a 350 V. La corrente di scarica viene stabilizzata intorno ai 4.03 A con una portata all‟anodo di 4.76 mg/s e una portata al catodo di 0.35 mg/s, mentre la differenza di potenziale misurata nei magneti (collegati in serie) è di 4.80 V.

Per mantenere la scarica costante inizialmente la portata deve essere regolata manualmente per non superare le specifiche di potenza del propulsore, controllando i valori ogni 5 minuti;

appena la corrente diventa stabile (dopo circa un'ora) la portata viene mantenuta costante e si inizia la vera fase di degassaggio che termina 4 ore dopo.

(17)

105

5.4 Procedure per la caratterizzazione

5.4.1 La procedura di accensione

L'accensione del propulsore prevede una serie di operazioni preliminari manuali seguite dalla procedura semi-automatica di accensione gestita dal software di controllo di Alta, di cui si riporta di seguito una schermata (figura 5.11). Il Software è dotato anche di controlli sulle temperature, correnti, tensioni e pressione in camera, che in caso di necessità (valore di una grandezza anomalo) mette il sistema in modalità allarme, la quale comporta la disconnessione di tutte le linee elettriche del propulsore in un tempo inferiore a 5 secondi. La schermata del software riportata di seguito, mostra il pannello di controllo usato durante la procedura di accensione; si noti che nella parte destra della schermata è possibile controllare in tempo reale tutte le caratteristiche elettriche del propulsore. In caso di necessità (ad esempio un errore del programma che non blocca la procedura in caso di anomalia) è stato posto per sicurezza nella stessa schermata un tasto di SHUT DOWN che mette manualmente il sistema in allarme.

Le operazioni preliminari da eseguire prima di avviare la procedura di accensione consistono in:

(1) Si imposta la corrente dei magneti Im al valore di 4.28 A;

(2) Si imposta una tensione tra anodo e catodo VD pari a 305 V;

(3) Si imposta una portata di 3.3 mg/s di Xenon all’anodo e di 0.35 mg/s al catodo;

(4) Si accende l’alimentatore dell’heater impostando 13V e 0A;

(5) Si accendono gli alimentatori dell’ignitor (300 V, 115 A e 25 V, 5 A).

Una volta impostati i valori manualmente è possibile avviare la procedura semi-automatica di accensione, schematizzata in figura 5.10, che consiste in:

(1) Premere il pulsante “RUN PROCEDURE” sul software;

(2) Inserire manualmente l’alimentatore dei magneti sulla linea precedentemente impostato e aspettare il segnale acustico e visivo per procedere al passo successivo;

(3) Inserire manualmente l’alimentatore della scarica sulla linea e aspettare il segnale acustico e visivo per procedere al passo successivo;

(4) Eseguire manualmente una rampa di corrente della durata di 5÷10 secondi sull’alimentatore dell’heater da zero a 12.4 A e aspettare il segnale acustico e visivo per procedere al passo successivo;

(5) Riscaldamento del catodo (150 s): aspettare il segnale acustico e visivo per procedere al passo successivo;

(6) Inizio erogazione propellente. L'accensione avviene sempre in Xenon: 3.3 mg/s all'anodo, 0.35 mg/s al catodo;

(7) Si attende la stabilizzazione del flusso (~10 s);

(8) Invio treno di impulsi all’ignitor: inizio conto alla rovescia per fallimento accensione (la modalità allarme scatta dopo 60 secondi).

Se il propulsore non si accende entro 60 secondi la procedura va in condizione di allarme ed il software procede in automatico con le seguenti azioni:

(18)

106

(1) Disconnette tutti gli alimentatori attraverso l’apertura di tutti i contattori;

(2) Procede alla chiusura della linea gassosa del anodo;

(3) Continua ad erogare Xenon sulla linea del catodo per 3 minuti, alla fine dei quali chiude l'erogazione;

(4) Dà inizio a un conto alla rovescia di 25 minuti per una (eventuale) riattivazione della procedura di accensione.

Se il propulsore si accende entro 60 secondi, il software procede alla disconnessione automatica degli alimentatori dell’heater e dell’ignitor, necessari soltanto per l'avvio della scarica.

