Analysis of the expansion of a plasma thruster plume into vacuum

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dc.contributor.advisor Ahedo Galilea, Eduardo Antonio
dc.contributor.advisor Merino Martínez, Mario
dc.contributor.author Cichocki, Filippo
dc.date.accessioned 2018-01-12T09:39:40Z
dc.date.available 2018-01-12T09:39:40Z
dc.date.issued 2017-09
dc.date.submitted 2017-09-26
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/26101
dc.description Mención Internacional en el título de doctor
dc.description.abstract The analysis of the interaction between a plasma plume and a satellite is gradually becoming a very demanded task in the space industry, given the increasing use of electric propulsion. In fact, the plasma plumes generated by the electric thrusters can damage sensitive spacecraft components, such as the solar arrays or onboard optical sensors. Moreover, plasma plumes can be used to one's benefit in the context of the ion beam shepherd technique for space debris removal, in which a shepherd spacecraft relocates a debris object to a different orbit, by directing towards it a plasma plume, at an operational distance of several meters. This thesis focuses on the numerical study of the expansion of a plasma thruster plume into vacuum and its interaction with the satellite and any downstream object. Two simulation codes have been developed. The first code, named EASYPLUME, is based on an axisymmetric two-fluid plasma plume model and allows to quickly estimate the plasma plume properties farther downstream. With this code the physics of the plume expansion has been investigated, understanding its dependence on the most important plume parameters, such as the divergence angle, the ion Mach number, and the electron cooling rate. Moreover, the code has been used in the context of the ion beam shepherd technique to estimate the force transmission to a space debris object, and optimize the overall electric propulsion subsystem of the shepherd spacecraft. The second code, named EP2PLUS, is a three-dimensional hybrid particle-incell/fluid code that simulates the complex interaction between a plasma plume, the spacecraft and other objects. The most relevant modeling novelties regard the electron model, which enables the computation of the electric currents in the plume, and the treatment of quasineutral and non-neutral plasma regions. This code has been applied to study both the satellite-plume interaction and a reference ion beam shepherd scenario. In the latter, several operational problems have been evaluated: the ion backscattering towards the shepherd satellite, the sputtering of the debris object (due to the impingement of hypersonic ions), the backsputtering contamination of the spacecraft, and the electric charging of both the satellite and the target debris. Finally, the report of an experimental campaign, carried out during my PhD visit at the “Laboratoire de Physique des Plasmas" (Paris) and aiming at characterizing the plasma plume of the PEGASES plasma thruster, completes this work.
dc.description.abstract El estudio de la interacción entre el satélite y un chorro de plasma producido por un propulsor eléctrico se está convirtiendo en un análisis muy demandado en la industria espacial, debido al uso cada vez más extenso de la propulsión eléctrica. Dicho chorro puede dañar seriamente componentes sensibles del satélite, como los paneles solares o los sensores ópticos. Por otra parte, puede utilizarse activamente en el contexto de la técnica de eliminación de desechos espaciales conocida como “ion beam shepherd". Esta técnica se basa en trasladar dichos objetos a una órbita diferente, por medio de la presión producida por el impacto de los iones de un chorro de plasma dirigido hacia ellos, desde una distancia de varios metros. Esta tesis se centra en el estudio numérico de la expansión de un chorro de plasma generado por un propulsor eléctrico en el vacío, y de su interacción con otros objetos. Con este propósito, se han desarrollado dos códigos de simulación. El primero, llamado EASYPLUME, se basa sobre un modelo axial simétrico con dos fluidos (iones y electrones) y permite estimar rápidamente las propiedades del chorro de plasma a grandes distancias aguas abajo. Con este código, se ha estudiado la física de la expansión del plasma en detalle, comprendiendo la influencia de parámetros como el ángulo de divergencia, el número de Mach y la tasa de enfriamiento electrónico. Además, el código ha sido utilizado en el contexto del “ion beam shepherd" para estimar la fuerza transmitida al objeto y optimizar el sistema de propulsión eléctrica del satélite. El segundo, llamado EP2PLUS, es un código tridimensional híbrido PIC-fluido que simula la interacción compleja entre un chorro de plasma, el satélite y otros objetos. Entre las novedades más relevantes destacan el nuevo modelo electrónico, que permite estudiar las corrientes eléctricas en el plasma, y el tratamiento de regiones quasi-neutras y no neutras. Este código se ha empleado en el estudio de la interacción chorro-satélite y en el análisis de la interacción chorro-satélite-objeto en el contexto del “ion beam shepherd" para una misión de referencia. En este último estudio, diferentes problemas operacionales han sido evaluados numéricamente: el retorno de los iones lentos hacia el satélite, la emisión de partículas erosionadas desde la superficie del desecho espacial (debido al impacto de los iones hipersónicos), la contaminación por difusión de dichas partículas hacia el satélite, y la acumulación de carga eléctrica de _este y del objeto espacial. Finalmente, el informe de una campaña de caracterización experimental del chorro del motor de plasma PEGASES completa este trabajo. Dicha campaña se realizó durante mi estancia de visita al “Laboratoire de Physique des Plasmas" en París.
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso eng
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Plasma plumes
dc.subject.other Particle-in-cell
dc.subject.other Fluid
dc.subject.other Hybrid modeling
dc.subject.other Ion beam shepherd
dc.subject.other EASYPLUME
dc.subject.other EP2PLUS
dc.title Analysis of the expansion of a plasma thruster plume into vacuum
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Aeronáutica
dc.subject.eciencia Física
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa Oficial de Doctorado en Plasmas y Fusión Nuclear
dc.description.responsability Presidente: Victoria Lapuerta González.- Secretario: Luis Raúl Sánchez Fernández.- Vocal: Francesco Taccogna
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Bioingeniería e Ingeniería Aeroespacial
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