Semi-analytical mono-dimensional modelling of cathodeless plasma thrusters

This thesis concerns the development and description of mono-dimensional and semi-analytical models capable of determining the characteristics and propulsive properties of cathodeless plasma thrusters. In particular two algorithms for the description of the plasma source of such thrusters are presented and developed: a mono-dimensional one, and a volume averaged one. Three different models for the plasma expansion in the magnetic nozzle are also described and integrated with the source models. Finally four different criteria used to determine the detachment of the plasma from the magnetic field lines, and an algorithm capable of calculating the divergence of the plasma beam and the consequent decrease in the thrust, are also proposed. All of the proposed models are verified and compared between themselves, allowing a critical analysis of their capabilities and characteristics. The combinations of the algorithms are then validated against experimental data taken from three different cathodeless plasma thrusters, in order to verify the qualitative and quantitative accuracy of the developed models. Finally a sensitivity analysis on a range of design parameters of the main propulsive properties and plasma characteristics of a cathodeless plasma thruster is carried out by means of the presented algorithms.

Questa tesi tratta lo sviluppo e la presentazione di modelli monodimensionali e semianalitici per la descrizione di motori al plasma privi di catodi. In particolare vengono presentati e sviluppati due algoritmi per la modellazione della sorgente dove viene prodotto il plasma: un modello monodimensionale, ed uno a nodo singolo. Inoltre vengono delineati tre modelli differenti per la descrizione dell'espansione del plasma nell'ugello magnetico, che vengono poi integrati con gli algoritmi per la modellazione della sorgente. Infine si propongono quattro criteri utilizzati per la determinazione del punto di separazione tra le particelle del plasma e le linee di campo magnetico, insieme ad un algoritmo per il calcolo della divergenza del flusso di plasma ed il conseguente calo nella spinta prodotta. Tutti i modelli proposti sono stati verificati e confrontati tra di loro, permettendo un'analisi critica delle loro caratteristiche e capacità. La combinazione degli algoritmi è poi stata validata tramite il confronto con dati sperimentali tratti da tre motori al plasma differenti, in modo da determinarne la corrispondenza qualitativa e quantitativa con i dati reali. Infine è stata prodotta un'analisi di sensitività, sulle variabili di progetto, delle principali proprietà propulsive dei motori considerati e delle caratteristiche del plasma prodotto, utilizzando i modelli presentati.