I

5 s 150 s <60 s

(a)

Ih =12.4 A Accensione

propulsore ṁa =3.3 mg/s

Fase di degassaggio ṁc =0.35 mg/s

Treno di impulsi

t

I

Vig =320 V Accensione propulsore

@ 3 kΩ (b)

Iig =115 mA

5±1 ms 100÷2000 ms

Se mantenuto acceso:

Vig =320 V @ 5.1 Ω t

Figura 5.10 - (a) Schema della procedura di accensione e (b) treno di impulsi inviati dall'ignitor

(19)

107 Figura 5.11 - La schermata principale del software di controllo

(20)

108

Limite superiore Limite inferiore

150 200 250 300 350

0 2 4 6

5.4.2 Le fasi e il dominio della caratterizzazione

La caratterizzazione del propulsore consiste, una volta acceso, nel cambiamento di alcuni parametri e nella misura diretta degli altri. In particolare i parametri che vengono usati come riferimento e che sono imposti dall‟esterno sono:

 corrente ai magneti interno ed esterni (collegati in serie su un unico circuito);

 potenziale di scarica;

 portata all‟anodo e al catodo;

mentre i parametri di interesse che vengono misurati sono:

 corrente di scarica;

 potenziale dei magneti;

 spinta.

La variazione dei parametri appena elencati serve ad individuare condizioni di confine oltre le quali il plasma cambia modalità di scarica o presenta instabilità, caratterizzare i diversi punti operativi in termini di prestazioni ed infine stabilire l'influenza dei parametri di controllo nelle diverse modalità di funzionamento. Inoltre la possibilità di effettuare un controllo termico tramite termocoppie permette di monitorate le temperature caratteristiche del propulsore ed evitare così eventuali danneggiamenti causati da temperature operative eccessive. Il propulsore, nominalmente da 1500 W di potenza, è stato portato a differenti punti lavoro per valutarne le prestazioni secondo un dominio che può essere schematizzato come in figura 5.12:

I_D

VD

Figura 5.12 - dominio per la caratterizzazione del propulsore

Dominio Potenziale di scarica VD 175÷350 V

Corrente di scarica ID < 6 A

Potenza di scarica PD < 1600 W (picco < 1800W) Tabella 5.2 - limiti del dominio della caratterizzazione

(21)

109 Sul propulsore si è operata la caratterizzazione preliminare in Xenon in modo da valutarne le prestazioni, le quali saranno leggermente inferiori a quelle nominali della tabella 5.1 in quanto il propulsore ha accumulato diverse ore di sparo in test precedenti.

La caratterizzazione preliminare verrà eseguita nei punti operativi ottimizzati consigliati dal produttore del propulsore, in modo da ottenere i dati elettrici e di spinta, per valutarne le prestazioni effettive.

Una volta effettuata la caratterizzazione in Xenon nei punti operativi scelti si è dato inizio alla prova sperimentale utilizzando il primo propellente alternativo di cui si intende analizzare le prestazioni: l'azoto. In questa prima prova è stata individuata una possibile procedura che consenta la transizione modulata del propellente da Xenon puro ad azoto puro;

a transizione completa si è operata la caratterizzazione del propulsore per il propellente alternativo in questione, suddivisa in quattro diverse sequenze di prove:

 caratterizzazione in tensione;

 caratterizzazione in portata;

 ottimizzazione magnetica per massimizzare la spinta;

 limite inferiore di densità del plasma;

 prova di durata per dimostrare la stabilità temporale della scarica.

A seguire l'esperimento che utilizza azoto come propellente, è stata effettuata una seconda prova sperimentale, in cui il propellente usato è una miscela di azoto e ossigeno (1.3 parti di azoto per ogni parte di ossigeno, o analogamente 56% di azoto e 44% di ossigeno). Le varie fasi della prova sono le stesse appena descritte per il caso di propulsore alimentato ad azoto puro.

