Modeling and simulation of the plasma discharge in a radiofrequency thruster

Abstract

In the current electric propulsion industry for space applications, two of the main issues are the lifetime limitation of the mature technologies, Hall effect thrusters and gridded ion thrusters, due to the erosion of their electrodes; and the search for alternative propellants due to the scarcity of xenon. Electrodeless thrusters with magnetic nozzles, in particular the helicon plasma thruster and the electron cyclotron resonance thruster, are disruptive electric propulsion concepts that offer prolonged lifetime and tolerance for a wide variety of propellants. These thrusters are still under development, and further research is necessary for them to become competitive in terms of propulsive performances. This thesis is focused on the modeling and simulation of the plasma discharge in electrodeless thrusters with two codes. HYPHEN, a two-dimensional axisymmetric hybrid code, is used for full simulations of the thrusters. This code was extended from Hall effect thrusters to electrodeless thrusters, within the objective of developing a multi-thruster simulation platform valid for many types of electromagnetic thrusters. VLASMAN, a one-dimensional kinetic code, is used for simulations of the plasma expansion along the magnetic nozzles. The hybrid formulation of HYPHEN offers a good trade-off between computational cost and reliability of the results for full simulations, with a particle-in-cell model for heavy species and a fluid model for electrons. The particle model was ready for use from previous works, while the fluid model, with the basis established, was incomplete from the numerical point of view. The fluid model is solved on a magnetic field aligned mesh given the anisotropic character of the strongly magnetized electrons. However, the mesh, for realistic magnetic field topologies, can be highly irregular and the preliminary numerical algorithms were leading to inaccurate results. Thus, in this thesis, the numerical treatment of the fluid model is investigated, and solid numerical algorithms are found allowing to solve even complex magnetic topologies with singular points. Once the electron fluid model is completed, simulations coupled with the particle model are run for the helicon plasma thruster prototype HPT05M. The simulations are focused on the plasma transport assuming a known power deposition map from the helicon antenna. The thruster performances and profiles of plasma magnitudes are studied. The prototype is partially optimized, in terms of some design parameters, but the thrust efficiencies obtained are within the state-of-art. The main limitations for a full optimization beyond the state-of-art are identified and solutions are proposed. Furthermore, HYPHEN was initially developed to simulate xenon and other atomic propellants. In this thesis, as many candidates for alternative propellants usually have more complex chemistry, the code is implemented with the main collisions for diatomic substances. Simulations are run with air as propellant for HPT05M testing successfully the implementation. The results have allowed also to evaluate the air-breathing concept in helicon plasma thrusters. The kinetic formulation of VLASMAN is used for deeper studies of the plasma expansion along the magnetic nozzles. In the expansion, the plasma becomes very rarefied, and more accurate simulations than those from HYPHEN are required. Other one-dimensional steady state models were used in previous works, however they were not able to solve self-consistently a subpopulation of electrons trapped along the expansion. VLASMAN models the mechanisms responsible for the trapping of electrons, the transient and collisional processes. Simulations with VLASMAN are run to study the trapped electrons in terms of the transient history and collisionality. The solution of the subpopulation, and that of the whole plasma, reached in the steady state is found dependent on the transient history. Once the collisions are added, even if rare, the transient history is erased and the steady state solution becomes unique. The amount of trapped electrons is found important on the electron cooling and on the balances of electron momentum and energy. Furthermore, some studies focused on the extraction of results for implementation in macroscopic models are conducted.

