RT Dissertation/Thesis
T1 Modeling and simulation of the plasma discharge in a radiofrequency thruster
A1 Zhou, Jiewei
AB In the current electric propulsion industry for space applications, two of the main issues are thelifetime limitation of the mature technologies, Hall effect thrusters and gridded ion thrusters, due tothe 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 electroncyclotron resonance thruster, are disruptive electric propulsion concepts that offer prolonged lifetimeand tolerance for a wide variety of propellants. These thrusters are still under development, and furtherresearch 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 electrodelessthrusters with two codes. HYPHEN, a two-dimensional axisymmetric hybrid code, is used for full simulationsof 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 electromagneticthrusters. VLASMAN, a one-dimensional kinetic code, is used for simulations of the plasmaexpansion along the magnetic nozzles.The hybrid formulation of HYPHEN offers a good trade-off between computational cost and reliabilityof the results for full simulations, with a particle-in-cell model for heavy species and a fluidmodel 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 solvedon 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 preliminarynumerical algorithms were leading to inaccurate results. Thus, in this thesis, the numerical treatment ofthe fluid model is investigated, and solid numerical algorithms are found allowing to solve even complexmagnetic topologies with singular points. Once the electron fluid model is completed, simulationscoupled with the particle model are run for the helicon plasma thruster prototype HPT05M. The simulationsare focused on the plasma transport assuming a known power deposition map from the heliconantenna. The thruster performances and profiles of plasma magnitudes are studied. The prototype ispartially optimized, in terms of some design parameters, but the thrust efficiencies obtained are withinthe state-of-art. The main limitations for a full optimization beyond the state-of-art are identified andsolutions 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, thecode is implemented with the main collisions for diatomic substances. Simulations are run with airas propellant for HPT05M testing successfully the implementation. The results have allowed also toevaluate the air-breathing concept in helicon plasma thrusters.The kinetic formulation of VLASMAN is used for deeper studies of the plasma expansion alongthe magnetic nozzles. In the expansion, the plasma becomes very rarefied, and more accurate simulationsthan those from HYPHEN are required. Other one-dimensional steady state models were usedin previous works, however they were not able to solve self-consistently a subpopulation of electronstrapped 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 trappedelectrons 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 thecollisions are added, even if rare, the transient history is erased and the steady state solution becomesunique. The amount of trapped electrons is found important on the electron cooling and on the balancesof electron momentum and energy. Furthermore, some studies focused on the extraction of results forimplementation in macroscopic models are conducted.
AB En la industria actual de la propulsión eléctrica para aplicaciones espaciales, dos de los principalesproblemas son la limitación de la vida útil de las tecnologías maduras, propulsores de efecto Hall ypropulsores iónicos con rejillas, debido a la erosión de sus electrodos; y la búsqueda de propulsantesalternativos debido a la escasez del xenón. Los propulsores sin electrodos con tobera magnéticas, enparticular el propulsor Helicón y el propulsor cicloelectrónico, son conceptos de propulsión eléctricadisruptivos 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 competitivosen términos de actuaciones propulsivas.Esta tesis se centra en el modelado y simulación de la descarga de plasma en propulsores sin electrodoscon dos códigos. HYPHEN, un código híbrido axisimétrico bidimensional, se usa para simulacionescompletas de los propulsores. Este código es extendido de los propulsores de efecto Halla los propulsores sin electrodos, bajo el objetivo de desarrollar una plataforma de simulación multipropulsorválido para muchos tipos de propulsores electromagnéticos. VLASMAN, un código cinéticounidimensional, 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 computacionaly la fiabilidad de los resultados para simulaciones completas, con un modelo de partículas paraespecies pesadas y un modelo fluido para electrones. El modelo de partículas estaba ya listo para su usode trabajos anteriores, mientras que el modelo fluido, con la base establecida, estaba incompleto desdeel punto de vista numérico. El modelo fluido se resuelve en una malla alineada con el campo magnéticodado el carácter anisotrópico de los electrones fuertemente magnetizados. Sin embargo, la malla, paratopologías de campos magnéticos realistas, puede ser muy irregular y los algoritmos numéricos preliminaresllevaban a resultados inexactos. En esta tesis, se investiga el tratamiento numérico del modelofluido y se encuentran algoritmos numéricos sólidos que permiten resolver incluso topologías magnéticascomplejas con puntos singulares. Una vez que se completa el modelo fluido, se llevan a cabosimulaciones junto con el modelo de partículas para el prototipo de propulsor Helicón HPT05M. Lassimulaciones se centran en el transporte de plasma asumiendo un mapa conocido de deposición depotencia de la antena Helicón. Se estudian las actuaciones del propulsor y perfiles de las magnitudesdel plasma. El prototipo se optimiza parcialmente, en términos de algunos parámetros de diseño, perolas eficiencias de empuje obtenidas están dentro del estado de arte. Se identifican las principales limitacionespara 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 sellevan a cabo con aire como propulsante para el HPT05M testeando con éxito la implementación. Losresultados 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 expansióndel plasma a lo largo de las toberas magnéticas. En la expansión, el plasma se vuelve muy enrarecidoy se requieren simulaciones más precisas que las de HYPHEN. En trabajos anteriores se utilizaronotros modelos unidimensionales estacionarios, sin embargo, no pudieron resolver de manera autoconsistente una subpoblación de electrones atrapados a lo largo de la expansión. VLASMAN modelalos 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 deltransitorio y colisionalidad. La solución de la subpoblación, y la de todo el plasma, alcanzada en elestacionario 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 lacantidad de electrones atrapados es importante en el enfriamiento y en el balance de momento y energíade los electrones. Además, se realizan algunos estudios enfocados a la extracción de resultadospara su implementación en modelos macroscópicos.
YR 2021
FD 2021-04
LK https://hdl.handle.net/10016/32945
UL https://hdl.handle.net/10016/32945
LA eng
NO Mención Internacional en el título de doctor
NO This thesis received funding mainly from Airbus Defense and Space, contract number CW240050.The last year of thesis was supported by the HIPATIA project of HORIZON 2020 (European Commission),grant number GA870542.
DS e-Archivo
RD 16 jul. 2024