Optimization and Characterization of The High Efficiency Pulsed Plasma Thruster SIMP-LEX for the Lunar Mission BW1

Sommario
Benché gli acceleratori di plasma costituiscano una valida alternativa ai tradizionali
propulsori chimici per missioni spaziali ad alto ∆V , la bassa efficienza e la difficile de-
terminazione dei fenomeni fisici di base, hanno rallentato il processo di sviluppo di tali
tecnologie. Scopo del presente lavoro di tesi é quello di offrire una parziale panorami-
ca delle principali cause e soluzioni del problema della ridotta efficienza per propulsori
ablativi al plasma a comportamento pulsato (APPT). Tale obiettivo é stato conseguito
sulla base di un’indagine numerico-analitica che ha portato alla definizione di una nuova
geometria per il propulsore SIMP-LEX sviluppato a partire dal 2002 presso l’Istituto
per i Sistemi Spaziali (IRS) dell’Universitá di Stoccarda. Le ricerche effettuate hanno
evidenziato la presenza di un massimo in efficienza propulsiva in funzione della capacitá
totale dei condensatori da imputarsi alla transizione del comportamento dinamico del
circuito da sottosmorzato a quasi-critico. A questo scopo, mantenendo costante l’energia
fornita al sistema, si sono analizzate le prestazioni del propulsore variando la capacitá
nell’intervallo compreso fra 20µF e 80µF . Ulteriori indagini hanno permesso di definire
l’effetto della frequenza di scarica e dell’induttanza iniziale del circuito sui parametri di
prestazione.
Acknowledgments
Successful completion of this work would not have been possible without the help, ad-
vice and support of many individuals. First, I would like to thank my advisors, Prof.
Hans-Peter Röser and Dr.-Ing. Georg Herdrich for giving me the opportunity to work in
the challenging field of electric propulsion at the well-known Institut für Raumfahrtsys-
teme of the Stuttgart University. I would like to especially thank my direct supervisor
Anuscheh Nawaz for her patience, insight and continuos support in the hard job of ush-
ering me into a new perspective in engineering. Additionally, I would be remiss not to
thank Matthias Lau and Tony Schönherr for their enthusiasm and willingness to share
knowledge and experiences. I want also to thank the laboratory coffee table and all the
IRS members for their patient assistance and for never bothering about my linguistic
dearth.
I am also grateful to my Italian advisors from the Polytechnic of Turin: Prof. Guido
Colasurdo for his helpfulness and competence and Prof. Lorenzo Casalino for having
assist me with accuracy and effectiveness since the very beginning of my academic path.
My friend at Stuttgart made all the difference in the time I spent here. I’ll always
remember the cooking sessions early in the morning, the sleepy Sundays at 18C and
the 750g Gemüse Italia with Max, Schioppo, Beppe, Zanna, Daniele and, of course, the
Weizen: thank for all the fellow-feeling hours spent together. To my long time friends
Stefano, Roberto, Mattia, Cecilia, Dario and Marco, for all the amazing years passed
together in the hard work and in the joyful relax, I also have to thank you all if this day
is come.
I am most indebted to my family for always believing in me and for constantly inspiring
and encouraging me to do my best. Your backing meant the world to me, sometime in
the future I hope I can be there for you in a similar way.
Foremost to Chiara, to whom this thesis is dedicated, your love and support gave me my
reason to keep working the long hours and finally to give this one last push and finishing
all together. I look forward to the good time to come.
Declaration of candidate
I hereby confirm that I wrote this thesis based solely on the mentioned literature and
help from my advisors. I further confirm that I did not copy any part of this thesis from
other documents not authored by me.
