Meccanismo di accelerazione Propulsore Impulso

specifico (s) Spinta (N)

Accelerazione termogasdinamica

Resistojet    

Arcjet 500 - 2000 0,15 - 0,30

Accelerazione elettrostatica

Propulsore a emissione di campo (FEEP) 5000 - 8000 10-5 - 2,510−3

Propulsore ionico a griglia elettrostatica (GIT) 3000 0,03

Propulsore a effetto Hall (SPT, PPS, ALT) 1000 - 3000 0,01 - 1,5

Accelerazione elettromagnetica (forza di Lorentz)

Propulsore magnetoplasmadinamico (MPD) e LFA (Lorentz Force Accelerator) 1000 - 10000 20 - 200

Propulsori per induzione a impulso (PIT)

Propulsori elettrotermici• Sono stati i primi ad essere sviluppati.• Il meccanismo di accelerazione termogasdinamico è lo stesso

che nei propulsori chimici: il propellente portato ad alta temperatura in un opportuno vano ricavato nel propulsore è in seguito lasciato espandere attraverso un ugello. In questo modo l'energia termica fornita al propellente è convertita in energia cinetica ed è quindi trasformata in una forma utile a generare una spinta.

• La principale differenza tra i propulsori elettrotermici ed i propulsori chimici consiste nella modalità con cui l'energia termica è fornita al propellente: – Resistojet: il gas è scaldato da resistenze – Arcjet: il gas è scaldato tramite arco elettrico

• Le prestazioni dei propulsori elettrotermici in termini di impulso specifico sono generalmente modeste.

Resistojet

Arcjet

Propulsori elettrostatici• Il propellente, dopo essere stato ionizzato, è

accelerato prevalentemente dalla forza di Coulomb, cioè in seguito all'applicazione di un campo elettrostatico nella direzione dell'accelerazione.

• Si dividono principalmente in:– Propulsore a emissione di campo (FEEP)– Propulsore ionico a griglia elettrostatica (GIT)– Propulsore a effetto Hall (HET)

Propulsore a emissione di campo (FEEP)

• È un concetto avanzato di propulsione elettrostatica che usa metallo liquido (solitamente cesio o indio) come propellente.

• Un dispositivo FEEP consiste di un elettrodo emettitore e uno acceleratore. Una differenza di potenziale dell'ordine di 10 kV viene applicata tra i due in modo da generare un forte campo elettrico sulla punta della superficie del metallo. Il campo estrae gli ioni che poi vengono accelerati ad alta velocità, solitamente più di 100 km/s. È richiesta una sorgente di elettroni separata per mantenere il veicolo elettricamente neutro.

• A causa della sua spinta molto piccola (nell'ordine dai μN ai mN), i FEEP sono usati principalmente per il controllo dell'assetto al μrad nei veicoli spaziali.

Propulsore ionico a griglia elettrostatica (GIT)

• I propulsori ionici a griglia elettrostatica usano comunemente gas di xeno, il quale viene ionizzato bombardandolo con elettroni provenienti da un catodo rovente, creando così ioni positivi a causa della perdita di un elettrone. Tali ioni positivi si diffondono poi attraverso la griglia positiva ed entrano nella zona di differenza di potenziale tra la griglia positiva e quella negativa. La differenza di potenziale accelera gli ioni a velocità elevata, i quali, attraversando la griglia negativa, generano la spinta.

• È stato usato con successo dalla NASA sulla sonda spaziale Deep Space 1 (motore NSTAR, anni ’90). La NASA ha dimostrato che i motori NSTAR possono durare per oltre 16 000 ore (1,8 anni), e hanno anche ottenuto un impulso specifico di 3000 s fino addirittura a 100000 s, migliore della maggior parte degli altri tipi di propulsore ionico. Tali propulsori hanno accelerato gli ioni a velocità che raggiungono i 100 km/s.

• La NASA attualmente sta lavorando a un GIT da 25-50 kW denominato HiPEP.

Propulsore a effetto Hall• È stato studiato indipendentemente da USA e URSS durante la Guerra

Fredda. Gli USA abbandonarono presto le sperimentazioni a favore del GIT, mentre questa tipologia di propulsore venne studiata a fondo dalla ex Unione Sovietica che ne produsse il primo prototipo funzionante all’inizio degli anni Settanta.

