4 Strategie di alimentazione del propellente 3 I liquidi ionici 2 Motivazioni ed obiettivi 1 La propulsione ad emissione di campo INDICE

I

INDICE

1 La propulsione ad emissione di campo

1.1 Generalità sui propulsori elettrostatici ... 1

1.2 La propulsione elettrica ad emissione di campo (FEEP).. ... 4

1.2.1 Elementi costituenti il FEEP.. ... 8

1.2.1.1 L’unità emettitrice ... 9

1.2.1.2 Il neutralizzatore ... 10

1.2.1.3 Il sistema di alimentazione del propellente.. ... 11

1.2.1.4 L’unità di controllo e di regolazione di potenza.. ... 12

2 Motivazioni ed obiettivi 2.1 Motivazioni ... 15 2.2 Obiettivi.. ... 18 3 I liquidi ionici 3.1 Descrizione generale ... 21 3.2 Proprietà chimico-fisiche.. ... 22

4 Strategie di alimentazione del propellente 4.1 Introduzione ... 27

4.2 Alimentazione per capillarità.. ... 28

4.2.1 Teoria dei fenomeni di superficie ... 28

4.2.1.1 Tensione superficiale e forze capillari.. ... 28

4.2.1.2 Contatto tra fasi diverse e legge di Young-Dupré ... 30

4.2.1.3 Legge di Washburn……... ... 32

4.2.1.4 Approccio termodinamico ai fenomeni superficiali.. ... 33

4.2.2 Modelli approssimati per il calcolo delle forze capillari ... 36

II

4.3.1 Dispositivi MEMS ... 42

4.3.2 Alimentazione per mezzo di micropompe….. ... 44

4.3.2.1 Micropompe meccaniche ... 45

4.3.2.2 Micropompa magnetoidrodinamica.. ... 49

5 Test sulla massima pressione tollerabile dal menisco 5.1 Introduzione ed obiettivi della prova ... 53

5.2 Modello per il calcolo della pressione tollerabile dal menisco .. ... 56

5.3 Set-up e procedura per l’esecuzione del test ... 60

5.4 Modifica al feeding system.. ... 68

5.5 Risultati ed interpretazioni... 72

6 Pompa magnetoidrodinamica ... 6.1 Equazioni della magnetoidrodinamica.. ... 81

6.2 Semplificazioni delle equazioni ... 83

6.3 Pompa magnetoidrodinamica in configurazione DC... 87

6.4 Pompa magnetoidrodinamica in configurazione AC ... 89

7 Prove preliminari di corrente 7.1 Introduzione ... 95

7.2 Generazione di corrente in un liquido tra due elettrodi.. ... 96

7.2.1 Elettrolisi e formazione del double layer ... 96

7.2.2 Struttura del double layer.. ... 97

7.2.3 Rappresentazione elettrica equivalente del sistema elettrodi/liquido .... 105

7.3 Prove di corrente con il liquido ionico EMI-BF4 ed elettrodi in rame.. ... 107

7.3.1 Prove a tensione costante ... 107

7.3.2 Prove a tensione alternata.. ... 112

7.3.2.1 Confronto tra valori teorici e sperimentali ... 116

7.3.2.2 Calcolo della capacità equivalente del double layer.. ... 121

III

7.4 Prove di corrente con il liquido ionico EMI-BF4 ed elettrodi in acciaio.. ... 127

7.4.1 Prove a tensione costante ... 127

7.4.2 Prove a tensione alternata con circuito inseguitore di tensione.. ... 130

7.4.2.1 Confronto tra valori teorici e sperimentali ... 133

7.4.2.2 Calcolo della capacità equivalente del double layer.. ... 136

7.5 Confronto tra i risultati relativi agli elettrodi in acciaio e quelli in rame.. ... 138

7.6 Conclusioni.. ... 142

8 Progetto di una pompa magnetoidrodinamica 8.1 Introduzione ed obiettivi ... 145

8.2 Modello per il calcolo del salto di pressione.. ... 148

8.3 Dimensionamento dei componenti della pompa magnetoidrodinamica ... 155

8.3.1 Dimensionamento del condotto per il liquido.. ... 155

8.3.1.1 Tavola geometrica ... 158

8.3.2 Dimensionamento dell’elettromagnete.. ... 160

8.3.2.1 Vincoli e geometria di riferimento ... 161

8.3.2.2 Analisi delcircuito magnetico equivalente.. ... 165

8.3.2.3 Configurazione dell’elettromagnete ... 168

8.3.2.4 Analisi delle bobine dal punta di vista elettrico.. ... 171

8.3.2.5 Perdite nel nucleo ferromagnetico .. ... 178

8.3.2.6 Tavole geometriche dell’elettromagnete .. ... 184

8.3.2.7 Prova dell’elettromagnete con singola bobina ... 187

9 Circuiteria della pompa magnetoidrodinamica 9.1 Introduzione ... 199

9.2 Necessità di un circuito sfasatore.. ... 200

9.3 Circuito di comando dell’elettromagnete ... 207

IV

10 Campagna di test con la pompa magnetoidrodinamica

10.1 Descrizione del set up ... 219 10.2Considerazioni ed organizzazione dei test. ... 221 10.3 Risultati dei test ... 226

11 Efficienza di una pompa magnetoidrodinamica

11.1 Potenza elettrica richiesta da una pompa magnetoidrodinamica ... 239 11.2 Efficienza e limiti nel salto di pressione ottenibile con una pompa

magnetoidrodinamica. ... 241

12 Conclusioni e sviluppi futuri ... 253