Telemicroscopia per la Caratterizzazione di Motori a effetto Hall

Stato: completato
Attività: Detailed design, procurement, transport at customer premises, alignment

Data: 2010

Cliente: Sitael SpA

Categoria: space

Credits: EIE Space Technologies Srl, Sitael SpA

In generale
I motori ad effetto Hall rappresentano una tecnologia fondamentale per lo sviluppo delle piattaforme satellitari.
Gli utilizzi più importanti per questi propulsori riguardano il controllo di assetto a bordo di satelliti commerciali posizionati in orbita geocentrica, la propulsione principale a bordo di sonde robotizzate di medie dimensioni, l'utilizzo come stadio finale per l'inserimento in orbita geostazionaria da un orbita di parcheggio.
Questi motori sono caratterizzati da una modesta spinta - che è il termine tecnico con il quale si designa la forza impressa dal motore al mezzo cui è applicato - ma da un elevatissimo impulso specifico, termine con il quale si indica il rapporto tra l'impulso fornito dal motore - ovvero la variazione di quantità di moto della sonda dovuta all'azione del motore - per unità di propellente impiegato.
Queste caratteristiche fanno sì che il loro utilizzo per le fasi di lancio sia impossibile - la spinta massima generata dai motori ad effetto Hall non è sufficiente a sollevare i motori stessi - ma li rende fondamentali per le manovre in orbita, dove occorre un utilizzo efficiente delle risorse e non si deve contrastare la resistenza dell'aria, mentre la gravità va solamente assecondata, e non contrastata.
La tecnologia di questi motori si basa sull'accelerazione impressa da una differenza di potenziale agli ioni del propellente, costituito prevalentemente da gas Xenon - ma è possibile impiegare altri gas come Krypton, Argon, Bismuto. Il gas inizialmente neutro subisce un processo di ionizzazione per mezzo di urti con elettroni liberi, intrappolati da un campo magnetico generato a bordo del motore. Il potenziale applicato tra anodo e catodo accelera gli ioni pesanti e il differente raggio di Larmor tra ioni ed elettroni - una misura, proporzionale alla massa, di quanto è deflesso uno ione che si propaga in un campo magnetico - fa sì che la nube di elettroni rimanga confinata mentre gli ioni pesanti siano espulsi. In realtà parte degli elettroni riesce a sfuggire dal contenimento, collidendo con le pareti del motore e diffondendo verso l'anodo.
Queste correnti di scarica limitano l'efficienza e si manifestano macroscopicamente come un'erosione di alcune parti in ceramica che compongono la struttura del motore.

Caratteristiche
I progettisti studiano empiricamente l'efficienza delle soluzioni adottate analizzando, tra i vari parametri monitorati, i profili di erosione di queste superfici in rapporto al numero di ore di funzionamento del motore. Tipicamente i test di un motore ad effetto Hall sono condotti installando il dispositivo su di un dinamometro e inserendo il tutto in una grande camera a vuoto, in modo da riprodurre le condizioni operative del motore. Le analisi condotte richiedono di volta in volta che il vuoto pneumatico sia interrotto - cosiddetta rottura del vuoto- il dinamometro estratto ed il motore smontato e posizionato su un sistema adatto alla misura dimensionale. Tutto questo procedimento è estremamente costoso in termini di tempo: si consideri che solitamente occorrono dai due ai tre giorni per riprodurre il vuoto necessario per l'esecuzione dei test e che a questo tempo occorre aggiungere quello necessario per lo montaggio lo smontaggio del motore dal dinamometro, il tempo per il montaggio e lo smontaggio sullo strumento di misura ed il tempo per l'esecuzione delle misure.

La tecnologia
La necessità di comprimere i tempi di sviluppo dei motori ad effetto Hall ha richiesto lo realizzazione di un particolare sistema di misura dell'erosione. Il requisito principale dello strumento consiste nella possibilità di eseguire misure senza dover smontare il motore dal dinamometro ed estrarlo dalla camera a vuoto. Lo strumento doveva potersi adattare a tutte le camere a vuoto in uso e doveva inoltre essere adattabile a ulteriori camere a vuoto che si fossero aggiunte alla dotazione in essere. L'insieme di questi requisiti operativi ha condotto alla definizione di uno strumento da installare all'interno della camera a vuoto, equipaggiato da un sistema di auto-taratura per la compensazione dei disallineamenti, adattabile a svariate misure di motori ad effetto Hall.

Link alla pagina ufficiale
http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/Propulsion_Laboratory