Optimization and Automatic Control of Radio-Frequency Plasma Thrusters for Space Applications

I propulsori al plasma di tipo Helicon rappresentano una famiglia recente ed innovativa di propulsori spaziali, che sta attualmente ricevendo l'attenzione delle comunità di ricerca grazie ad (i) una struttura molto semplice, basata su un tubo in materiale dielettrico (la camera di scarica) in cui viene generato il plasma, un'antenna RF per propellente ionizzazione e un magnetostatico settore che limita e trasmette il plasma, (ii) la mancanza di catodi di neutralizzazione e di altri elettrodi immersi nel plasma, il che ne estende potenzialmente la vita operativa e (iii) la potenziale capacità di operare con diversi propellenti, sia mono-atomici che molecolari. Questa tesi di dottorato riporta lo sviluppo di un innovativo set-up sperimentale per la caratterizzazione e l'ottimizzazione di Helicon Plasma Thruster (HPT) presso la facility di propulsione elettrica del CISAS, comprendente un test-bed, composto da una sorgente di plasma riconfigurabile e un complesso di apparati di diagnostica di plasma, e un innovativo sistema di generazione di potenza RF ad alta efficienza, destinato a testare propulsori aventi potenze in ingresso dell'ordine del kW. L'attività è stata svolta sia autonomamente dal gruppo di propulsione elettrica e nell'ambito del programma di ricerca italiano SAPERE - STRONG (Space Advance Project Excellence in Research and Enterprise - System, Technologies and Research for Global National Operativity) [1], mirante allo sviluppo di un prototipo di HPT da 1-1.5 kW funzionante con Argon o CO2. L'attività costituisce uno sviluppo della tecnologia e del know-how derivante dal programma HPH.Com, portato avanti presso il CISAS dal 2008 al 2012 con l'obiettivo di sviluppare un HPT da 50 W impiegante Argon [2], durante il quale è stata sviluppata una innovativa sorgente dil plasma in RF ad alte prestazioni (Figura[1]). Il nuovo set-up costituisce infatti un aggiornamento di quello esistente, che presenta (i) un sistema di pompaggio ad alto vuoto, (ii) una sorgente di plasma riconfigurabile, progettata per bassa potenza (fino a 100 W) e (iii) una serie di dispositivi diagnostici per il plasma, compreso un interferometro a microonde per la misura della densità del plasma, spettrometri ottici e sonde di Faraday per le misure di corrente nel plume emesso dal motore. La configurazione generale dello HPT ad alta potenza, sulla base della quale quale è stata basata la progettazione del nuovo set-up, è stata determinata mediante simulazioni condotte con un modello globale della sorgente di plasma, sviluppato nell'ambito di un altro lavoro di dottorato presso il CISAS. La configurazione risultante impiega circa 30-80 volte la portata massica di HPH e circa 20-30 volte la potenza. Nelle simulazioni è stata imposta la minimizzazione delle dimensioni del thruster, in modo da competere più efficientemente con altre tecnologie propulsive caratterizzate da prestazioni similari (propulsori ad effetto Hall, propulsori a ioni), con il risultato di arrivare ad una densità di potenza per unità di superficie maggiore di 7-10 volte rispetto ad HPH.Com. Lo sviluppo del set-up ad alta potenza destinato a testare simili propulsori ha dovuto fronteggiare una serie di problematiche, che possono essere così riassunte: * la tecnologia alla base della sorgente di plasma, in particoalr modo per quanto riguarda il circuito in RF, è stata sviluppata e testata per impiego con Argon a livelli di potenza compresi fra 50-100 W. Ciò porta alla necessità di una ulteriore analisi teorica e sperimentale per (i) caratterizzarne le prestazioni con nuovi propellenti (CO2 nello specifico), (ii) ottimizarne il design, (iii) indagarne la scalabilità, in particolare tenendo conto della maggiore densità di potenza, (iv) sviluppare strumenti di analisi e design del circuito in RF; * durante le prove il propulsore deve essere ri-congurato (in termini di geometria e campo magnetico) ed i parametri di input (tipo di propellente, portata di massa, potenza di ingresso) vengono variatii, portando ad una grande varietà di possibili regimi di funzionamento. L'impedenza elettrica dell'antenna cambierà di conseguenza, venendo vista come un carico elettrico ampiamente variabile dal sistema di generazione di potenza elettrica; * gli apparati diagnostici per il plasma esistenti sono stati sviluppati durante HPH.Com per essere usati su plasmi di Argon a bassa potenza. Ciò implica che i loro range di funzionamento potevano non essere adatti per il funzionamento ad alta potenza e/o per l'impiego con altri propellenti ; *l'accresciuta densità di potenza rispetto ad HPH comporta maggiori carichi termici e più alte tensioni e correnti, con rischi