INDICE GENERALE
Indice generaleIndice delle figure Indice delle tabelle Lista dei simboli
1 La propulsione spaziale ... 1
1.1 Introduzione ... 1
1.2 Classificazione dei propulsori ... 1
1.2.1 I propulsori chimici... 7
1.2.2 I propulsori elettrici... 8
2 Teoria del funzionamento di un motore ad effetto Hall ... 19
2.1 Moto delle particelle cariche in campi elettrici e magnetici ... 19
2.1.1 Moto di una particella in un campo elettrico uniforme: B = 0... 19
2.1.2 Moto di una particella in un campo magnetico uniforme: E = 0 ... 20
2.1.3 Moto di una particella in campi uniformi: E E 0, B E 0... 22
2.2 Descrizione del propulsore ad effetto Hall... 25
2.3 Influenza del campo magnetico ... 27
2.4 Processo di ionizzazione ... 29
2.5 Conduzione verso le pareti della camera ... 30
2.6 Influenza della parete della camera di accelerazione ... 32
3 Motivazioni ed obiettivi ... 35
3.1 Motivazioni ... 35
3.2 Il propulsore XHT-100... 36
3.2.1 Circuito d’adduzione del propellente... 36
3.2.2 Circuito magnetico... 38
3.2.4 Dissipazione del calore...40
3.2.5 Catodo...40
3.2.6 Condizioni operative ...41
3.2.7 Problematiche note ...42
3.3 Obiettivi ...42
4 Predizione funzionamento del motore ...45
4.1 Introduzione...45
4.2 Prestazioni ideali del motore...45
4.3 Simulazione PicPlus ...48
4.4 Procedura d’accensione ...52
4.5 Pianificazione delle prove ...54
4.5.1 Degassamento e stabilizzazione ...54
4.5.2 Caratterizzazione del propulsore ...56
4.5.3 Ottimizzazione...56
4.5.4 Mappatura del propulsore...57
4.5.5 Caratterizzazione del fascio...59
4.5.6 Test di sparo breve...60
4.5.7 Test termico ...60
5 Allestimento dell’esperimento col catodo ad emissione termoionica...63
5.1 Introduzione...63
5.2 Scelta delle colle...63
5.2.1 Ceramabond 569...65
5.2.2 Ceramabond 685-N ...68
5.2.3 Ceramabond 552...70
5.2.4 Provino in ferro...71
5.2.5 Prove tensione ...72
5.2.6 Individuazione del prodotto adatto...73
5.3 Termocoppie ...74
5.4 Apparecchiature di misura ...75
5.5 Assemblaggio...76
5.6 Descrizione dell’impianto di prova ...79
5.6.1 Sistema di potenza...80
5.6.2 Sistema d’alimentazione gassosa ...81
5.6.3 Sistema di controllo e acquisizione dati ...82
6 Prove sperimentali con il catodo ad effetto termoionico ... 89
6.1 Introduzione ... 89
6.2 Verifiche di resistenza elettrica ... 89
6.3 Test I... 90
6.3.1 Schema elettrico standard ... 91
6.3.2 Test di funzionamento del sistema d’alimentazione gassosa... 92
6.3.3 Prove iniziali ... 92
6.3.4 Test del catodo ... 93
6.3.5 Prime considerazioni... 94
6.3.6 Ulteriori test ... 95
6.3.7 Conclusione del test I... 98
6.4 Apertura della camera e controllo del propulsore ... 98
6.5 Riparazioni... 100
6.6 Test II ... 103
6.6.1 Modifiche nella strumentazione... 103
6.6.2 Test sul catodo ... 104
6.6.3 Accensione dell’XHT-100 ... 106
6.7 Dati di sparo ... 108
6.8 Apertura della camera ... 110
7 Analisi dei dati e caratterizzazione catodo ad effetto termoionico... 113
7.1 Introduzione ... 113
7.2 Analisi dati ... 113
7.3 Caratterizzazione del catodo ... 118
7.3.1 Tipologia di catodo ... 118
7.3.2 Procedura d’attivazione ... 119
7.3.3 Preparazione dell’esperimento in camera a vuoto ... 119
7.3.4 Dati di funzionamento del catodo ... 122
7.4 Conclusioni ... 126
8 Prove e risultati con il catodo cavo... 129
8.1 Introduzione ... 129
8.2 Descrizione del catodo cavo ... 129
8.3 Differenze tra catodo cavo e catodo ad effetto termoionico... 131
8.4 Prove con il catodo cavo... 132
9 Studi preliminari sulle strumentazioni di misura...139
9.1 Introduzione...139
9.2 Attrezzatura per il campo magnetico ...139
9.3 Bilancia di spinta...142
9.3.1 Bilancia a doppio pendolo inverso ...145
9.3.2 Bilancia a pendolo diretto...148
10 Conclusioni e sviluppi futuri...151
10.1 Conclusioni...151
10.2 Sviluppi futuri ...153
BIBLIOGRAFIA ...155
APPENDICI ...159
A. Prove XHT-100 con catodo termoionico svolte presso Centrospazi...161
Test I - Dati...161
Test I - Note...165
Test II – Dati...168
Test II - Note...171
B. Prove di caratterizzazione del catodo ...175
Test I - Distanza anodo catodo 45 mm ...176
