Tesis:
Plasma simulation in space propulsion : the helicon plasma thruster
- Autor: NAVARRO CAVALLÉ, Jaume
- Título: Plasma simulation in space propulsion : the helicon plasma thruster
- Fecha: 2016
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AERONAUTICOS
- Departamentos: MATEMATICA APLICADA A LA INGENIERIA AEROESPACIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/45188/
- Director/a 1º: AHEDO GALILEA, Eduardo
- Resumen: The Helicon Plasma Thruster (HPT) is an electrodynamic rocket proposed in the early 2000s. It matches an Helicon Plasma Source (HPS), which ionizes the neutral gas and heats up the plasma, with aMagneticNozzle (MN),where the plasma is supersonically accelerated resulting in thrust. Although the core of this thruster inherits the knowledge on Helicon Plasma sources, dated from the seventies, the HPT technology is still not developed and remains below TRL 4. A deep review of the HPT State-of-art has been performed, concluding that the propulsive figures reached for some prototypes abruptly differ from each other. This Thesis analyses some of the main physical phenomena taking place in a HPT from a theoretical point of view, in order to comprehend the feasibility of this technology as a competitive electric thruster. A two dimensional three fluid model of the internal dynamics of electrons, ions and neutrals has been developed. As a result, thismodel identifies main loss mechanisms, and theoretically predicts the HPS production and utilization efficiencies and their dependences on the operational and design parameters. Asymptotic limits of this model have been derived yielding to reduced laws for highly efficient HPS, concluding that a good magnetic confinement and high electron temperatures are mandatory to reach optimum performances. An overall balance of the energy and plasma momentum have been performed after coupling the HPS model results with the results of a third party fluid model of the theMN. This provides an entire illustration of the HPT energy loss and thrust mechanisms, as well as the power and thrust efficiency. After the analysis of theHPT internal dynamics and the use of third party results for the external fluid, a hybrid model of theMN has been developed based on a previous one for Hall Effect Thrusters (HALLMA). This model relies on a Particle-in-Cell method for ions and neutrals, and an anisotropic and isothermal fluid approach for electrons. This model describes the response of the plasma along the MN for different electron magnetization regimes, a capability not covered by the aforementioned MN fluid model. The obtained results shows the electrons demagnetization impact on the plume divergence and on the axial thrust generation. Nonetheless, both the MN hybrid model and the MN fluid model consider electrons as an isothermal fully confined specie. This results in an inconsistent unbounded ambipolar potential drop, which yields infinite plasma acceleration and thrust. To face this problem, a one dimensional kinetic model of a fully magnetized expanding plasma throughout a convergentdivergent magnetic channel has been formulated and solved numerically. This model provides a preliminary insight on important phenomena like the collisionless electron cooling and the formation of a self-consistent potential drop along the magnetic channel. The total potential drop at the far field is finite as well as the ultimate ion velocity. This model concludes that most of the aforementioned phenomena, strongly depend on the ion to electronmass ratio, and weakly depend on other conditions such as the ion energy within the source, at least for the hypotheses considered here. An experimental test campaign has been carried out at the Electric Propulsion and Plasma Dynamics Lab (Princeton University). These tests have pursued the experimental validation of some of the results obtained from the fluidmodel of the HPS, such as the characterization of plasma fluxes to the rear wall, and the axial density structure within the HPS. Source efficiencies have been also evaluated and compared against the model results. Theoretical to experimental fittings are poor in most of the studied cases, although some of the results can be compared qualitatively, such as the increasing trend of HPS efficiencies for stronger magnetic fields. Lastly in this Thesis a preliminary design of a HPT prototype has been performed, based on the knowledge acquired on the discussed models. The implementation of a one dimensional (radial) model of the plasma wave interaction has been necessary in order to estimate the plasma impedance. Reduced laws of the internal fluiddynamics have been used to design the HPS, and select the best operational point. Later, results have been checked with the complete 2D fluid model of the HPS. Because of the simplification of some of the models developed in the current Thesis, thrust efficiency has been estimated about 50 %, which is at thismoment, quite large in comparison to the available experimental results. This also indicates that the development of this technology requires to keep a strong and excellence research on both, experiments and theoretical modelling, but in a closed loop of continuous validation, with the goal of building advanced tools for the HPT design and assessment of its performances. RESUMEN El motor de plasma helicón es un cohete electrodinámico propuesto a principios de los años 2000. Se divide en dos etapas, la primera consiste en una fuente