Analysis, simulation and testing of advanced electrodynamic systems for space propulsion

Helicon plasma sources are an attractive means of plasma production in advanced applications of space propulsion thanks to their high ionization efficiency. By means of a compact helicon source, it is possible to enhance the performances of a small propulsive apparatus from a range of almost negligible values (few micro-Newton of thrust and few tens of seconds of specific impulse) to a range useful for many applications (thrust of milli-Newton and 1000s seconds of specific impulse). However, the design of such a system is complicated by the great inter-correlations between the involved parameters, and by the complex physical mechanisms involved. Moreover, thruster operation involve physical regimes which are not common in industrial plasma sources. In this research program, helicon physics has been deeply analyzed in a innovative way, not limiting the study to helicon wave analysis with dielctric tensors, but recognizing that the electromagnetic wave propagation must be closely related to macroscopic transport. An equilibrium theory of an helicon discharge has been derived, where both the plasma-wave local coupling of the RF antenna field with the plasma, and the transport of plasma species at the macroscopic level, are considered. The theory has been practically implemented on a code and validated  with experiments in Laboratory. The theory has allowed to close the correlations between the design parameters and to identify preliminary design configurations of helicon thrusters.

Grazie alla loro elevata efficienza, le sorgenti al plasma di tipo helicon sono un attraente mezzo di produzione di plasma per applicazioni avanzate di propulsione spaziale. Per mezzo di una compatta sorgente helicon, è possibile incrementare le prestazioni di un piccolo apparato propulsivo, da un range di valori pressoché trascurabili (pochi micro-Newton di spinta e qualche decina di secondi di impulso specifico) ad un range utile per molte applicazioni (spinta del milli-Newton e migliaia di secondi di impulso specifico). Tuttavia il design di un tale sistema è complicato dalla grande inter-correlazione tra i parametri coinvolti, e dai complessi meccanismi fisici coinvolti. Inoltre il regime operativo del thruster avviene in regimi fisici non comuni per plasmi di sorgenti industriali. In questo programma di ricerca la fisica fondamentale degli helicon è stata attentamente studiata, non limitando le analisi al problema di accoppiamento d'onda con tensore dielettrico, ma riconoscendo che il problema elettromagnetico è strettamente connesso al traporto macroscopico. E' stata sviluppata una teoria dell'equilibrio di una scarica helicon, dove sono tenuti in considerazione sia l'accoppiamento locale plasma-onda del campo RF (radiofrequenza) dell'antenna con il plasma, che il trasporto delle specie di plasma a livello macroscopico. La teoria è stata implementata in un codice e validata con esperimenti in Laboratorio. La teoria ha permesso di chiudere le correlazioni fra i parametri di design e di identificare delle configurazioni preliminari di propulsori helicon.