Test II – Distanza anodo catodo 45 mm ...176
Test I – Distanza anodo catodo 5 mm ...177
Test II - Distanza anodo catodo 5 mm...178
INDICE DELLE FIGURE
Capitolo 1Figura 1.1 - Impulso specifico ottimale per un propulsore elettrico... 7
Figura 1.2 - Fotografia di un resistogetto ad idrazina... 10
Figura 1.3 - Sezione di un resistogetto ad idrazina... 11
Figura 1.4 - Fotografia di un arcogetto da 3.5 kW in funzione (19% CO, 24% N2, 57% H2)... 11
Figura 1.5 - Schema di un motore a ioni... 12
Figura 1.6 - Schema di funzionamento di un propulsore FEEP ... 14
Figura 1.7 - Fotografia di un propulsore FEEP assemblato (sinistra) e di un propulsore FEEP durante lo sparo (destra) ... 15
Figura 1.8 - Schema di funzionamento di un propulsore a bombardamento elettronico ... 15
Figura 1.9 - Fotografie di propulsori RIT-10... 16
Figura 1.10 - Schema di funzionamento di un propulsore magnetoplasmadinamico ... 17
Figura 1.11 - Fotografia del propulsore HPT (Hybrid Plasma Thruster) ... 18
Figura 1.12 - Schema di funzionamento di un motore ad effetto Hall (HET) ... 18
Capitolo 2 Figura 2.1 - Raggio di Larmor e velocità di deriva definita per particelle di carica negativa e positiva... 24
Figura 2.2 - Schema di funzionamento di un motore ad effetto Hall ... 26
Figura 2.3 - Ionizzazione per unità di area dello Xe in Xe+e Xe++ per impatto con un elettrone... 31
Figura 2.4 - Struttura dello sheat della parete ... 32
Figura 2.5 - Tipica struttura della curva di produzione degli elettroni secondari.... 33
Capitolo 3 Figura 3.1 – Spaccato e visione d’insieme dell’XHT-100... 37
Figura 3.2 – Schema 2D dell’XHT-100... 38
Figura 3.3 - Andamento del campo magnetico tra i due poli... 39
Figura 3.5 - Schema delle attività...44
Capitolo 4 Figura 4.1 – Grafico parametrico Impulso Specifico – Spinta...48
Figura 4.2 – Griglia di calcolo...49
Figura 4.3 – Densità degli ioni xeno ...51
Figura 4.4 – Forma del fascio...51
Figura 4.5 - Curva di Paschen in fase d’accensione...53
Figura 4.6 – Diagramma a blocchi delle prove ...55
Capitolo 5 Figura 5.1 – Zone da isolare ...65
Figura 5.2 - Provini piani in alluminio per colla Ceramabond 569 e particolare ...66
Figura 5.3 - Provini curvi in alluminio per colla Ceramabond 569 e particolare...67
Figura 5.4 - Provino piano in acciaio per colla Ceramabond 569 e particolare ...67
Figura 5.5 - Provini piani in alluminio per colla Ceramabond 685-N e particolari .68 Figura 5.6 - Provini curvi in alluminio per colla Ceramabond 685-N e particolari 69 Figura 5.7 - Provino piano in acciaio inox per colla Ceramabond 685-N e particolare ...69
Figura 5.8 - Provini piani in alluminio per colla Ceramabond 552 e particolare ...70
Figura 5.9 - Provini curvi in alluminio per colla Ceramabond 552 e particolare...71
Figura 5.10 - Provino in ferro con colla Ceramabond 569 e 685-N...72
Figura 5.11 - Particolari del provino in ferro, Ceramabond 569 a sinistra, 685-N a destra...72
Figura 5.12 – Posizionamento delle termocoppie ...74
Figura 5.13 – Termocoppia utilizzata e sue caratteristiche ...75
Figura 5.14 – Trasduttore di tensione e specifiche...76
Figura 5.15 – Base con isolante, magnete, guarnizione ...77
Figura 5.16 – A sinistra la base con le viti che serrano l’espansione, a destra la camera montata...77
Figura 5.17 - A sinistra il montaggio di magnete e termocoppie, a destra il motore con il coperchio in alluminio verniciato in nero...78
Figura 5.18 - A sinistra i pezzi del catodo ed a destra il catodo montato...79
Figura 5.19 - Camera a vuoto utilizzata per le prove sperimentali...80
Figura 5.20 - Schema del sistema d’alimentazione gassosa...82
Figura 5.21 - Schema generale del sistema d’acquisizione e controllo dati...83
Figura 5.22 - Sistema di controllo dell’impianto a vuoto...84
Figura 5.23 - Sistema di controllo dei parametri funzionali del motore ...84
Figura 5.24 – Posizionamento in camera del propulsore...85
Figura 5.25 – Motore in camera vista frontale ...86
Capitolo 6
Figura 6.1 - Schema elettrico standard ... 91
Figura 6.2 - Schema elettrico con anodo disconnesso ... 94
Figura 6.3 - Schema elettrico con anodo a terra ... 95
