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CONTESTO ED OBIETTIVI DELLA TESI
2.1 Generalità sulla propulsione spaziale
La presente tesi si inserisce in un programma di ricerca prevalentemente finanziato da ASI sulla propulsione MPD in corso presso il Centrospazio di Pisa. Le attività di ricerca di tipo sperimentale sono state condotte su un propulsore operante in regime di funzionamento pulsato quasi stazionario, non disponendo di generatori di potenze continua dell'ordine dei MW, né di impianti a vuoto con prestazioni tali da poter smaltire portate di diversi grammi al secondo mantenendo livelli di vuoto compatibili con quelli necessari per condurre prove in regime di funzionamento stazionario.
2.2 Il propulsore HPT presente al Centrospazio
Nei propulsori magneto-plasma-dinamici si sono riscontrate particolari forme di instabilità che prendono piede nel propulsore per regimi di funzionamento ad elevate correnti di scarica. In tali condizioni si osserva una degradazione delle prestazioni, soprattutto del rendimento propulsivo, ed anomali fenomeni di erosione della superficie degli elettrodi che diminuiscono la vita operativa del propulsore.
Sin dal 1971 Oberth e Jahn [1] hanno osservato, in relazione ad alti valori della corrente di scarica, il verificarsi di una rarefazione del propellente nella zona anodica del propulsore MPD. Questa situazione causa un innalzamento della resistività del plasma, provocando fenomeni di instabilità detti di onset. In corrispondenza della regione anodica si realizza una caduta di potenziale dell'ordine di qualche decina di Volt, e conseguentemente una dissipazione per effetto Joule di una considerevole frazione della potenza totale introdotta.
Durante gli ultimi anni la ricerca ha proposto varie soluzioni per cercare di eliminare questi fenomeni di instabilità cercando di contrastare la rarefazione di propellente all'anodo. Iniettare propellente neutro non ha prodotto effetti sostanziali a causa della notevole differenza tra lunghezza di ionizzazione degli atomi neutri e la dimensione caratteristica dello strato anodico.
Nel 1995, Tikhonov ed Obukhov [2] hanno proposto l'introduzione di propellente già ionizzato nella regione anodica tramite una camera anulare di preionizzazione disposta esternamente alla camera di accelerazione.
Nel 1996 è stata avviata un'attività di collaborazione tra il Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics (RIAME) del Moscow Aviation Institute (MAI) con lo
scopo di implementare un propulsore con camera di preionizzazione denominato Hybrid
Plasma Thruster (HPT).
Nel 1998 è stato realizzato, presso il Centrospazio, un prototipo, schematizzato in Fig 2.1, sulla base dell'esperienza svolta in precedenza dal RIAME-MAI.
I vantaggi di questa promettente classe di propulsori sono numerosi. Rispetto ai motori MPD con campo autoindotto, per i quali sono necessarie correnti dell’ordine di 5kA al fine di avere una spinta elevata, l’avere un campo magnetico indipendente dal valore della scarica ci consente di usare al meglio il propulsore anche per le basse potenze. I nuovi meccanismi accelerativi sono essenzialmente due ed hanno un peso sulla generazione della spinta variabile con le condizioni operative:
- come in un motore SPT, causa la velocità di deriva degli elettroni indotta dalla componente assiale del campo magnetico applicato, sorge una corrente azimutale che, interagendo con la componente radiale del campo magnetico, genera una
accelerazione assiale del plasma.
- l’interazione tra la componente radiale della scarica e la componente assiale del campo magnetico applicato introduce un moto vorticoso nel plasma che, tramite le collisioni, incrementa la sua temperatura e quindi il contributo gasdinamico alla spinta.
Altri vantaggi nell’adottare un campo magnetico esterno sono rappresentati da una più alta stabilità della scarica ed una potenziale riduzione dell’erosione dei catodi con conseguente allungamento della vita operativa.
Elementi caratteristici del propulsore, oltre alla camera di preionizzazione, sono l'anodo, la serie di lamelle anodiche in rame profilate in modo da seguire le linee di campo magnetico applicato e collegate ad un elemento cilindrico in lega d'alluminio, ed il catodo centrale. Il catodo attualmente installato è un catodo cavo in rame, attraverso il quale la maggior parte del propellente raggiunge la camera di accelerazione. Gli otto catodi periferici, anche loro cavi, forniscono il propellente alla camera di preionizzazione. I catodi sono montati su strutture porta-catodi in lega d'alluminio e sono collegati a valvole solenoidali tramite l'interposizione di un materiale isolante (Ferrozel). Da notare anche la presenza di un solenoide posto esternamente alla camera di accelerazione che viene utilizzato per creare un campo magnetico applicato, il cui influsso sulle prestazioni del motore verrà descritto in seguito. L'alimentazione gassosa del circuito periferico avviene attraverso un canale di distribuzione circolare situato subito al di sotto degli otto catodi periferici, con quattro condotti equidistanti per l'afflusso del gas.