Stuttgart, 18th April, 2008
Riccardo Albertoni
iv
Sintesi
I propulsori magneto-plasmadinamici instazionari ad ablazione (APPTs) vengono utiliz-
zati come sistemi per il controllo d’assetto ed orbitale (AOCS) sin dal 1964, data della
missione russa ZOND2 che per prima ha visto impiegati tali propulsori. Gli APPTs
forniscono diversi vantaggi in termini di affidabilità operativa e di flessibilità per quanto
riguarda il consumo di potenza elettrica. Quest’ultimo aspetto è direttamente legato alla
natura instazionaria di tali propulsori, rendendoli particolarmente adatti ad equipaggia-
re piccoli satelliti con stringenti requisiti di consumo energetico. Tuttavia, la loro bassa
efficienza propulsiva costituisce un notevole svantaggio in temini operativi.
Uno schema funzionale di tale classe di propulsori è mostrata in figura 2.1. Al momento
dell’innesco della candela l’energia contenuta in un banco di condensatori viene rilascia-
ta in prossimità della superficie del propellente solido costituito da politetraflouretilene
(PTFE). Grazie all’ablazione ed alla parziale ionizzazione delle barre di propellente, il
circuito elettrico viene chiuso, consentendo alla corrente in transito attraverso il plasma
di interagire con il campo magnetico proprio del circuito e di generare, quindi, una forza
elettromagnetica tale da accelerare la colonna di plasma all’esterno degli elettrodi.
Da un punto di vista elettrico, i propulsori PPT possono essere descritti approssimativa-
mente come circuiti RLC aventi induttanza, L, e resistenza, R, variabili nel tempo per
modellizzare il movimento del plasma.
L’efficienza propulsiva, ηT , è descritta dal rapporto fra l’energia cinetica della colon-
na di plasma in uscita dal propulsore e l’energia presente nei condensatori al momento
della scarica. L’importanza di tale parametro può essere evidenziata considerando che la
massa del generatore di potenza installato a bordo, mG, è in inversamente proporzionale
v
all’efficienza propulsiva ed alla densità energetica dei condensatori, α, e una riduzione
nella massa complessiva dei sistemi di bordo si traduce in un aumento del carico utile.
Mentre α può essere modificato solamente sviluppando nuovi condensatori ad alte pre-
stazioni, l’efficienza propulsiva viene influenzata sia dalla geometria degli elettrodi che
dai parametri elettrici del circuito equivalente. Tuttavia, benché alti valori di capacità,
ottenuti attraverso l’utilizzo di più condensatori in parallelo, forniscano un aumento di
efficienza, l’aumento della massa di un singolo propulsore porta ad una limitazione del
carico utile.
Numerose ricerche [13, 19] hanno evidenziato un incremento dell’efficienza propulsiva
proporzionale all’energia dei condensatori, alla distanza, alla larghezza ed alla forma de-
gli elettrodi. Un’indagine sistematica degli effetti della geometria degli elettrodi sulle
prestazioni è stata effettuata presso l’Istituto dei Sistemi Spaziali (IRS) dell’Università
di Stoccarda [33, 7]. D’altro canto l’influenza dei parametri del circuito è stata studiata
solamente dal Russian Institute for Applied Mechanics and Electrodynamics (RIAME)
presso l’Istituto di Aviazione di Mosca [13]. Un’indagine numerica dell’influenza dei pa-
rametri del circuito sulle prestazioni è stata studiata da Shaw [17] presso il Surrey Space
Center, UK.
Dagli studi compiuti presso il RIAME risulta evidente come un comportamento quasi-
aperiodico del PPT conduca ad un aumento dell’efficienza di utilizzo del propellente, ηpu,
oltre che ad uno spostamento del picco di densità di corrente verso l’uscita del canale di
accelerazione, riducendo, così, il fenomeno noto come late time ablation.
Scopo del presente lavoro di tesi è quello di ottimizzare l’efficienza propulsiva agen-
do sui parametri elettrici del circuito attraverso un’indagine sia analitico-numerica che
sperimentale.
Ottimizzazione analitica
In questa sezione viene studiata l’influenza dei singoli parametri elettrici sull’efficienza
propulsiva e specialmente sul semi-periodo di scarica, τc.
vi
Studio parametrico
Utilizzando la definizione di efficienza propulsiva 2.40, la velocità media di scarico del
plasma può essere approssimata usando la relazione di Newton-Lorentz, equazione 2.7, la
quale, assumendo un’accelerazione uniforme di una sola colonna di plasma (slug model),
permette di accoppiare l’equazione elettrica di Kirchoff con il comportamento meccanico
del plasma.