Figura 6.4 - Immagine dello xeno ionizzato ... 96
Figura 6.5 - Schema elettrico con catodo a terra ... 97
Figura 6.6 - Immagini dei danni dovuti alla scarica elettrica ... 99
Figura 6.7 - Erosione della camera ... 99
Figura 6.8 - Ripristino isolamento elettrico della camera di distribuzione... 100
Figura 6.9 - Sostizione del contatto elettrico ... 101
Figura 6.10 - Nuova posizione del catodo ... 102
Figura 6.11 - Disuniformità dell’anodo ... 103
Figura 6.12 - Schema elettrico d’inizio test II ... 104
Figura 6.13 - Anodo a terra... 105
Figura 6.14 - Prima accensione... 107
Figura 6.15 - Propulsore in funzione ... 108
Figura 6.16 - Bruciature sul supporto del catodo (sinistra), ingiallimento della camera di allumina (destra)... 110
Figura 6.17 – Vetrificazione del macor ... 111
Capitolo 7 Figura 7.1 – Dati sperimentali in funzione della potenza di scarica ... 115
Figura 7.2 – Dati sperimentali in funzione della corrente di scarica ... 116
Figura 7.3 – Efficienza anodica, efficienza e spinta in funzione della potenza... 117
Figura 7.4 – Esperimento montato sulla mensola... 120
Figura 7.5 – A sinistra particolare del catodo a destra dell’anodo-bersaglio... 121
Figura 7.6 – Esperimento durante la fase d’accensione lampade interne per favorire il degassamento... 121
Figura 7.7 – Raffronto tra densità di corrente estratta sperimentalemente e quella massima estraibile (legge di Child)... 124
Capitolo 8 Figura 8.1 - Schema costruttivo di un catodo cavo... 130
Figura 8.2 - Funzionamento di un catodo cavo... 131
Figura 8.3 – Catodo cavo ... 133
Figura 8.4 – XHT-100 con catodo cavo e supporto... 134
Figura 8.5 – Propulsore in camera con il catodo in alto ... 134
Figura 8.6 – Schema elettrico nelle prove svolte in Alenia-Spazio/ Proel ... 135
Capitolo 9
Figura 9.1 – Schema dell’attrezzatura per la misurazione del campo magnetico ..140
Figura 9.2 – Dimensioni del sensore Hall BH706 della F.W. Bell ...141
Figura 9.3 - Tipologie di bilancia di spinta ...142
Figura 9.4 – Sensore LvDT ...144
Figura 9.5 – Bilancia torsionale...145
Figura 9.6 – Progetto preliminare di bilancia di spinta a doppio pendolo inverso (a sinistra) e bilancia già presente (a destra)...146
INDICE DELLE TABELLE
Capitolo 1Tabella 1.1 - Prestazioni tipiche di alcuni sistemi di propulsione
(EB=bombardamento elettronico, RF=radiofrequenza) [30, 31, 32]... 3
Tabella 1.2 - Valori dell’incremento di velocità per alcune missioni tipiche (* = trasferimenti tramite manovre alla Hohmann) [30, 32] ... 5
Capitolo 2 Tabella 2.1 - Dati sull’emissione secondaria di elettroni per vari materiali ... 33
Capitolo 3 Tabella 3.1 - Missioni tipiche per micropropulsori ... 36
Tabella 3.2 – Dati caratteristici del propulsore... 37
Tabella 3.3 – Intervallo di prestazioni ... 41
Capitolo 4 Tabella 4.1 – Procedure d’accensione ... 53
Tabella 4.2 – Pianificazione delle prove per fase di degassamento e stabilizzazione ... 55
Tabella 4.3 – Caratterizzazione del propulsore... 56
Tabella 4.4 – Ottimizzazione ... 58
Tabella 4.5 – Mappatura del propulsore ... 58
Tabella 4.6 – Caratterizzazione del fascio ... 59
Tabella 4.7 – Test di sparo breve ... 60
Tabella 4.8 – Test termico ... 61
Capitolo 5 Tabella 5.1 – Proprietà principali delle colle ceramiche testate ... 64
Tabella 5.2 – Resistenza elettrica nei provini ... 73
Capitolo 6
Tabella 6.1 – Rapporti tra pressione in camera e portata di propellente ...92
Tabella 6.2 – Valori dei parametri principali durante il funzionamento ...109
Capitolo 7 Tabella 7.1 –Dati prestazionali...117
Tabella 7.2 – Parametri di funzionamento del riscaldatore al variare della temperatura forniti dal costruttore ...118
Tabella 7.3 – Correnti estratte in funzione del voltaggio anodico a 45 mm...123
Tabella 7.4 – Correnti estratte in funzione del voltaggio anodico a 5 mm...124
Tabella 7.5 – Rilevazioni a 45 mm ad alte differenze di potenziale ...125
Capitolo 8 Tabella 8.1 – Confronto tra catodo cavo e catodo ad effetto termoionico ...132
Tabella 8.2 – Dati di sparo ((*) valori stimati)...136
Capitolo 9 Tabella 9.1 – Confronto tra bilance di spinta ...143