5.5 La caratterizzazione del propulsore

5.5.1 Caratterizzazione preliminare in Xenon

Questa prima prova si pone l'obiettivo di determinare le prestazioni effettive del propulsore con il propellente per il quale è stato ottimizzato, lo Xenon. La caratterizzazione del propulsore viene eseguita in funzione del potenziale di scarica VD ed è ripetuta per valori di portata all'anodo ṁ = 4.21 mg/s, 3.75 mg/s, 3.3 mg/s e 2.86 mg/s. La caratterizzazione magnetica non viene eseguita perchè si conoscono dal produttore già i valori del campo magnetico forniti dalla corrente applicata ai magneti Im(di valore pressochè equivalente alla corrente di scarica ID, per i punti operativi ottimizzati). I punti operativi ottimizzati sono indicati nella tabella 5.3 in cui i dati sono stati ottenuti all'equilibrio termico del propulsore.

Si noti che la portata al catodo non è inclusa ed è pari a 0.35 mg/s per tutti i punti operativi.

La procedura si svolge come segue:

 Si lascia acceso il propulsore per almeno 30 minuti al punto operativo di degassaggio [1] (tab.5.3) in modo da raggiungere la stazionarietà termica ed elettrica;

 Si diminuisce gradualmente la portata insieme al potenziale nei magneti per raggiungere i punti operativi prefissati a potenziale di scarica costante;

(22)

110

 Prima di ogni diminuzione del potenziale di scarica si ritorna al punto operativo di degassaggio: questa procedura serve sia per verificare la correttezza delle misurazioni appena eseguite, sia per avere un riferimento nel grafico della spinta che consenta la misurazione diretta del salto del valore. Si noti che tale procedura è resa necessaria dall'impossibilità di determinare l'andamento esatto della deriva termica della misurazione fornita dalla bilancia.

Risulta evidente dalla tabella 5.3 che le prestazioni si discostano dal valore nominale a inizio vita operativa del propulsore, in quanto quest'ultimo ha accumulato molte ore di sparo in prove sperimentali precedenti gli esperimenti eseguiti ad Alta.

# ṁ

[mg/s]

V_D [V]

I_D [A]

V_m [V]

I_m [A]

T [mN]

η_T

%

Isp [s]

P_D/T [W/mN]

1* 4.76 350 4.03 4.80 4.28 75 41.9 1607 18.81

2 4.21 350 3.49 3.90 3.57 65 41.1 1574 18.79

3 3.75 350 3.04 3.20 3.02 56 39.3 1523 19.00

4 3.30 350 2.63 2.48 2.56 47 36.4 1452 19.59

5 2.86 350 2.24 2.05 2.22 38 32.2 1355 20.63

6 4.21 305 3.47 3.62 3.44 58 37.8 1405 18.25

7 3.75 305 3.02 3.03 2.99 51 37.7 1387 18.06

8 3.30 305 2.58 2.55 2.57 43 35.6 1329 18.30

9 2.86 305 2.25 2.00 2.16 35 31.2 1248 19.61

10 4.21 263 3.52 3.86 3.53 54 37.4 1308 17.14

11 3.75 263 3.02 3.12 2.96 47 37.1 1278 16.90

12 3.30 263 2.58 2.63 2.59 40 35.7 1236 16.96

13 2.86 263 2.22 2.03 2.15 32 30.7 1141 18.25

14 4.21 220 3.50 3.86 3.47 46 32.6 1114 16.74

15 3.75 220 3.02 3.19 2.94 40 32.1 1088 16.61

16 3.30 220 2.57 2.55 2.48 33 29.2 1020 17.13

17 2.86 220 2.16 2.19 2.22 27 26.8 963 17.60

18 4.21 175 3.54 4.08 3.60 35 23.5 848 17.70

19 3.75 175 3.03 3.57 3.21 30 22.6 816 17.68

20 3.30 175 2.53 2.86 2.70 25 21.4 773 17.71

21 2.86 175 2.06 2.10 2.13 20 19.4 713 18.03

Tabella 5.3 - Punti operativi caratterizzati in Xenon (1*:punto di degassaggio)

Nella figura 5.13(a) sono graficate le caratteristiche di scarica del propulsore. Si può notare che il propulsore è nel regime di funzionamento ottimale (zona evidenziata nella figura 5.13b) in quanto risulta essere ID ~ ṁ.