Da tale relazione appare evidente come l’efficienza propulsiva dipenda dall’integrale nel
tempo della corrente, I, dalla variazione nel tempo dell’induttanza, L˙, dall’energia, E0,
e dalla massa di propellente ablata ad ogni impulso, mbit. L’integrale della corrente può
essere facilmente modellizzato considerando come unica fonte di dissipazione energetica
l’effetto Joule dovuto alla resistenza R durante la scarica dei condensatori.
Tale procedimento evidenzia come l’efficienza propulsiva possa essere incrementata:
1. aumentando l’energia a disposizione ad ogni scarica,
2. riducendo la massa ablata ad ogni impulso. Tale obiettivo può essere raggiunto,
ad esempio, riducendo la superficie esposta alla candela, come dimostrato in [34],
3. riducendo la resistenza e, quindi, la dissipazione termica, sia del circuito che del
plasma stesso,
4. aumentando la variazione di induttanza per unità di lunghezza, L1. Particolari
geometrie degli elettrodi, come, ad esempio, elettrodi divergenti, possono facilitare
l’incremento di tale parametro.
Dipendenza dal periodo di scarica
L’integrale della corrente può essere ottimizzato in base alla pulsazione, ω, della scari-
ca. L’espressione dell’efficienza propulsiva può essere posta in funzione della pulsazione
utilizzando la relazione della corrente per un circuito RLC sotto-smorzato 2.33. Tale
relazione dipende dai tre parametri RLC espressi sia in temini di fattore di smorzamento
che di frequenza angolare. Tuttavia, questo modello non include la variazione di indut-
tanza o di resistenza nel tempo, effettivamente riscontrati durante l’accelerazione del
plasma in un APPT.
vii
L’equazione per l’efficienza 2.53, ottenuta attraverso integrazione simbolica diretta, mo-
stra implicitamente come ηT sia in funzione del periodo caratteristico di scarica, τc =√
LC. Qualora la resistenza fosse trascurata in termini di pulsazione, tale parametro
risulterebbe direttamente connesso al periodo T della scarica.
Mantenendo costante l’energia iniziale, la variazione in induttanza e la massa ablata,
è possibile tracciare il grafico dell’efficienza propulsiva in funzione del semi-periodo di
scarica, come presentato in figura 4.11.
L’esistenza di un massimo di efficienza può essere spiegata considerando il comporta-
mento dell’integrale della corrente nel primo semi-periodo T/2, mantenendo il fatto-
re di smorzamento costante ma variando il valore del semi-periodo. La variazione di
τc = T/ (2pi) può essere teoricamente ottenuta variando solo la capacità benché que-
sto non sia sperimentalmente accettabile in quanto, variando il numero di condensatori,
vi sarà un’influenza non solo a livello di capacità ma anche di induttanza e resistenza.
Poiché la resistenza interna dei condensatori, Equivalent Series Resistance, può essere
considerata trascurabile, la curva di efficienza viene riportata in funzione del periodo
caratteristico in modo da non disaccoppiare le variazioni di capacità da quelle di indut-
tanza.
Considerando l’integrale
´ T/2
0 I
2dt, per scariche sotto-smorzate ad alta frequenza è pos-
sibile dimostrare che esso tende a ridursi mentre, per alti valori del semi-periodo, l’am-
piezza iniziale della scarica I0 tende a zero e conseguentemente anche l’integrale. Fra
questi due effetti avversi, l’integrale raggiunge un massimo. Incrementando l’induttanza
il valore di massimo tende a portarsi in corrispondenza di più alti τc riducendo la pen-
denza della curva di efficienza. In modo analogo è possibile tracciare le curve di efficienza
in funzione dei singoli parametri C e L; entrambi questi andamenti mostrano la presenza
di un massimo.
I risultati ottenuti si presentano in ottimo accordo con i dati numerici forniti da Shaw e
dal modello sviluppato presso l’IRS.
