Z-70 hall thruster performance analysis. Experimental thrust and plasma measurements

Even though Hall thrusters have been studied for many years by the Russians and Western countries, part of the physics governing the plasma behavior is still not perfectly understood. This drove the work of Chris Young and Andrea Lucca Fabris who studied in detailed the Z-70 with a technique called Laser Induced Fluorescence (LIF) and numerical simulations. The Z-70 is a laboratory model of the SPT-70 which is a space qualified Russian Hall thruster with a diameter of around 72 mm. The LIF allows to measure the ion velocity in many precise points close to the exit section of the annular chamber. This thesis integrates their work by measuring the thrust under the same conditions and comparing the results obtained. The thrust was measured using an sophisticated instrument called thrust stand which was modified in order to get rid of the non-linear behavior of the instrument. A closed-loop control system was developed in order to keep the moving part fixed at a precise location preventing any non-linearity. A current-driven actuator made of a solenoid and a permanent magnet is able to generate the force for the control system. The thrust was then measured by looking at how much current is required to flow in the solenoid. To integrate and enrich the comparison the ion velocity and the composition of the plasma were measured using a ExB sensor. The ExB sensor exploits a magnetic and electric perpendicular fields to deviate and collect ions at different energy levels. This instrument was partially developed by the author using the ExB sensor of the Electric Propulsion Laboratory (PEPL) of the Michigan State University as a reference.

Nonostante i propulsori a effetto Hall siano stati studiati intensamente per molti anni dai russi e dalle nazioni occidentali, alcuni aspetti della fisica che governa il comportamento del plasma all'interno di tali propulsori non sono ancora perfettamente chiari. Questo spinse Chris Young e Andrea Lucca Fabris a studiare in dettaglio il propulsore Z-70 utilizzando la tecnica della fluorescenza indotta da laser (LIF) e simulazioni numeriche. Il Z-70 è una copia di laboratorio del SPT-70 che è un propulsore russo qualificato per lo spazio dal diametro di circa 72 mm. La LIF permette di misurare precisamente la velocità degli ioni in prossimità della sezione di uscita della camera anulare del propulsore a effetto Hall. Questa tesi integra il loro lavoro misurando la spinta del propulsore sotto le medesime condizioni operative per vedere se si ottengono risultati paragonabili. La spinta è stata misurata utilizzando uno strumento molto sofisticato chiamato bilancia di spinta, il quale è stato modificato per prevenire gli effetti non lineari dello strumento. Un sistema di controllo in anello chiuso è stato sviluppato per far sì che la parte mobile della bilancia rimanga ferma, facendo così in modo che gli effetti di non linearità non si manifestino. Un attuatore comandato in corrente, costituito da un solenoide e un magnete permanente, è in grado di generare la forza di controllo per l'anello chiuso. La spinta è stata misurata misurando quanta corrente è necessaria per compensare la spinta. Per integrare e arricchire il paragone la velocità degli ioni e la composizione del plasma sono stati misurati utilizzando un sensore E cross B. Questo tipo di sensore sfrutta un campo magnetico e uno elettrico perpendicolari tra loro per deviare e percepire gli ioni a diversi livelli energetici. Lo strumento è stato parzialmente sviluppato dall'autore come copia del sensore ExB del Electric Propulsion Laboratory (PEPL) della Michigan State University.