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Fluid modeling and simulation of the electron population in Hall Effect Thrusters with complex magnetic topologies

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2018
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2018-06-18
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La propulsión eléctrica es una tecnología consolidada, utilizada por vehículos espaciales para llevar a cabo maniobras no atmosféricas. Este tipo de motores cohete ha estado presente en numerosas aplicaciones en las últimas décadas y sus usos van desde el mantenimiento de la posición orbital de satélites comerciales a transferencias interplanetarias en misiones de exploración. La mayor ventaja de los numerosos tipos de propulsores eléctricos es su capacidad de proporcionar un determinado impulso a un coste de propelente reducido, en comparación con otros tipos de propulsión. El desarrollo de los motores de plasma, la clase más común de propulsor eléctrico, se ha visto impedido en mayor medida que los cohetes químicos, por ejemplo, debido a la complejidad de la interacción de los fenómenos físicos y a dificultades asociadas con las campañas experimentales. En las últimas dos décadas se ha introducido el uso de simulaciones numéricas para ayudar a la caracterización de estos aparatos. A pesar de que el diseño asistido por ordenador juega aún un papel muy reducido, el incremento de recursos computacionales y la creciente exactitud de los modelos físicos han permitido a estas simulaciones describir numerosos mecanismos físicos, explorar el espacio de diseño de estos aparatos y complementar los ensayos experimentales. Esta tesis está centrada en el estudio numérico de la población de electrones en descargas de plasma poco colisionales, bajo la influencia de campos eléctricos y magnéticos. El trabajo realizado ha contribuido al desarrollo de una nueva herramienta de simulación híbrida, cuasi-neutra, bidimensional y axisimétrica, denominada HYPHEN; su naturaleza híbrida se debe al tratamiento por separado de las especies pesadas, descritas a través de un conocido método de partículas, y de la población de electrones, descrita como un fluido. Una de nuestras mayores contribuciones es la introducciÃsn de un modelo anisotrÃspico de dos temperaturas, que permite capturar los efectos de la falta de uniformidad del campo magnético sobre el transporte de electornes. Esta función abre el camino para la caracterización de nuevos propulsores electromagnéticos. Actualemente, el código está orientado hacia la simulación de las regiones del canal y de la pluma cercana en motores de efecto Hall, en los que se enfoca esta tesis. Parte del trabajo se ha dedicado a dotar al código de las capacidades necesarias para la simulación de topologías magnéticas complejas. El presente documento detalla la motivación detrás de HYPHEN, su metodología de diseño y la influencia de trabajos previos. Se ha prestado una especial atención al modelo fluido propuesto, detallando el uso de una malla alineada con el campo magnético para el tratamiento numérico de la población confinada de electrones, para la cual se han utilizado diversos métodos ad-hoc de discretización temporal y espacial. Varios modelos auxiliares también se han descrito, con el objetivo de caracterizar la respuesta de la capa límite del plasma y de los distintos procesos colisionales en el seno del mismo. Se presenta también el estudio de los aspectos numéricos del modelo fluido, incluyendo la sensibilidad a condiciones iniciales, a los valores del paso temporal, el refinamiento de la malla, etc. Finalmente, HYPHEN se ha testeado para la configuración de un conocido motor Hall. Los resultados demuestran que las propiedades físicas y las actuaciones obtenidas son comparables con resultados provenientes de estudios experimentales. Bajo este contexto, se ha llevado a cabo un estudio paramétrico para determinar la dependencia de la respuesta del motor con algunos de los parámetros más relevantes del modelo, tales como el transporte anómalo de electrones o la fracción de termalización de la capa límite, y con los diferentes modelos colisionales.
Electric propulsion is an established technology used for non-atmospheric spacecraft maneuvering. This type of rockets have been present in numerous applications in the last decades, and their uses range from station keeping of commercial satellites to interplanetary transfers in deep space exploration missions. While electric propulsion thrusters are multi-faceted, presenting numerous and distinct types, their best selling point is the capability to deliver a given impulse at much lower propellant cost, in comparison to other types of propulsion. The maturation of plasma thrusters, the most common type of electric propulsion devices, has faced more limitations than chemical rockets, for example, due to the complexity of the physical interactions at play, and the difficulties associated with experimental campaigns. Over the past two decades, numerical simulations were introduced as a novel tool in the characterization of these devices. While true computer-aided-design is not yet a reality, the increment of computational resources and the heightened fidelity of the physical models have allowed to describe numerous physical mechanisms, explore the design space of these devices and complement experimental testing. This thesis focuses on the numerical study of the electron population in weakly collisional plasma discharges, under the influence of applied magnetic and electric fields. The work has been a primary contribution in the development of a new, quasi-neutral, two-dimensional, axisymmetric, hybrid simulation tool, called HYPHEN. Its hybrid nature responds to the different treatment of the heavy species populations, described through a well known discrete-particle approach, and the electron population, described as a fluid. One of our main contributions has been the introduction of a two-temperature anisotropic approach, which allows capturing of the magnetic non-uniformity effects over electron transport; this feature paves the way for the characterization of some novel electromagnetic propulsion technologies. Presently, the code is oriented to the simulation of the channel and near-plume regions in Hall effect thrusters, which have been the main focal point of the thesis. Dedicated efforts have been directed to providing the capabilities for the simulation of the plasma under complex magnetic field topologies. The manuscript details the motivation and design methodology behind HYPHEN, as well as the influence of previous work. Special attention has been given to the particularities of the proposed fluid model; this includes the use of a magnetic field aligned mesh for the numerical treatment of the electron population under magnetic confinement, for which ad-hoc spatial and temporal discretization methods have been proposed. Additional ancillary physical models have also been developed, characterizing the response of plasma boundary layers and the various collisional processes in the plasma. The numerical aspects of the model have been investigated, including the sensitivity to initial conditions, time-step values, mesh refinement, etc. Finally, HYPHEN has been tested in the context of a representative Hall-thruster configuration. The results were found to be in line with experimentally reported thruster performances and plasma discharge quantities. Additionally, a parametric investigation has been carried out in order to investigate the dependency of the thruster response with the most relevant model parameters, such as the anomalous electron transport or the boundary layer thermalization fraction, and the different collisional models.
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Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Space propulsion, Propulsion technologies, Plama, Hall-effect thrusters, Hybrid Particle-In-Cell-Fluid codes, SPT-100
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