RT Dissertation/Thesis
T1 Analysis of the expansion of a plasma thruster plume into vacuum
A1 Cichocki, Filippo
AB The analysis of the interaction between a plasma plume and a satellite is graduallybecoming a very demanded task in the space industry, given the increasing use ofelectric propulsion. In fact, the plasma plumes generated by the electric thrusterscan damage sensitive spacecraft components, such as the solar arrays or onboardoptical sensors. Moreover, plasma plumes can be used to one's benefit in the contextof the ion beam shepherd technique for space debris removal, in which a shepherdspacecraft relocates a debris object to a different orbit, by directing towards it aplasma plume, at an operational distance of several meters.This thesis focuses on the numerical study of the expansion of a plasma thrusterplume 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-fluidplasma plume model and allows to quickly estimate the plasma plume propertiesfarther downstream. With this code the physics of the plume expansion has beeninvestigated, understanding its dependence on the most important plume parameters,such as the divergence angle, the ion Mach number, and the electron coolingrate. Moreover, the code has been used in the context of the ion beam shepherdtechnique to estimate the force transmission to a space debris object, and optimizethe 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, thespacecraft and other objects. The most relevant modeling novelties regard the electronmodel, which enables the computation of the electric currents in the plume,and the treatment of quasineutral and non-neutral plasma regions. This code hasbeen applied to study both the satellite-plume interaction and a reference ion beamshepherd scenario. In the latter, several operational problems have been evaluated:the ion backscattering towards the shepherd satellite, the sputtering of the debrisobject (due to the impingement of hypersonic ions), the backsputtering contaminationof the spacecraft, and the electric charging of both the satellite and the targetdebris.Finally, the report of an experimental campaign, carried out during my PhD visitat the “Laboratoire de Physique des Plasmas" (Paris) and aiming at characterizingthe plasma plume of the PEGASES plasma thruster, completes this work.
AB El estudio de la interacción entre el satélite y un chorro de plasma producidopor un propulsor eléctrico se está convirtiendo en un análisis muy demandado enla industria espacial, debido al uso cada vez más extenso de la propulsión eléctrica.Dicho chorro puede dañar seriamente componentes sensibles del satélite, como lospaneles solares o los sensores ópticos. Por otra parte, puede utilizarse activamenteen 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 órbitadiferente, por medio de la presión producida por el impacto de los iones de un chorrode 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 plasmagenerado 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 simétricocon dos fluidos (iones y electrones) y permite estimar rápidamente las propiedadesdel chorro de plasma a grandes distancias aguas abajo. Con este código, se haestudiado la física de la expansión del plasma en detalle, comprendiendo la influenciade parámetros como el ángulo de divergencia, el número de Mach y la tasa deenfriamiento electrónico. Además, el código ha sido utilizado en el contexto del “ionbeam shepherd" para estimar la fuerza transmitida al objeto y optimizar el sistemade propulsión eléctrica del satélite.El segundo, llamado EP2PLUS, es un código tridimensional híbrido PIC-fluidoque simula la interacción compleja entre un chorro de plasma, el satélite y otrosobjetos. Entre las novedades más relevantes destacan el nuevo modelo electrónico,que permite estudiar las corrientes eléctricas en el plasma, y el tratamiento de regionesquasi-neutras y no neutras. Este código se ha empleado en el estudio de lainteracción chorro-satélite y en el análisis de la interacción chorro-satélite-objeto enel contexto del “ion beam shepherd" para una misión de referencia. En este últimoestudio, diferentes problemas operacionales han sido evaluados numéricamente: elretorno de los iones lentos hacia el satélite, la emisión de partículas erosionadas desdela superficie del desecho espacial (debido al impacto de los iones hipersónicos), lacontaminación por difusión de dichas partículas hacia el satélite, y la acumulaciónde carga eléctrica de _este y del objeto espacial.Finalmente, el informe de una campaña de caracterización experimental del chorrodel motor de plasma PEGASES completa este trabajo. Dicha campaña se realizódurante mi estancia de visita al “Laboratoire de Physique des Plasmas" en París.
YR 2017
FD 2017-09
LK https://hdl.handle.net/10016/26101
UL https://hdl.handle.net/10016/26101
LA eng
NO Mención Internacional en el título de doctor
DS e-Archivo
RD 16 jul. 2024