Varie campagne di prove sono state dedicate alla caratterizzazione sperimentale del propulsore ibrido HPT, tuttora in corso. In un primo tempo si è proceduto a verificarne il funzionamento tramite regimi operativi poco impegnativi, cioè lontani dalle condizioni di onset, per validare l'intero apparato. In seguito è stata svolta un'intensa campagna di prove per analizzare il comportamento del motore in un vasto campo di condizioni operative, al variare delle condizioni di scarica, di portate di propellente e di configurazioni di campo magnetico applicato.
Un esempio tipico dei vantaggi sulla spinta ottenuti in seguito ad una opportuna configurazione di campo magnetico [3] sono riportati in Fig 2.2 e Fig 2.3.
Fig 2.3 Misure di efficienza di spinta in funzione della potenza con portate di 660mg/s
Dai risultati sopra emerge che i maggiori vantaggi con una configurazione opportuna del campo magnetico si possono ottenere per le basse potenze: circa 100kW. Dalle evidenze sperimentali si può anche concludere che:
- alle basse potenze il contributo alla spinta del meccanismo accelerativo di Hall prevale sugli altri e di conseguenza si ottengono vantaggi in termini di impulso specifico ed efficienza di spinta rispetto al caso senza campo magnetico applicato; - alle alte potenze (>500kW), in funzione anche della intensità del campo magnetico
applicato, il contributo di Hall diventa sempre meno importante e la spinta coincide con quella per il caso di campo magnetico applicato nullo.
Nel corso delle prove svolte si è riscontrata la necessità di un maggior controllo della camera di preionizzazione. Il sistema impiegato per l'alimentazione gassosa dei catodi periferici, si è infatti rilevato insufficiente da un punto di vista del controllo della portata.
2.3 Obiettivi della tesi
Il lavoro svolto in questa tesi si inserisce in gran parte nel programma di studio del comportamento dei catodi cavi multicanale da utilizzare nel propulsore MPD illustrato nei paragrafi precedenti, con una parte dedicata al miglioramento dell'alimentazione gassosa della camera di preionizzazione del propulsore. Considerati i risultati di cui al paragrafo precedente ottenuti sul propulsore HPT, si è deciso di approfondire lo studio del campo delle
basse potenze (circa 100kW) per un uso pulsato. In particolare il lavoro di tesi si compone di una parte teorica ed una parte sperimentale. La parte teorico-numerica consiste nello sviluppo e risoluzione di un modello di catodo cavo multicanale sulla base di lavori già svolti in passato al Centrospazio. La parte sperimentale si compone di due fasi: una prima fase di progetto e modifica in cui viene realizzato un catodo cavo multicanale da applicare al motore HPT e ridisegnato il circuito periferico di alimentazione gassosa; una seconda fase in cui vengono condotte prove sul motore nel suo insieme per verificare la bontà delle modifiche.
Gli obiettivi sono in sintesi:
- individuare un sistema completo di equazioni che descriva adeguatamente i principali fenomeni fisici caratterizzanti il catodo cavo multicanale;
- risolvere il sistema di equazioni di cui sopra implementandolo con un software che renda agevole una futura modifica del modello e/o del metodo risolutivo dello stesso; - modificare il sistema di alimentazione gassosa del motore per avere un maggior
controllo sulla camera di preionizzazione, anche in previsione di una futura modifica del sistema di alimentazione elettrica.
RIFERIMENTI
[1] Oberth R.C., Jahn R.G., "Anode Phenomena in High-Current Accelerators", AIAA Journal, January, 1972.
[2] M. Andrenucci, F. Paganucci, and G. La Motta, “MPD Thruster Performance with
Cathode Heating”, AIAA-92-3458, 28th Joint Propulsion Conference, July 6-8,
1992, Nashville, TN.
[3] P. Rossetti, F. Paganucci, M. Andrenucci, “Operation of an MPD Thruster with a