(23)

111 4.21 mg/s

3.75 mg/s 3.30 mg/s 2.86 mg/s

2 2.5 3 3.5 4

150 200 250 300 350

350 V 305 V 263 V 220 V 175 V

3 3.5 4 4.5

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

V_D [V] (a)

Zona operativa di un propulsore a effetto Hall ottimizzato VD

ID

(b)

ID [A]

Figura 5.13 - (a) Caratteristiche elettriche del propulsore (Xenon), (b) tipico andamento a portata costante delle caratteristiche di scarica di un HET⁴⁸ (le curve 1,2 e 3 risultano da valori crescenti della portata;la curva 2a indica (ṁ2=ṁ2a) le caratteristiche in caso di campo magnetico non ottimizzato)

T [mN]

ṁXe [mg/s]

Figura 5.14 - Spinta in funzione della portata all'anodo

(24)

112

4.21 mg/s 3.75 mg/s 3.30 mg/s 2.86 mg/s

200 250 300 350

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

4.21 mg/s 3.75 mg/s 3.30 mg/s 2.86 mg/s

200 250 300 350

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

T [mN]

VD

Figura 5.15 - Spinta in funzione del potenziale di scarica

η_T

VD

Figura 5.16 - Rendimento totale in funzione del potenziale di scarica

(25)

113

350 V 305 V 263 V 220 V 175 V

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

350 V 305 V 263 V 220 V 175 V

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

T [mN]

PD [W]

Figura 5.17 - Spinta in funzione della potenza di scarica

ηT

PD [W]

Figura 5.18 - Rendimento totale in funzione della potenza di scarica

(26)

114

VD = 350 V ID = 4.03 A I_m = 4.28 A ṁXe = 4.76 mg/s

VD = 305 V I_D = 2.68 A

Im = 4.50 A (campo magnetico non ottimizzato) ṁXe = 3.30 mg/s

V_D = 263 V I_D = 3.02 A I_m = 2.96 A ṁXe = 3.75 mg/s

Figura 5.19 - tre foto del propulsore a diversi punti operativi (Xenon)

(27)

115

5.5.2 La procedura di transizione Xenon - propellente alternativo

Durante tutti i test, il propulsore è stato sempre acceso in Xenon, si attende la stabilizzazione della scarica per alcuni minuti e successivamente si mette in atto una procedura di transizione graduale per portare il propulsore da una condizione di 100% di Xenon ad una condizione di 100% di propellente non convenzionale all’anodo. Si noti che il catodo è sempre alimentato con Xenon.

La sequenza di transizione è stata studiata durante il primo test in Azoto ed è tale da mantenere la corrente di scarica entro quei valori determinati superiormente dal dominio di caratterizzazione e inferiormente dalla possibilità di sostentamento della scarica.

La procedura sviluppata è riassunta nella tabella 5.4, e viene attuata in un tempo di 40~60 minuti. Si noti che la transizione deve essere sufficientemente lenta da permettere, ad ogni variazione di portata, la stabilizzazione della scarica. Durante i primi tentativi di transizione si sono riscontrati diversi spegnimenti (flameout) del propulsore (Im = 5A); si è notato, grazie alla misura dell’RMS del segnale di corrente, che la scarica tendeva all'instabilità nel passaggio tra 0.75 e 1.1 mg/s di portata di azoto nella miscela.

Durante i test sono state tentate alcune accensioni del propulsore in azoto puro, le quali non sono tuttavia andate a buon fine. Il potenziale di scarica del propulsore è stato impostato a valori di 300, 350 e 400 V; tali valori risultano tuttavia insufficienti per ottenere la scarica, perchè il potenziale di breakdown dell'azoto risulta essere superiore a quello di scarica impostato (~500 V). Si veda l'appendice B per un breve approfondimento in merito.