di danneggiamento potenzialmente accresciuti. Questi problemi sono stati affrontati tramite un programma di lavoro articolato in varie fasi. Come primo passo è stata condotta un'indagine teorica e sperimentale a bassa potenza sul circuito RF del propulsore, volta a caratterizzarne l'impedenza complessa nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo, con e senza il plasma. Sulla base dei dati raccolti è stato possible sviluppare (i) un affidabile modello a parametri concentrati, implementato in Matlab e Simulink, impiegato per studi teorici e per l'analisi prestazionale delle antenne esistenti e (ii) uno strumento numerico di progettazione preliminare per le antenne, sulla base di un algoritmo accoppiato Matlab / FEMM (Finite Elements Method Magnetics) capace di prevedere le prestazioni elettriche di un'antenna sulla base della sua struttura e dei materiali. Assieme a questo studio teorico/sperimentale è stato portato avanti anche un processo di raffinazione del design del circuito RF del propulsore, condotto anche in questo caso per mezzo di test sperimentali e analisi numeriche, miranti alla massimizzazione del campo elettrico generato dall'antenna per un dato voltaggo applicato ai suoi morsetti di ingresso. Questo processo è stato seguito da una ottimizzazione bassa potenza dell'HPT con l'antenna modificata, allo scopo di caratterizzarne le prestazioni in configurazione aggiornata. L'incognita circa i funzionamento con CO2 è stata affrontata mediante test a bassa potenza con tale gas, condotti impiegando il set-up di HPH.Com, al fine di individuare eventuali problematiche legate all'impiego di questo propellente. I risultati hanno dimostrato che la CO2 può essere impiegata come propellente senza problemi significativi, ma richiede, per ottenere prestazioni ottimali, una configurazione sorgente di plasma differente rispetto all' Argon. In questa occasione l'impiegabilità delle diagnostiche di plasma esistenti con CO2 è stato analizzata e verificata. La capaciàa del delle diagnostiche di operare ai regimi di potenza e portata massica richiesti dal nuovo propulsore è stata analizzata, concludendo che gli apparati attualmente disponibili sono adatti per il funzionamento ad alta potenza. Gli effetti della superiore densità di potenza sono stati esplorati tramite test alla potenza intermedia di 500 W con il set-up di HPH.Com, sottoponendolo dunque ad una densità di potenza 10 volte superiore a quella già testata. Questa attività ha permesso di (i) individuare i problemi termici/elettrici legati alla maggiore densiàa di potenza ed elaborare relative soluzioni, (ii) studiare il modo in cui le prestazioni della sorgente di plasma sviluppata per gli HPT scalano con la potenza, in termini di spettri di emissione e densità del plasma, (iv) verificare che non insorgano fenomeni di instabilità di plasma. L'esperienza ed i dati raccolti durante questo lavoro hanno reso possiblie la progettazione e lo sviluppo di una sorgente di plasma riconfigurabile, caratterizzata da una camera di scarica a geometria variabile e di un campo magnetico che può essere variato in posizione, intensità e forma. Parallelamente allo sviluppo della sorgente di plasma è stato inoltre portato avanti lo sviluppo di un sistema di generazione di potenza in RF. Tale attività è stata condotta in cooperazione con RESIA, un partner del CISAS durante HPH.Com, specializzato in realizzazioni elettroniche non convenzionali. Il sistema è composto da (i) un innovativo amplificatore RF, in grado di funzionare ad alta efficienza con un carico ampiamente variabile e (ii) un sistema di controllo automatizzato, in grado di evitare le riflessioni di potenza dal carico in ogni condizione operativa. In aggiunta a questa attività si è inoltre proceduto alla progettazione preliminare di un HPT ad alta potenza impiegante anidride carbonica come propellente, allo scopo di identificare soluzioni progettuali utili per la futura prosecuzione del programma SAPERE - STRONG. I capitoli 1 e 2 forniscono un'introduzione generale ed un preliminare sguardo d'insieme sul set-up per il testing e lo sviluppo di propulsori Helicon al CISAS; lo studio teorico e sperimentale sul sistema RF è illustrato nel capitolo 3, mentre il capitolo 4 riporta il processo di raffinazione del design dell'antenna e la successiva ottimizzazione a bassa potenza del propulsore. Il capitolo 5 tratta tutte le attività sperimentali, teoriche e progettuali legate allo sviluppo di un banco di prova ad alta potenza in grado di funzionare con diversi propellenti, mentre il design e deveolpment del sistema di generazione di potenza RF è illustrato nel capitolo 6. Come attività accessoria sono stati aggiornati gli algoritmi per l'analisi dei dati della sonda di Faraday.