Dipendenza da L0
L’efficienza propulsiva dipende dal valore iniziale di induttanza. Questo parametro viene
determinato sia dalla geometria del propulsore che dalla particolare scelta dei condensa-
viii
tori. Il grafico 2.12 mostra l’influenza dell’induttanza iniziale sull’efficienza. Tale curva
è stata realizzata considerando solamente l’intervallo di valori entro il quale la scarica
risulta sotto-smorzata, ossia per valori L0 > CR2/4. La presenza di un massimo è coe-
rente con il modello descritto dall’equazione 2.33: per L tendente a zero, sia la corrente
massima, I0, che l’accelerazione del plasma tenderanno a zero seguendo un andamento
esponenziale. Benché tale riduzione di efficienza, per valori di induttanza prossimi a
zero, non sia stato sperimentalmente evidenziato, Mostov [30], studiando in precedenza
il fenomeno, giunse alle medesime conclusioni. E’ necessario, tuttavia, sottolineare come
l’aumento di induttanza durante la scarica non sia contemplata in questo procedimento.
Implementando il modello numerico IRS basato sulla risoluzione dell’equazione di Biot-
Savart per elettrodi finiti, l’andamento dell’efficienza in funzione dell’induttanza risulta
essere in accordo con quanto ottenuto attraverso il modello analitico.
Progetto del propulsore ADD SIMP-LEX
Il nuovo propulsore APPT, figura 3.2, è stato sviluppato a partire dal precedente SIMP-
LEX mostrato in figura 2.22 utilizzando le informazioni raccolte durante numerose cam-
pagne di test atte a determinare l’influenza della geometria degli elettrodi sugli indici di
prestazione. I parametri di entrambi i propulsori sono riportati in tabella 1. Entrambi i
SIMP-LEX ADD SIMP-LEX
d/mm 20 20
h/mm 21 21
C/µF 34 80
E0/ J 68 68
Tabella 1: Parametri geometrici degli APPT studiati
propulsori possiedono la medesima geometria degli elettrodi acceleratori con un angolo
di divergenza di 20 ed una struttura cuneiforme.
Il propulsore ADD SIMP-LEX è stato progettato con lo scopo di aumentare le prestazioni
del predecessore SIMP-LEX. A questo fine sono stati studiati e modificati due parametri,
ix
la capacità totale C e l’induttanza iniziale L0. La capacità è stata variata installando
di volta in volta un diverso numero di condensatori mentre la riduzione dell’induttanza
iniziale è stata ottenuta minimizzando l’area compresa fra gli elettrodi, come mostrato
in figura 2.25.
Da un punto di vista strutturale ADD SIMP-LEX si presenta come un propulsore al
plasma instazionario ad elettrodi paralleli (railotron) separati da un foglio di isolan-
te Kapton dello spessore di 10 µm. La particolare struttura degli elettrodi consente di
massimizzare la variazione di induttanza, ∆L, allo scopo di incrementare l’efficienza elet-
trica, ηel < ∆L/L0 [14]. Gli elettrodi acceleratori, a differenza del modello SIMP-LEX,
sono stati progettati in modo tale da non presentare elementi di fissaggio alla struttura
principale allo scopo di minimizzare la resistenza del circuito.
Il confronto fra i parametri elettrici di entrambi i propulsori è riportato in tabella 2.
Poiché durante i test condotti su SIMP-LEX è stata riscontrata una rapida perdita di
SIMP-LEX ADD SIMP-LEX
C/µF 34 80
L/nH 58.89 38.87
R/mΩ 11.45 24.61
E0/ J 68 68
Tabella 2: Parametri elettrici degli APPT studiati
capacità, si è reso necessario selezionare nuovi condensatori tenendo in considerazione le
seguenti limitazioni:
1. Massa contenuta,
2. Bassi valori di auto-induttanza,
3. Alti valori di voltaggio massimo,
4. Alti valori di corrente massima.
La procedura di selezione ha portato ad adottare condensatori di tipo MKV aventi dielet-
trico in carta metallizzata da ambo i lati ed immersi in un bagno d’olio. Tali condensatori
x
presentano un’auto-induttanza di circa 30 nH, una massa di 1.4 kg ed una capacità di
20µF . Rispetto ai precedenti condensatori di classe MKP con dielettrico in carta metal-
lizzata da un solo lato ed immersi in polipropilene solido, la capacità risulta raddoppiata,
la massa e l’auto-induttanza quasi triplicate. Tuttavia, tale aumento risulta compensato
dalla possibilità di avere una più ridotta area tra gli elettrodi.