ṁ Xenon al catodo [mg/s]

ṁ Xenon all'anodo [mg/s]

ṁ N2/N2+O2

all'anodo [mg/s]

Corrente ai magneti Im

Note*

0.35

3.30 0 5.00 Condizione iniziale

3.30 0.10 5.00

3.30 0.25 5.00 Foto (a)

3.30 0.50 5.00

3.30 0.75 5.00 Stabilizzazione del

campo magnetico

3.30 1.00 6.00

2.75 1.00 6.00

2.75 1.25 6.00

2.20 1.25 6.00 Foto (b)

2.20 1.50 6.00

1.75 1.50 6.00 Foto (c)

1.75 1.75 6.00

1.10 1.75 6.00 Foto (d)

1.10 2.00 6.00

1.10 2.25 6.00

0.55 2.25 6.00 Foto (e)

0.55 2.50 6.00

0.55 2.65 6.00

0 2.65 6.00 Foto (f)

0 2.65 5.00 Condizione finale

Tabella 5.4 - Punti operativi della procedura di transizione del propellente. (*): sono indicati i punti operativi della transizione ai quali si riferiscono le foto di figura 5.20

(28)

116

ṁXe = 3.30 mg/s ṁN2 = 0.25 mg/s (a)

ṁXe = 2.20 mg/s ṁN2 = 1.25 mg/s (b)

ṁXe = 1.75 mg/s ṁN2 = 1.50 mg/s (c)

Figura 5.20 - Foto del propulsore durante la transizione

(29)

117 ṁXe = 1.10 mg/s

ṁN2 = 1.75 mg/s (d)

ṁXe = 0.55 mg/s ṁN2 = 2.25 mg/s (e)

ṁXe = 0.00 mg/s ṁN2 = 2.65 mg/s (f)

Figura 5.20 - Foto del propulsore durante la transizione

(30)

118

5.5.3 Caratterizzazione in azoto

Una volta completata la transizione del propellente Xenon-azoto si è avanzati alla fase successiva, ovvero alla caratterizzazione del propulsore per il propellente alimentato con il nuovo propellente.

Le caratteristiche elettriche del propulsore si sono mantenute entro l'intervallo di funzionamento indicato dal produttore solo per un intervallo di portate di azoto all'anodo tra 2.85 mg/s e 2.20 mg/s.

La fase successiva della prova è la ricerca del limite inferiore della densità del plasma. Si è impostata il potenziale di scarica a 305 V, diminuendo gradualmente la portata da 2.43 mg/s fino a quando il propulsore è stato in grado di mantenere la scarica (fino al flameout) con l'ausilio del keeper del catodo (attraverso il quale è stata fatta scorrere una corrente I_k=1÷2 A al fine di mantenere la scarica con la densità del plasma più bassa possibile). Il risultato ottenuto ha evidenziato che il propulsore è in grado di mantenere la scarica solo per portate di azoto ṁN2 ≥ 2.20 mg/s.

# ṁ (N2) [mg/s]

V_D [V]

I_D [A]

V_m [V]

I_m [A]

T [mN]

η_T

%

Isp [s]

P_D/T [W/mN]

1 2.65 350 4.02 7.55 5.00 30 12.1 1154 46.90

2 2.53 350 3.49 7.68 5.00 26 10.9 1048 46.98

3 2.43 350 3.09 7.50 5.00 23 10.1 965 47.02

4 2.30 350 2.62 7.50 5.00 21 10.4 931 43.67

5 2.20 350 2.22 7.50 5.00 18 9.5 834 43.17

6 2.85 305 4.02 7.60 5.00 28.5 11.6 1020 43.02

7 2.70 305 3.48 7.60 5.00 25 10.9 944 42.46

8 2.65 305 3.26 7.60 5.00 23 10 885 43.23

9 2.53 305 2.77 7.60 5.00 20.5 9.8 826 41.21

10 2.43 305 2.49 6.80 4.50 18.5 9.3 776 41.05

11* 2.30 305 1.94 6.80 5.00 13 6.2 576 45.52

12* 2.20 305 1.54 6.90 5.00 10.5 5.3 487 44.73

13 2.85 263 3.28 5.10 3.50 21.5 9.4 769 40.12

14 2.70 263 2.70 4.10 3.00 18 8.5 680 39.45

15 2.65 263 2.60 4.10 3.00 16 7.1 616 42.74

16 2.53 263 2.05 4.10 3.00 12.5 5.7 504 43.13

17 2.43 263 1.60 4.10 2.60 10.5 5.4 441 40.08

18 2.70 245 1.98 4.10 3.00 12.5 6 472 38.65

19 2.65 245 1.93 4.00 3.00 11 4.8 423 42.99

20 2.85 238 2.37 4.30 3.00 15 7 537 37.60

Tabella 5.5 - Punti operativi caratterizzati in azoto. Si noti che il catodo è sempre alimentato con una portata di Xenon di 0.35 mg/s. (*):punti operativi resi possibili con l'ausilio del keeper (Ik =1÷2A)