• I propulsori a effetto Hall accelerano gli ioni attraverso l'uso di un potenziale elettrico mantenuto tra un anodo cilindrico e un plasma caricato negativamente che forma il catodo. La massa del propellente viene introdotta vicino all'anodo, dove viene ionizzata, ed in seguito gli ioni vengono attratti dal catodo e accelerati verso e attraverso di esso, raccogliendo elettroni mentre si muovono per neutralizzare il fascio e lasciare il propulsore ad alta velocità.

• Questa tecnologia è stata usata nella missione lunare SMART-1 e viene usata su diversi satelliti geostazionari commerciali.

• L’URSS ne ha sviluppato due tipi:– Propulsori con zona di accelerazione larga (SPD, in inglese SPT

Stationary Plasma Thruster, propulsore stazionario al plasma)– Propulsori con zona di accelerazione stretta (DAS, in inglese Thruster with

Anode Layer, propulsore con strato anodico)• La potenza tipica è di 1 kW, la ricerca attuale è volta al portare la potenza a

valori più elevati (50-100 kW).

SPD

Motore Propellente Potenza richiesta (kW)

Impulso specifico (s) Spinta (mN)

NSTAR Xeno 2,3 3300 92

NEXT Xeno 10,5 3900 364

NEXIS Xeno 20,5 6000 - 7500 400

HiPEP Xeno 25-50 6000 - 9000 460 - 670

Effetto Hall Bismuto 25 3000 1130

Effetto Hall Bismuto 140 8000 2500

Effetto Hall Xeno 25 3250 950

Effetto Hall Xeno 75 2900 2900

FEEP Cesio liquido 6x10−5 - 0,06 6000 - 10000 0,001 - 1

Confronto fra alcuni tipi di propulsori ionici

Propulsori elettromagnetici

• I propulsori elettromagnetici sfruttano la forza di Lorentz per accelerare il plasma. Tale forza agisce su di essi in base alla loro velocità, alla loro direzione e a quella del campo magnetico a cui sono soggetti.

• Si dividono principalmente in:– Propulsori magnetoplasmadinamici– Acceleratori a forza di Lorenz in litio– Propulsori per induzione a impulso (PIT)

Propulsore magnetoplasmadinamico (MPD)

• Il propellente allo stato gassoso viene ionizzato e immesso in una camera di accelerazione dove viene creato un campo elettromagnetico utilizzando una fonte di energia elettrica. Le particelle vengono poi spinte verso il condotto d'uscita dalla forza di Lorentz, risultante dall'interazione tra la corrente elettrica del flusso di plasma e il campo magnetico (che può essere applicato dall'esterno o indotto dalla corrente).

• Sia l'impulso specifico che la spinta aumentano con la potenza in ingresso.

• Gli acceleratori a forza di Lorenz in litio (LiLFA) usano la stessa idea generale del MPD con due principali differenze:– Il propellente è vapore di litio che ha il vantaggio di essere

immagazzinato in forma solida.– Il catodo viene sostituito da diverse bacchette di catodo di

piccole dimensioni inserite in un tubo catodico cavo.

Confronto fra alcuni tipi di propulsori (MPD e LiLFA)

Motore Propellente Potenza richiesta (kW)

Impulso specifico (s)

Spinta (Nm)

MPDT Idrogeno 1500 4900 26300

MPDT Idrogeno 3750 3500 88500

MPDT Idrogeno 7500 6000 60000

LiLFA Vapore di litio 500 4077 12000

Propulsori per induzione a impulso (PIT)

• Questa tipologia di propulsore è formata da un ugello che rilascia il gas il quale si diffonde attraverso una spira di induzione piana in filo di circa un metro di diametro. Un gruppo di condensatori rilascia nella spira un impulso di corrente elettrica della durata di 10 microsecondi, generando un campo magnetico radiale. Questo induce un campo elettrico circolare nel gas, ionizzandolo e causando il movimento degli ioni nella direzione opposta rispetto a quella dell'impulso di corrente originario. Siccome il loro moto è perpendicolare al campo magnetico (perché la forza di Lorentz è ortogonale al campo magnetico), gli ioni vengono accelerati ed espulsi nello spazio.

• I vantaggi principali del PIT sono l’assenza di elettrodi (soggetti al fenomeno dell’erosione) e il fatto che la potenza può essere aumentata semplicemente aumentando il numero di impulsi al secondo.

• Sono usati in applicazioni che richiedono grandi potenze, dell’ordine del MW.