Development of global models of plasma systems for space propulsion

The focus of this research work is to develop plasma global models, to support the investigations on argon and carbon dioxide helicon plasma thruster, carried out at CISAS research center. These models have been applied in three different and consecutive research programs, the EU FP7 HpH.com program, the AO7048 ESA program, and the SAPERE-STRONG MIUR program. The models have been developed for the most general case of an electronegative magnetized discharge, therefore encompass all types of cold non magnetized or electropositive discharges. Furthermore, the models employs results from particle in cell simulations of the plasma exhaust plume, in order to account properly for the plasma detachment and acceleration provided by the so called magnetic nozzle effect. The simulations are in agreement with performed experiments on the laboratory set up, and allow prediction of the thruster propulsive performances. The viability of plasma assisted combustion for monopropellant propulsion applications, is also investigated. An experimental proof of concept is provided with a nitrous oxide gliding arc experiment, carried out at Drexel Plasma Institute. The experiment shows that the plasma is effective in promoting catalytic decomposition and combustion of the gas. A global model is developed to investigate the mechanism of nitrous oxide plasma assisted dissociation; the model implements non-equilibrium neutral gas phase reaction rates and a vibrational energy equation for the estimation of the vibrational temperature. The model is able to reveal the mechanism of plasma catalysis, and predicts good performances for an hypothetical nitrous oxide microwave discharge thruster.

Obiettivo di questo lavoro è lo sviluppo di modelli globali di plasma atti a supportare lo studio della propulsione al plasma di tipo helicon, con propellente ad argon e anidride carbonica, portato avanti al centro di ricerca ed attività spaziali CISAS. I modelli sono stati applicati in tre progetti di ricerca consecutivi: il progetto HpH.com, finanziato nel contesto del programma europeo FP7, il progetto AO7048 finanziato da ESA ed il progetto STRONG-SAPERE finanziato dal MIUR. I modelli sono sviluppati in via generale per plasmi di gas elettronegativo e magnetizzato, perciò sono applicabili alle sottocategorie di plasmi freddi, non magnetizzati o elettropositivi. I modelli inoltre, incorporano risultati da simulazioni di tipo paticle in cell, della zona del plume del propulsore; in questo modo è possibile tener conto degli effetti di distacco e accelerazione del plasma, provocati dalla divergenza delle linee del campo magnetico; il cosiddetto effetto di ugello magnetico. E' inoltre studiata la fattibilità della combustione assistita da plasma, per applicazioni relative a propulsione monopropellente. Una verifica sperimentale di fattibilità è effettuata attraverso un esperimento di scarica di tipo gliding arc, di protossido d'azoto; l'esperimento è stato effettuato presso il Drexel Plasma Institute a Philadelphia. Un modello globale di plasma è stato sviluppato per studiare i meccanismi della dissociazione assistita da plasma; il modello implementa reazioni di fase neutra di non equilibrio, e una equazione per l'evoluzione dell'energia vibrazionale delle molecole, che permette di tracciare l'andamento temporale della temperatura vibrazionale. Il modello è in grado di evidenziare i meccanismi di catalisi da plasma; inoltre, predice buone prestazioni per un eventuale propulsore di tipo plasma a microonde con protossido d'azoto.