(31)

119 2.85 mg/s

2.70 mg/s 2.65 mg/s 2.53 mg/s 2.43 mg/s 2.30 mg/s

1.5 2 2.5 3 3.5 4

200 250 300 350

350 V 305 V 263 V 245 - 238 V

2.2 2.4 2.6 2.8

10 15 20 25 30

V_D [V] V

(a)

I

(b) Zona operativa

ID [A]

Figura 5.20 - (a) Caratteristiche elettriche del propulsore alimentato ad azoto; (b) zona operativa del propulsore: si noti che per l'azoto la condizione ID ~ ṁ si sposta a valori più alti del potenziale di scarica.

T [mN]

ṁN [mg/s]

Figura 5.21 - Spinta in funzione della portata

(32)

120

2.85 mg/s 2.70 mg/s 2.65 mg/s 2.53 mg/s 2.43 mg/s 2.30 mg/s 2.20 mg/s

250 300 350

10 15 20 25 30

2.85 mg/s 2.70 mg/s 2.65 mg/s 2.53 mg/s 2.43 mg/s 2.30 mg/s 2.20 mg/s

250 300 350

0.05 0.1

T [mN]

VD

Figura 5.22 - Spinta in funzione del potenziale di scarica

ηT

V_D

Figura 5.23 - Rendimento totale in funzione del potenziale di scarica

(33)

121

350 V 305 V 263 V 245 - 238 V

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

10 15 20 25 30

350 V 305 V 263 V 245 - 238 V

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

0.05 0.1

T [mN]

PD

ηT

P_D Figura 5.25 - Rendimento totale in funzione della potenza di scarica

(34)

122

VD = 350 V ṁN2 = 2.65 mg/s

(#1)

VD = 238 V ṁN2 = 2.85 mg/s

(#20) Figura 5.26 - Foto del propulsore alimentato in azoto ai punti operativi indicati

(35)

123 VD = 350 V

ṁN2 = 2.53 mg/s (#2)

VD = 350 V ṁN2 = 2.30 mg/s

(#4)

VD = 305 V ṁN2 = 2.53 mg/s

(36)

124

VD = 305 V ṁN2 = 2.20 mg/s

(#12)

VD = 263 V ṁN2 = 2.85 mg/s

(#13)

VD = 263 V ṁN2 = 2.70 mg/s

(37)

125 350 V 305 V 280 V 263 V 220 V

2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8

10 15 20 25 30

5.5.4 Caratterizzazione della miscela azoto-ossigeno

La seconda prova sperimentale è stata eseguita utilizzando come propellente una mistura di azoto e ossigeno. Sull'impianto di alimentazione del propellente non sono state apportate modifiche tranne la sostituzione della bombola di azoto con un'altra, contenente una composizione molare al 46% di ossigeno e al 54% di azoto (1.3N2 +O2).

Utilizzando l’esperienza maturata durante la prima fase di test, è stata applicata una procedura di accensione costituita dall’accensione e successiva stabilizzazione del propulsore in Xenon, da una transizione Xenon-mistura e, infine, dal raggiungimento del punto iniziale della caratterizzazione, corrispondente ad una porata anodica pari a 2.75 mg/s di 1.3N2+O2 (tabella 5.4). La caratterizzazione è stata eseguita sempre con la stessa corrente ai magneti I_m= 5 A, e la portata all'anodo è stata finemente regolata in base a alle letture di potenza di scarica del propulsore, in modo da ottenere più misure sperimentali possibili, delle caratteristiche elettriche e della spinta. L'osservazione dei dati elettrici, che verranno riportati di seguito, portano a identificare la modalità di funzionamento del propulsore come analoga a quella osservata durante la prova in azoto (la zona cerchiata in rosso di figura 5.20). Questo risultato era prevedibile in quanto azoto e ossigeno sono molto simili in termini di peso atomico, energia di ionizzazione e sezione d'urto per la ionizzazione.