Risultati sperimentali
La campagna di test eseguita nel periodo Novembre 2007-Marzo 2008 sul propulsore
ADD SIMP-LEX ha permesso di determinare le prestazioni del nuovo APPT e di va-
lutare l’influenza della capacità e dell’induttanza iniziale. A tal fine la capacità è stata
variata nell’intervallo compreso fra 20µF e 80µF attraverso l’installazione di condensato-
ri in apposite sedi. Durante tutta la durata dell’esperimento l’energia è stata mantenuta
costante a 17 J e la frequenza di scarica fissata a 0.5 Hz. Una seconda campagna di
esperimenti, atta a valutare l’effetto dell’induttanza iniziale, ha sottolineato le differenze
prestazionali di SIMP-LEX e di ADD SIMP-LEX a parità di geometria degli elettrodi e
di energia a disposizione, 68 J .
Il grafico 4.8 riporta il risultato della campagna di esperimenti per quanto riguarda la
variazione di efficienza propulsiva in funzione della capacità. In base ai risultati otte-
nuti, un massimo di efficienza, pari a circa 31%, può essere ottenuto in corrispondenza
di una capacità di 60 µF . L’andamento suggerito dalla linea tratteggiata è dovuto ad
una interpolazione spline dei punti medi e non deve essere inteso come dato sperimen-
tale. Tale andamento risulta in linea con quanto previsto sia dal modello analitico che
dall’implementazione numerica.
Come sottolineato in precedenza, poiché variando la capacità si ottiene necessariamente
una variazione anche in induttanza, l’efficienza propulsiva viene considerata in funzione
del periodo caratteristico di scarica, come riportato in 4.11. Per valori di
√
LC prossimi
a 2 µs un massimo di efficienza è chiaramente distinguibile. Tale risultato si pone in
ottima relazione non solo con gli andamenti previsti dal modello analitico ma anche con
i dati sperimentali forniti dal centro di ricerca russo RIAME [13].
xi
La determinazione sperimentale dell’efficienza propulsiva necessita della misurazione sia
della massa ablata che dell’impulso della spinta ad ogni scarica e per ognuna delle confi-
gurazioni studiate. Come mostrato in figura 4.5, la massa ablata presenta, ad eccezione
della configurazione da 20 µF , un andamento decrescente. La differenza nel comporta-
mento può essere probabilmente attribuita al posizionamento centrale dell’unico conden-
satore e quindi, alla maggior simmetria nella distribuzione della corrente attraverso gli
elettrodi. I risultati ottenuti permettono di affermare che la relazione proposta da Von-
dra [19] secondo il quale la massa ablata è proporzionale, una volta definita la geometria,
alla sola energia, mbit ≈ kE0, non può essere considerata attendibile anche nel caso di
propulsori aventi lo stesso livello energetico e la stessa geometria degli elettrodi proprio
a causa dell’indipendenza dalla capacità.
Il grafico in figura 4.6 mostra l’impulso della spinta, Ibit, in funzione della capacità
per il propulsore ADD SIMP-LEX. Dalle misurazioni effettuate è possibile riscontare un
massimo dell’impulso in corrispondenza della capacità di 60µF . L’esistenza di tale pun-
to di ottimo può essere giustificata tenendo in considerazione il fatto che l’impulso della
spinta è proporzionale all’integrale
´
I2dt e dunque, benché la durata della scarica au-
menti all’aumentare della capacità, la corrente massima I0 decresce per valori di capacità
superiori a 60 µF . E’ ragionevole attendere un andamento simile per quanto riguarda la
velocità di uscita del plasma, data la sua stretta relazione con l’impulso, ce = Ibit/mbit.