de plasma helicón, donde se ioniza el gas neutro y se calienta el plasma. La segunda etapa o tobera magnética, acelera el plasma supersónicamente, incrementándose así el empuje total del dispositivo. Aunque las fuentes de plasma helicón han estado presentes desde los años 70 en entornos industriales, su desarrollo como motor de plasma, así como las tecnologías adyacentes al mismo, siguen en un estado embrionario. Tras un análisis profundo del estado del arte del motor helicón, se concluye que las capacidades propulsivas sugeridas por los distintos grupos de investigación expertos en dicha tecnología, difieren las unas de las otras. En esta Tesis se analizan los principales fenómenos físicos que tienen lugar en el motor helicón desde un punto de vista teórico y numérico, con el objetivo de analizar la viabilidad de esta tecnología como motor de plasma eficiente y competitivo. Primero, se ha desarrollado un modelo fluídico bidimensional para analizar la dinámica de los electrones, iones y neutros en la parte interna del motor. Como principal resultado, este modelo permite estimar la eficiencia en la producción del plasma y en la utilización del propulsante. También se identifican cada uno de los mecanismos, causantes del empeoramiento de dichas eficiencias. Se establecen relaciones sencillas y claras entre estos mecanismos y los parámetros de operación y de diseño del motor. Los límites asintóticos de este modelo conducen a leyes simplificadas para el diseño de fuentes de plasma helicón de alta eficiencia. Los resultados de este modelo se han interpretado conjuntamente con los resultados de otro modelo que simula la dinámica exterior en la tobera magnética. Realizando u n balance global de las ecuaciones de energía y de momento, se caracterizan las pérdidas energéticas, los mecanismos de empuje, y las eficiencias internas y de empuje del motor helicón. Se concluye también que un buen confinamiento magnético y una alta temperatura electrónica son los requisitos mínimos para alcanzar unas actuaciones óptimas. En una segunda fase se ha desarrollado un modelo híbrido de la tobera magnética. Este modelo se basa en HALLMA, una herramienta para la simulación de motores de efecto Hall (HALLMA). Las especies pesadas, iones y neutros, son tratadas con un modelo de partículas, mientras que los electrones se describen mediante un modelo de fluido anisotrópico e isotermo. Este modelo híbrido permite analizar los distintos regímenes de magnetización de los electrones y su efecto directo en la expansión del plasma a lo largo de la tobera magnética. Por ejemplo, permite estudiar las variaciones en la divergencia del chorro de plasma y en el empuje generado. El estudio de la desmagnetización electrónica es la principal ventaja de este modelo respecto al modelo fluido que se ha utilizado previamente en el balance global de energía y momento. Sin embargo, los dos modelos de tobera magnética consideran los electrones como una población isoterma y confinada en todo el domino de simulación, en otras palabras, se impone una distribución Maxwelliana para los mismos. Como resultado de dicha hipótesis la caída del potencial ambipolar no tiene límite inferior, por lo que el plasma se aceleraría infinitamente. Para atacar este problema se ha derivado un modelo cinético de un plasma totalmente magnetizado expandiéndose en una geometría unidimensional, tubo magnético convergente-divergente. Este modelo, resuelto numéricamente, permite estudiar fenómenos como el enfriamiento electrónico no colisional y permite describir consistentemente la evolución del potencial ambipolar, cuyo valor último es finito así como la velocidad última de los iones, que también es finita. En el marco de esta Tesis se ha llevado a cabo una breve campaña experimental en el Laboratorio de Propulsión Eléctrica y Dinámica de Plasmas (Universidad de Princeton). Los experimentos propuestos han perseguido la validación de algunos de lo resultados obtenidos con el modelo fluido de la fuente Helicón, como por ejemplo, la caracterización de los flujos de plasma que impactan en la sección trasera de la fuente, así como la estructura axial de la densidad del plasma a lo largo de la fuente helicon. La eficiencia de la fuente en la producción del plasma también ha sido evaluada y comparada con los resultados numéricos. Muchos de los resultados experimentales pueden ser comparados desde un punto de vista cualitativo con los resultados teóricos, sea un ejemplo, el aumento de las eficiencias de la fuente con la intensidad del campo magnético aplicado. En la parte final de esta Tesis se ha diseñado de forma preliminar un prototipo de motor Helicón, basándose en el conocimiento adquirido con los modelos desarrollados. Para la estimación de la impedancia del plasma ha sido necesario implementar y extender un modelo radial de la interacción del plasma con la onda de radiofrecuencia. Las leyes simplificadas del modelo fluido-dinámico han sido utilizadas para llevar a cabo este diseño. La eficiencia del motor ha sido estimada entorno al 50%, que es bastante alta en comparación con los resultados experimentales, y probablemente se debe a la sencillez de los modelos utilizados. Se concluye entonces, que para un mejor desarrollo de la tecnología helicón con finalidades propulsivas, es necesario seguir investigando en las distintas áreas, teoría, simulación y experimentación, con el fin de obtener herramientas válidas para el diseño y cálculo de las actuaciones del motor Helicón.