En la industria actual de la propulsión eléctrica para aplicaciones espaciales, dos de los principales problemas son la limitación de la vida útil de las tecnologías maduras, propulsores de efecto Hall y propulsores iónicos con rejillas, debido a la erosión de sus electrodos; y la búsqueda de propulsantes alternativos debido a la escasez del xenón. Los propulsores sin electrodos con tobera magnéticas, en particular el propulsor Helicón y el propulsor cicloelectrónico, son conceptos de propulsión eléctrica disruptivos que ofrecen una vida útil prolongada y tolerancia a una amplia variedad de propulsantes. Estos propulsores aún están en desarrollo y se necesita más investigación para que sean competitivos en términos de actuaciones propulsivas. Esta tesis se centra en el modelado y simulación de la descarga de plasma en propulsores sin electrodos con dos códigos. HYPHEN, un código híbrido axisimétrico bidimensional, se usa para simulaciones completas de los propulsores. Este código es extendido de los propulsores de efecto Hall a los propulsores sin electrodos, bajo el objetivo de desarrollar una plataforma de simulación multipropulsor válido para muchos tipos de propulsores electromagnéticos. VLASMAN, un código cinético unidimensional, se usa para simulaciones de la expansión del plasma a lo largo de las toberas magnéticas. La formulación híbrida de HYPHEN ofrece un buen punto intermedio entre el coste computacional y la fiabilidad de los resultados para simulaciones completas, con un modelo de partículas para especies pesadas y un modelo fluido para electrones. El modelo de partículas estaba ya listo para su uso de trabajos anteriores, mientras que el modelo fluido, con la base establecida, estaba incompleto desde el punto de vista numérico. El modelo fluido se resuelve en una malla alineada con el campo magnético dado el carácter anisotrópico de los electrones fuertemente magnetizados. Sin embargo, la malla, para topologías de campos magnéticos realistas, puede ser muy irregular y los algoritmos numéricos preliminares llevaban a resultados inexactos. En esta tesis, se investiga el tratamiento numérico del modelo fluido y se encuentran algoritmos numéricos sólidos que permiten resolver incluso topologías magnéticas complejas con puntos singulares. Una vez que se completa el modelo fluido, se llevan a cabo simulaciones junto con el modelo de partículas para el prototipo de propulsor Helicón HPT05M. Las simulaciones se centran en el transporte de plasma asumiendo un mapa conocido de deposición de potencia de la antena Helicón. Se estudian las actuaciones del propulsor y perfiles de las magnitudes del plasma. El prototipo se optimiza parcialmente, en términos de algunos parámetros de diseño, pero las eficiencias de empuje obtenidas están dentro del estado de arte. Se identifican las principales limitaciones para una optimización total más allá del estado de arte y se proponen soluciones. Además, HYPHEN se desarrolló inicialmente para simular xenón y otros propulsantes atómicos. En esta tesis, como muchos candidatos a propulsantes alternativos suelen tener una química más compleja, el código se implementa con las principales colisiones de sustancias diatómicas. Simulaciones se llevan a cabo con aire como propulsante para el HPT05M testeando con éxito la implementación. Los resultados también han permitido evaluar el concepto de air-breathing en los propulsores Helicón. La formulación cinética de VLASMAN se utiliza para estudiar con mayor profundidad la expansión del plasma a lo largo de las toberas magnéticas. En la expansión, el plasma se vuelve muy enrarecido y se requieren simulaciones más precisas que las de HYPHEN. En trabajos anteriores se utilizaron otros modelos unidimensionales estacionarios, sin embargo, no pudieron resolver de manera autoconsistente una subpoblación de electrones atrapados a lo largo de la expansión. VLASMAN modela los mecanismos responsables del atrapado de electrones: los procesos transitorios y colisionales. Simulaciones con VLASMAN se llevan a cabo para estudiar los electrones atrapados en términos del transitorio y colisionalidad. La solución de la subpoblación, y la de todo el plasma, alcanzada en el estacionario depende del transitorio. Una vez que se incluyen las colisiones, incluso si son poco frequentes, se borra el transitorio y la solución estacionaria colapsa en una única. Se descubre que la cantidad de electrones atrapados es importante en el enfriamiento y en el balance de momento y energía de los electrones. Además, se realizan algunos estudios enfocados a la extracción de resultados para su implementación en modelos macroscópicos.