Il limite inferiore della densità del plasma è risultato essere pressoché identico al propulsore alimentato in azoto puro, e corrisponde ai punti operativi ṁ = 2.10 mg/s di portata a VD = 350 V e in ṁ = 2.20 mg/s a VD = 305 V.

T [mN]

ṁmix

Figura 5.27 - Spinta in funzione della portata all'anodo

(38)

126

# ṁ (N2) [mg/s]

VD

[V]

ID

[A]

Vm

[V]

Im

[A]

T [mN]

ηT

%

Isp [s]

PD/T [W/mN]

1 2.75 350 4.10 6.90 5.00 31 12.2 1149 46,29

2 2.60 350 3.55 6.90 5.00 27 11.3 1059 46,02

3 2.50 350 3.10 6.90 5.00 23.5 10.2 959 46,17

4 2.45 350 2.78 6.90 5.00 21.5 9.7 895 45,26

5 2.43 350 2.70 6.90 5.00 21 9.6 881 45,00

6 2.40 350 2.66 6.90 5.00 20.5 9.3 871 45,41

7 2.35 350 2.46 6.90 5.00 20 9.9 868 43,05

8 2.30 350 2.34 6.90 5.00 19 9.6 842 43,11

9 2.25 350 2.18 6.90 5.00 17 8.4 770 44,88

10 2.85 305 3.60 6.80 5.00 25 10 894 43,92

11 2.75 305 3.15 6.80 5.00 22.5 9.6 834 42,70

12 2.63 305 2.74 6.10 5.00 19.5 8.7 756 42,86

13 2.60 305 2.70 6.40 5.00 19 8.4 745 43,34

14 2.50 305 2.20 6.40 5.00 15.5 7.2 632 43,29

15 3.00 280 3.44 6.80 5.00 22.5 8.8 765 42,81

16 2.90 280 3.02 6.80 5.00 20 8.2 703 42,28

17 2.85 280 2.82 6.80 5.00 18.5 7.6 662 42,68

18 2.75 280 2.40 6.80 5.00 15.5 6.5 575 43,35

19 3.50 263 4.80 7.00 5.00 29 9.5 845 43,53

20 3.15 263 3.64 7.00 5.00 22 8 712 43,51

21 3.05 263 3.29 7.00 5.00 20 7.6 669 43,26

22 2.95 263 2.82 7.00 5.00 17.5 7 605 42,38

23 2.90 263 2.49 7.00 5.00 15.5 6.3 545 42.25

24 2.85 263 2.25 7.00 5.00 14 5.8 501 42,27

25 3.88 220 3.50 6.70 5.00 18.5 5.7 486 41,62

26 3.85 220 3.40 6.70 5.00 18 5.6 477 41,56

27 3.80 220 3.22 6.70 5.00 17 5.4 456 41,67

28 3.77 220 3.12 6.70 5.00 16.5 5.3 446 41,60

29 3.75 220 3.08 6.70 5.00 16 5 435 42,35

30 3.70 220 2.80 6.70 5.00 15 4.9 413 41,07

31 3.68 220 2.35 6.70 5.00 13.5 4.8 374 38,30

32 3.60 220 2.00 6.70 5.00 12.5 4.9 354 35,20

Tabella 5.6 - Punti operativi caratterizzati della miscela azoto-ossigeno. Si noti che il catodo è sempre alimentato con una portata di Xenon di 0.35 mg/s.

Si presentano, nella figura 5.33, alcune foto dei punti operativi appena descritti. Su ogni foto il numero che la contraddistingue si riferisce al punto operativo indicato nella prima colonna della tabella 5.6.