E’ interessante sottolineare come per la configurazione ottimale da 60 µF , la curva spe-
rimentale di voltaggio risulti quasi-aperiodica, come presentata in figura 4.4.
I parametri del circuito relativi alla precedente scarica sono stati ottenuti attraverso una
procedura numerica di fitting del segnale sperimentale. I risultati ottenuti rappresenta-
no valori medi che tengono conto sia del circuito che dell’influenza del plasma. Rispetto
alla scarica misurata con SIMP-LEX nella configurazione da 34 µF e 68 J di energia, la
durata del semi-periodo è passata da 4 µs a 8 µs.
Attraverso un confronto diretto fra i propulsori SIMP-LEX ed ADD SIMP-LEX è sta-
to possibile evidenziare come l’incremento di efficienza di quest’ultimo sia da imputarsi
principalmente alla riduzione della massa ablata piuttosto che ad un deciso incremen-
xii
to dell’impulso. I grafici 4.5, 4.6, 4.7 illustrano le prestazioni, normalizzate rispetto
all’energia iniziale, in termini di massa ablata, impulso ed efficienza per ognuna del-
le configurazioni studiate: SIMP-LEX con elettrodi paralleli piani (SLP), SIMP-LEX
avente elettrodi divergenti e cuneiformi (SLT) ed ADD SIMP-LEX (ADDS). I risultati
ottenuti mostrano come l’impulso venga maggiormente influenzato dalla geometria degli
elettrodi e come la massa ablata sia invece fortemente dipendente dalla distribuzione
delle cariche durante la scarica e quindi, dalla capacità totale.
L’efficienza propulsiva di ADD SIMP-LEX misurata a 68J risulta inferiore di circa il 2%
rispetto a valore riscontrato per la medesima configurazione a 17J . Questo risultato non
è in linea con quanto previsto dal modello analitico e necessita di ulteriori valutazioni
sperimentali.
Un’ulteriore caratterizzazione del propulsore si è basata sullo studio dell’effetto della va-
riazione della potenza elettrica tramite modifica della frequenza di scarica nell’intervallo
compreso fra 0.3 Hz e 1 Hz. Tale campagna sperimentale è stata effettuata utilizzan-
do la configurazione da 80 µF mantenendo l’energia costante a 68 J . La gestione della
frequenza è stata affidata ad un sistema automatico in grado di modificare il ritardo di
scarica. Il grafico in figura 4.12 mostra il risultato di tale campagna in termini di massa
ablata in funzione della frequenza di scarica. Dai dati ottenuti è possibile osservare una
massima riduzione della massa di circa il 5% in corrispondenza della frequenza di 0.5Hz.
La massima percentuale di variazione si pone all’interno dell’errore di misurazione, 6%,
e pertanto, allo stato attuale, non è possibile affermare con chiarezza l’effetto di tale
parametro sulla massa ablata.
Infine, per meglio analizzare il fenomeno della creazione della colonna di plasma ed
il processo di accelerazione, la scarica del propulsore ADD SIMP-LEX nella configura-
zione da 20 µF è stata studiata attraverso l’utilizzo di una telecamera ad alta velocità.
La sincronizzazione dell’apertura del diaframma con l’innesco della scarica è stata re-
sa possibile grazie all’utilizzo di un amplificatore del disturbo magnetico generato dalla
candela semi-conduttiva. Durante il test sia il tempo di esposizione che l’intensità del
segnale sono state modificate mentre l’amplificazione è stata mantenuta costante.
