Numerical and experimental investigation into the performance of plasma-based thruster for space propulsion

Un Helicon Plasma Thruster è un propulsore elettrico in cui la spinta è ottenuta accelerando, attraverso un ugello magnetico, il plasma prodotto in una sorgente Helicon. I componenti principali di un Helicon Plasma Thruster sono (i) un condotto in materiale dielettrico all'interno del quale il plasma viene prodotto a partire da un propellente gassoso, (ii) un'antenna eccitata in radio frequenza (alcuni MHz) che sostiene la scarica, e (iii) magneti che generano un campo magnetostatico, di intensità solitamente inferiore a 0.2 T, il quale viene impiegato sia per migliorare il confinamento del plasma che per favorirne l'accelerazione. La tecnologia Helicon risulta particolarmente adatta ad applicazioni spazio, infatti propulsori di questo tipo hanno una geometria molto semplice e quindi sono relativamente poco costosi, hanno una vita operativa molto lunga perché non ci sono griglie o elettrodi a contatto con il plasma, e non servono neutralizzatori perché il flusso di particelle eiettato è globalmente neutro. Dato che le prestazioni di un Helicon Plasma Thruster (spinta ed impulso specifico) sono intimamente legate a come il plasma è prodotto ed accelerato, si è ritenuto opportuno sviluppare un codice numerico in grado di simulare sia la sorgente Helicon che il fascio di plasma (chiamato plume). Nello specifico, il codice 3D-VIRTUS è stato sviluppato per risolvere l'accoppiamento fra la propagazione di onde elettromagnetiche ed il trasporto di plasma nella sorgente, mentre un modello analitico è stato adottato per simulare il plume e quindi ottenere una stima preliminare delle prestazioni. In particolare con 3D-VIRTUS si possono simulare sorgenti di forma generica, sostenute da antenne di geometria qualsiasi, e circondate da campi magnetostatici generati sia da elettromagneti che da magneti permanenti. Inoltre, 3D-VIRTUS è stato verificato sia contro altri modelli numerici che contro misure sperimentali. Il nuovo codice è stato quindi impiegato per l'analisi di una configurazione semplificata di Helicon Plasma Thruster. I parametri del sistema (cioè densità iniziale dei neutri, intensità e topologia del campo magnetostatico) e la geometria (cioè diametro e lunghezza della scarica, forma dell'antenna) sono stati analizzati in un intervallo tipico per un'applicazione spazio, in particolare si è valutato il loro impatto su (i) profili di plasma all'equilibrio all'interno della sorgente (cioè densità e temperatura), (ii) comportamento elettrico della scarica (cioè impedenza dell'antenna), e (iii) stime preliminari delle prestazioni del motore. In aggiunta, una bilancia di spinta di tipo counterbalanced pendulum, progettata per testare Helicon Plamsa Thruster, è stata caratterizzata ed utilizzata. La bilancia può lavorare con prototipi che producono una spinta fra le decine di uN e le decine di mN, alimentati da una potenza inferiore a 1 kW, ed il cui inviluppo di massa (cioè motore più eventuali sottosistemi come una PPU) sia inferiore a 10 kg. Si possono effettuare decine di misure al giorno con un'incertezza di 2-sigma nell'ordine del 15%. Alcuni test preliminari sono stati condotti per caratterizzare la risposta meccanica della bilancia (cioè sensibilità, intervallo di linearità, e rumore), e per elaborare una procedura per correggere lo zero-position drift. Successivamente la bilancia di spinta è stata utilizzata per valutare le prestazioni di un Helicon Plasma Thruster di media taglia (200-300 W) fatto lavorare con xeno ed anidride carbonica. In fine, una campagna numerico-sperimentale è stata condotta su di un prototipo di taglia piccola (50 W) alimentato ad argon per verificare l'attendibilità delle simulazioni effettuate su motori reali.