(39)

127 azoto - 350 V mix - 350 V azoto - 305 V mix - 305 V azoto - 263 V mix - 263 V 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 10

15 20 25 30

3.00 mg/s 2.90 mg/s 2.85 mg/s 2.75 mg/s 2.60 mg/s 2.50 mg/s

250 300 350

10 15 20 25 30

2 2.5 3 3.5 4

250 300 350

VD (a) T [mN] (b)

I_D ṁ

Figura 5.28 - (a) Caratteristiche di scarica del propulsore con la miscela azoto-ossigeno.

(b) Confronto delle misurazioni di spinta tra azoto puro e miscela.

T [mN]

V

D

Figura 5.29 - Spinta in funzione del potenziale per alcune delle portate caratterizzate

(40)

128

250 300 350

0.05 0.1

3.00 mg/s 2.90 mg/s 2.85 mg/s 2.75 mg/s 2.60 mg/s 2.50 mg/s altre misurazioni

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

10 15 20 25 30

η

T

V

_D

Figura 5.30 - Rendimento totale in funzione del potenziale (riferito ai punti operativi di fig. 5.29)

T [mN]

P

_D

(41)

129 3.00 mg/s 2.90 mg/s 2.85 mg/s 2.75 mg/s 2.60 mg/s 2.50 mg/s 350 V 305 V 263 V 220 V

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

0.05 0.1

η

T

P

_D

Figura 5.32 - Rendimento totale in funzione della potenza di scarica

Se si confrontano le misurazioni della spinta acquisite durante questa fase del test con quelle relative al propulsore alimentato ad azoto puro, si può osservare che i valori di spinta risultano leggermente inferiori nel caso del propulsore alimentato con la miscela. Il risultato ottenuto va contro le considerazioni preliminari eseguite a priori: il peso atomico dell'ossigeno, superiore di 2 a.m.u. (atomic mass unit) rispetto a quello dell'azoto, generava l'aspettativa di avere un valore più alto della spinta a parità di portata molare. La ragione di questa diminuzione delle prestazioni rispetto a quelle che si aspettavano può essere attribuita a tre motivi principali:

 il funzionamento del propulsore in questo test ha mostrato forti instabilità, sia di corto che di lungo periodo, quasi in ogni punto operativo della caratterizzazione, con la corrente di scarica che presentava oscillazioni di ampiezza fino a 0.3 A;

 l'ossigeno mostra una buona probabilità di ionizzazione negativa^42,43, la quale comporta non solo una perdita in termini di spinta (il campo elettrico non permette allo ione negativo di lasciare la camera di scarica), ma anche la sottrazione per ogni ione negativo di un elettrone atto a produrre ioni positivi (ognuno dei quali libera un elettrone) tramite collisioni;

 non è possibile escludere a priori la presenza di composti di azoto e ossigeno nel getto di scarica (del tipo NOx ), per i quali non è possibile costruire un modello analitico in assenza di misurazioni specifiche delle specie nella camera.

Per quanto riguarda l'analisi delle prestazioni nel caso della mistura, il modello semplificato presentato al capitolo precedente risulta insufficiente nel descrivere la fisica del propulsore, perchè non sono stati considerati sia il problema della ionizzazione negativa del'ossigeno, sia

(42)

130

processi di scambio di carica tra ioni e atomi (o molecole) di azoto e ossigeno. Nel capitolo seguente si proporrà di conseguenza un confronto tra le prestazioni teoriche predette dal modello e le misurazioni della spinta relative a solo il caso del propulsore alimentato con azoto puro.

Si noti che, nella prova eseguita con la miscela, l'ossigeno può essere trattato come un

"inquinante" delle prestazioni, e l'analisi dei parametri e delle grandezze risulta essere legato all'analisi delle specie nel getto del propulsore. Si rimanda perciò a studi futuri l'analisi delle prestazioni del propulsore alimentato con miscele di gas, come azoto e ossigeno nel caso appena riportato.

VD = 305 V ṁN2-O2 = 2.75 mg/s

(#11)

Figura 5.33 - Foto del propulsore alimentato con la miscela ai punti operativi indicati

(43)

131 VD = 263 V ṁN2-O2 = 3.50 mg/s

(#19)

VD = 220 V ṁN2-O2 = 3.88 mg/s

(#25) Figura 5.33 - Foto del propulsore alimentato con la miscela ai punti operativi indicati

(44)

132