García Pérez, Jorge A. (2018) Desarrollo de simulador de propulsor de efecto hall. / Development of a hall effect thruster simulator. Maestría en Ciencias Físicas, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
![[img]](/style/images/fileicons/application_pdf.png)
| PDF (Tesis) Disponible bajo licencia Creative Commons: Reconocimiento - No comercial - Compartir igual. Español 2959Kb |
Resumen en español
En el presente trabajo se desarrolló un programa que simula un propulsor de efecto Hall, de tipo Propulsor de plasma estacionario (SPT, por sus siglas en inglés). E primer capítulo hace una presentación del propulsor de efecto Hall (HET, por sus siglas en inglés), su historia e importancia en la actualidad. Posteriormente se procede a explicar el funcionamiento básico de este tipo de propulsor usando como base el SPT- 100; se exponen los parámetros con los que se suele medir su rendimiento y algunos fenómenos presentes en el propulsor que pueden impactar el desarrollo de la simulación. El segundo capítulo expone las metodologías más comunes encontradas en la literatura para desarrollar una simulación de un HET y se hace una breve introducción del método escogido para este trabajo: Modelo híbrido PIC-Fluido, con un dominio bidimensional y un tratamiento unidimensional de la temperatura. El tercer capítulo muestra el desarrollo teórico para describir al sistema, fraccionándolo en el tratamiento realizado sobre los iones, neutros y electrones. El cuarto capítulo describe el método numérico utilizado para simular el sistema. Por un lado, los iones y neutros son modelados con la técnica de Particle-In-Cell (PIC, por sus siglas en inglés); por su parte los electrones son modelados como un fluido, usando la suposición de plasma cuasineutro para hallar su densidad en el dominio y operando las ecuaciones de momento y energía a través de un plantamiento de fluido unidimensional. Debido a que la dinámica de los electrones es mucho más rápida que la de los iones y neutros, para el avance de las ecuaciones de fluidos se establece una subrutina con un paso de tiempo más chico dentro de la rutina principal que involucra todo el sistema. En el quinto capítulo se hace una exposición resumida del programa desarrollado. Se describe la estructura del programa, su funcionamiento, como se puede operar para distintos propulsores y el tipo de resultados que produce. Por último, se hace una mención del costo computacional del programa y de las posibles mejoras a realizar para optimizarlo. Por último, el sexto capítulo expone los resultados de la simulación para un propulsor parecido al SPT-100. La simulación no consiguió reproducir los parámetros nominales del propulsor, entre ellos el empuje y las eficiencias. A pesar de esto, distintos aspectos de la simulación probaron dar resultados similares a los encontrados en la literatura, entre ellos las distribuciones de temperatura y voltaje a lo largo del dominio. En el capítulo se hace una revisión detallada de los resultados encontrados y se exponen diversas ideas acerca de cuáles pueden ser las fuentes de error del programa.
Resumen en inglés
The objective of this thesis is to develop a simulation aimed to predict the stationary state of a Hall Effect Thruster, specically a Stationary Plasma Thruster. First, a presentation is made about the history and importance of Hall Effect Thrusters in the Aerospace industry. This is followed by an introductory description about the basic principles of a HET, using the SPT-100 model as an example. The most common performance parameters of a Hall Effect Thruster are explained, as well as some of the most important physics phenomena regarding its functioning that ultimately affect the feasibility of constructing a satisfactory simulation. The second chapter portrays the different metodologies found in literature that address the task of constructing a simulation of a Hall Effect Thruster. Based on a preliminary study on the advantages and disadvantages of each approach, the method of simulating a HET through a Hybrid PIC-Fluid model was selected. The simulation use an axialradial domain (2D) whereas the fluid model is solved in the axial direction (1D). The third chapter describes the set of equations that characterize the system, using different procedures for each of the species: ions, neutrals and electrons. The fourth chapter depicts the numerical method employed to simulate the thruster. On one hand, neutrals and ions are modelled with the Particle-In-Cell technique. On the other hand, electrons are modelled as a fluid where its density is obtained using a quasineutral hypothesis, whilst its dynamic and energy equations are treated with a one dimensional approach. Since the electron dynamics is much faster than that of the ions and neutrals, a subrutine with shorter time steps is executed for each step of the whole system. The fth chapter introduces a brief description of the program developed for this thesis. The chapter describes a general outline of the program, how it can be used to simulate different models of HETs and the type of output produced. Lastly, a brief description is made about the computational cost of the program and the type of work that can be carried out to make the simulation more time efficient. The sixth chapter presents the results of the simulation for a predecessor of the SPT- 100. The program could not achieve to reproduce the global parameters expected for the thruster, thrust and efficiencies among them. However, several aspects of the simulation yielded results with close agreement to experimental values, including electric potential and temperature. The chapter exposes datailed revision of the results produced by the simulation and some ideas are introduced about potential sources of error in the program.
