Experimental Characterization of Plasma Sources for Space Propulsion

The focus of this research program is experimentally characterizing and developing advanced plasma propulsion systems. Experimental measurements have been combined with numerical simulations to examine the physical processes taking place in the analyzed thrusters. The first part of the project, performed under the EU FP7 HPH.com program, is dedicated to the development of an electrodeless radio-frequency plasma thruster. An experimental facility is designed and constructed, including several plasma diagnostic systems. The plasma properties in the radio-frequency discharge are monitored through optical spectrometers and a microwave interferometer, while the plasma beam is characterized using a retarding potential analyzer and a current probe. Extensive development tests have resulted in an optimized plasma source based on a novel antenna and a particular magnetic field pattern generated by arrays of radially-magnetized permanent magnets. Additionally, the main guidelines for the design of the final prototype of the HPH.com thruster have been determined. The plasma dynamics inside the thruster have been studied by means of the 3D particle-in-cell code F3MPIC, focusing on the ejected plasma plume characterized by the formation of a supersonic ion beam. In the second part of the project, the Stanford Cylindrical Cusped Field Thruster is experimentally and numerically investigated, with particular attention given to the exit plane acceleration region near the top magnetic cusp. Time-averaged xenon ion laser-induced-fluorescence measurements have mapped the total ion velocity vectors in this region. The velocity field is correlated to the ion beam current profile, the magnetic field and the electrostatic potential field. The thruster is also simulated using F3MPIC. The consistent experimental and numerical results give physical insight into the mechanisms of ion acceleration and the role of the magnetic field topology in determining ion trajectories and plume divergence. Finally, we propose an innovative dual-stage propulsion system comprised of a traveling magnetic field accelerator. The plasma produced in a primary ionization source is injected into the second stage where it is accelerated by a forward propagating magnetic field. The acceleration mechanism is numerically studied using a 1D particle-in-cell model. Preliminary experiments utilize a microwave source as the primary ionization stage and a transmission line circuit to generate the traveling magnetic field.

Questo progetto di ricerca verte sullo sviluppo e la caratterizzazione sperimentale di avanzati sistemi propulsivi a plasma, utilizzati per applicazioni spaziali. La ricerca si è avvalsa tanto di misure sperimentali quanto di simulazioni numeriche, al fine di acquisire una completa comprensione dei processi fisici che caratterizzano il funzionamento dei propulsori analizzati. Il progetto è articolato in tre parti, ognuna delle quali dedicata ad uno specifico propulsore. La prima parte del progetto, svolta nell'ambito del programma di ricerca europeo HPH.com, consiste nello sviluppo di un propulsore in Radio-Frequenza senza elettrodi esposti al plasma. Le attività riguardano la progettazione e la realizzazione di un apparato sperimentale dedicato, comprendente molteplici sistemi di diagnostica. Le proprietà del plasma nella sorgente in Radio-Frequenza sono monitorate mediante spettroscopi ottici ed un interferometro a microonde, mentre il getto di plasma eiettato è caratterizzato tramite un Retarding Potential Analyzer e una sonda di corrente. Un'estensiva campagna di test ha permesso la realizzazione di una sorgente di plasma ottimizzata; la configurazione identificata si basa su un'antenna innovativa ed una particolare struttura magnetica, prodotta da corone di magneti permanenti con magnetizzazione radiale. Inoltre la dinamica del plasma nel propulsore è stata analizzata mediante il codice F3MPIC, di tipo particle-in-cell: le simulazioni mostrano la formazione di un beam ionico supersonico nel plasma eiettato. Infine sono state individuate le linee guida per la progettazione del prototipo finale previsto dal progetto HPH.com. Nella seconda parte del progetto, è stata svolta un'indagine sperimentale e numerica sul propulsore elettrostatico a cuspidi magnetiche della Stanford University. L'obbiettivo principale di indagine consiste nella comprensione del meccanismo di accelerazione degli ioni. A tal fine, il vettore velocità degli ioni viene misurato in prossimità della sezione di uscita del propulsore, mediante la tecnica "Laser-Induced-Fluorescence". Il campo di velocità ottenuto è quindi correlato alla struttura magnetica, alla distribuzione del potenziale elettrostatico e a misure di corrente svolte nel plasma eiettato. Il propulsore viene inoltre simulato mediante F3MPIC. La combinazione dei risultati numerici con quelli sperimentali, tra loro consistenti, fornisce una descrizione fisica del meccanismo di accelerazione e del ruolo della topologia magnetica nella determinazione della divergenza del getto di plasma eiettato. Come terza parte, viene proposto un sistema propulsivo innovativo, basato sull'accelerazione di un plasma prodotto da una sorgente primaria mediante un campo magnetico che si propaga spazialmente. Il meccanismo di accelerazione viene studiato mediante un modello monodimensionale di tipo particle-in-cell. Sono svolti alcuni esperimenti preliminari utilizzando una sorgente a microonde per la ionizzazione ed una linea di trasmissione per la generazione del campo magnetico.