xiii
L’esperimento ha rilevato la formazione di una chiara emissione luminosa in prossimità
dell’anodo nei primi istanti di scarica. Durante questa fase la corrente raggiunge l’in-
tensità massima nella zona adiacente alle barre di propellente generando una cascata
elettronica auto-sostenuta. Nello stesso istante il catodo viene sottoposto a bombar-
damento ionico generando un marcato gradiente termico. La formazione del plasma si
estende al catodo dopo circa 0.4 µs dall’iniziazione della scarica, a causa del fenomeno
di ricombinazione all’interno del plasma. Tale fenomeno forza gli ioni a cedere energia
sino al raggiungimento del ground state. La prima colonna di plasma si sviluppa com-
pletamente entro all’incirca 1 µs manifestando un fronte omogeneo di accelerazione. A
differenza del precedente modello SIMP-LEX, durante la scarica non è possibile rico-
noscere la convergenza di due diversi fronti di propagazione ed inoltre nessun effetto di
distorsione dell’onda è stato evidenziato. L’accelerazione del plasma nel propulsore ADD
SIMP-LEX risulta essere prevalentemente assiale ed omogenea.
Ad ogni scarica vengono generati tre fronti di propagazione, il primo, di natura preva-
lentemente magnetica, si evolve nell’intervallo 1 µs-3 µs, il secondo si manifesta a circa
5 µs ed il terzo a 8.7 µs. Quest’ultimi vengono accelerati grazie all’agitazione termica
delle specie ionizzate e presentano un fronte disomogeneo che si estende trasversalmente
al canale di accelerazione. Tale deformazione della colonna di plasma può portare ad un
deleterio effetto di coppia agente sul satellite dovuto al fatto che l’area esposta al campo
magnetico non risulta essere bilanciata fra anodo e catodo. Sulla base di studi teorici è
possibile affermare che l’eliminazione di tali onde secondarie potrebbe essere realizzabile
tramite un incremento di capacità. Tuttavia, tale affermazione non è stata, ad oggi,
verificata sperimentalmente.
Conclusioni
In un satellite propulso con APPTs, la possibilità di raggiungere elevati carichi utili è
legata all’efficienza globale ed in particolare all’efficienza propulsiva dei sistemi di ge-
nerazione della spinta. Sulla base di tale considerazione è stato condotto uno studio
analitico-sperimentale riguardante l’ottimizzazione dell’efficienza rispetto ai parametri
elettrici del circuito equivalente. L’analisi teorica ha evidenziato l’effetto altamente be-
nefico della riduzione della resistenza e dell’induttanza iniziale. E’ stato inoltre possibile
xiv
dimostrare come la riduzione della massa ablata, l’incremento della variazione di indut-
tanza e di energia siano parametri determinanti al fine di incrementare le prestazioni del
propulsore. In aggiunta, implementando un semplice modello basato sulla scarica oscil-
lante in un circuito RLC, è possibile ottenere un valore di ottimo dell’efficienza rispetto
alla frequenza della scarica stessa.
Sotto l’aspetto sperimentale i due propulsori SIMP-LEX ed ADD SIMP-LEX sono stati
confrontati a parità di energia. Tale esperimento ha permesso una valutazione diretta
dell’effetto dell’induttanza sui parametri di prestazione. Con una riduzione di circa 12%
di ADD SIMP-LEX rispetto al precedente modello, la massa ablata presenta la maggior
influenza a fronte di una minima variazione dell’impulso. Ulteriori indagini sono state
effettuate in modo da studiare l’effetto della capacità a parità di energia. Tale campagna
ha permesso di evidenziare la presenza di un punto di ottimo per l’efficienza propulsiva
corrispondentemente alla configurazione da 60 µF . Rispetto al precedente propulsore la
velocità di scarico risulta incrementata di circa il 40% e l’efficienza propulsiva di circa il
50%.
Il presente lavoro di tesi ha evidenziato come l’ottimizzazione del propulsore sulla base
del livello di capacità sia una effettiva via per l’incremento delle prestazioni di un APPT.
Futuri sviluppi del propulsore ADD SIMP-LEX si concentreranno sulla riduzione della
massa dei condensatori a parità di densità di energia e sullo studio approfondito del mec-
canismo di ionizzazione nei primi istanti della scarica, in modo da compiere importanti
passi verso una nuova procedura di ottimizzazione che tenga conto non solo dei parametri
del circuito ma anche del comportamento stesso del plasma.
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