| Tipo de objeto: | Tesis (Maestría en Ciencias Físicas) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Simulation; Simulación; Plasma; Plasma; [Electric propulsion; Propulsión eléctrica; Hall effect thruster; Propulsor de efecto hall; Hybrid PIC-fluid; Hibrido PIC-fluido ] |
| Referencias: | [1] Goebel, D. M., Katz, I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. 1a edon. Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology, 2008. v, 1, 2, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 16, 22, 23, 25 [2] Mitrofanova, O., Gnizdor, R. Y., Murashko, V., Koryakin, A., Nesterenko, A. New generation of spt-100. Wiesbaden, Germany, 2011. v, 3, 15 [3] Bureau, E. F. E. D. Products catalogue. vii, 3 [4] Fife, J. M. Two-dimensional hybrid particle-in-cell modeling of Hall thrusters. Tesis Doctoral, Massachusetts Institute of Technology, 1995. vii, vii, 14, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 33, 34, 35, 36, 37, 39, 45, 50, 54, 67, 68, 69, 76, 79 [5] Bishaev, A. M., Kim, V. Local plasma properties in a hall-current accelerator with an extended acceleration zone. Soviet Physics Technical Physics, 23, 1853-1857, sep 1978. vii, 68, 69, 79 [6] Morozov, A. I. The conceptual development of stationary plasma thrusters. Plas- ma Physics Reports, 29 (3), 235-250, September 2003. 1, 2, 39 [7] Hofer, R. R. Development and Characterization of High-Eciency, High-Specic Impulse Xenon Hall Thrusters. 1a edon. NASA Center for Aerospace Information, 2004. 1, 2, 12, 13, 14, 15, 16 [8] Pidgeon, D. J., Corey, R. L., Sauer, B., Day, M. L. Two years on-orbit performance of spt-100 electric propulsion. En: Proceedings of the 24th AIAA International Communications Satellite Systems Conference, AIAA Paper, tomo 5353, pags. 11-14. 2006. 3 [9] Keidar, M., Beilis, I. I. Electron transport phenomena in plasma devices with e/spl times/b drift. IEEE Transactions on Plasma Science, 34 (3), 804-814, 2006. 3, 17, 18, 19, 20, 21, 39 [10] I. Morozov, A., Savelyev, V. Fundamentals of stationary plasma thruster theory. 21, 01 2000. 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 17, 18, 28, 72, 79 [11] Chen, F. F., von Goeler, S. E. Introduction to plasma physics and controlled fusion volume 1: Plasma physics. Physics Today, 38, 87, 1985. 4, 15, 17, 38 [12] Misuri, T., Battista, F., Andrenucci, M. Het scaling methodology: Improvement and assessment. En: Proc. 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. 2008. 13 [13] Choueiri, E. Y. Characterization of oscillations in closed drift thrusters. AIAA paper, (94-3013), 27-29, 1994. 19, 20 [14] Hofer, R. R., Mikellides, I. G., Katz, I., Goebel, D. M. Wall sheath and electron mobility modeling in hybrid-pic hall thruster simulations. AIAA Paper, 5267, 2007, 2007. 21 [15] Andrenucci, M. Hall thrusters. University Slides, 2008. 22 [16] Lentz, C. A., Martinez-Sanchez, M. Transient one dimensional numerical simulation of hall thrusters. AIAA, 1993. 22, 24, 25, 35, 69 [17] Jacobson, D., Roy, S. Development of a computationally ecient, high delity, nite element based hall thruster model, 2004. 22, 24 [18] Szabo, J., Warner, N., Martinez-Sanchez, M., Batishchev, O. Full particle-incell simulation methodology for axisymmetric hall eect thrusters. Journal of Propulsion and Power, 30 (1), 197-208, 2013. 23 [19] Roy, S., Pandey, B. Development of a nite element based hall thruster model for sputter yield prediction. IEPC, 2001. 24 [20] O'Hanlon, J. F. A user's guide to vacuum technology. John Wiley & Sons, 2005. 28 [21] Fife, J. M. Hybrid-PIC Modeling and Electrostatic Probe Survey of Hall Thruster. Tesis Doctoral, Massachusetts Institute of Technology, 1998. 34, 39, 54 [22] Swift-Hook, D. T. Partially ionized gases. Physics Bulletin, 26 (1), 21, 1975. URL http://stacks.iop.org/0031-9112/26/i=1/a=026. 35 [23] Farengo, R. Notas de introduccion a fsica de plasmas. 37, 38, 42 [24] Boeuf, J., Garrigues, L. Low frequency oscillations in a stationary plasma thruster. Journal of Applied Physics, 84 (7), 3541-3554, 1998. 39, 54, 68, 71, 79 [25] Cartwright, V.-J., K.L., Birdsall, C. Loading and injection of maxwellian distributions in particle simulations. Journal of Computational Physics, 162, 483-513, 2000. 52 [26] Fife, M.-S. M., John, Szabo, J. A numerical study of low-frequency discharge oscillations in hall thrusters. En: Proc. 33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit. Massachusetts Institute of Technology, 1997. 71 |
| Materias: | Física > Física tecnológica |
| Divisiones: | INVAP |
| Código ID: | 753 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 14 Nov 2019 12:17 |
| Última Modificación: | 14 Nov 2019 12:17 |
Personal del repositorio solamente: página de control del documento
