Simulación numérica y contraste experimental de un nuevo diseño de propulsor pulsado de plasma para micro-satélites

FERRO, MAXIMILIANO GABRIEL ; ASSEFI, AREF ; MÁRQUEZ, ADRIANA ; GRONDONA, DIANA ; MINOTTI, FERNANDO

Ciudad de Buenos Aires

Congreso; 103a Reunión de la Asociación Fı́sica Argentina; 2020

Asociación Física Argentina

 Los denominados micro y nano-satélites ofrecen la ventaja de costos accesibles de construcción y despliegue. Por otro lado, debido a ser muy compactos y de relativa simplicidad, los propulsores ablativos de plasma pulsado (APPT por sus siglas en ingles) son una buena opción como medio de propulsión para estos satélites, ya sea para el control de la orientación o el mantenimiento de la órbita. En un APPT, una descarga eléctrica pulsada genera por ablación una pequeña masa del dieléctricoque aisla los electrodos, generalmente teflón, generando un plasma de este material. La misma corriente eléctrica de la descarga acelera el plasma mediante la fuerza de Lorentz y los gradientes de presión debidos al calentamiento Joule, dando como resultado en cada descarga un impulso de unas pocas decenas de μN s por cada Joule entregado por el circuito de alimentación. La gran cantidad de procesos diferentesinvolucrados hace que el modelado numérico y la optimización de un APPT sean una tarea difícil. Presentamos en este trabajo un modelo numérico autoconsistente, previamente desarrollado, que fue adaptado para su aplicación al último diseño de APPT desarrollado en nuestro grupo. El modelo da cuenta de los principales procesos: ablación de teflón, generación de plasma y posterior evolución acoplada al circuito que alimenta la descarga. Se supone un plasma de teflón neutro, en equilibrio termodinámico local, con un grado de ionización determinado por la ecuación de Saha. Los flujos de energía radiativa y convectiva hacia las paredes determinan consistentementela temperatura de la pared y la ablación del teflón. Las ecuaciones no estacionarias para masa, momento y energía del plasma se resuelven en un conducto cilíndrico de sección transversal variable, utilizando un esquema numérico de TVD MacCormack.El potencial de los electrodos y la corriente eléctrica en el plasma están acoplados al circuito eléctrico que alimenta la descarga, que es modelado como un circuito serie resistor-inductor-capacitor. La resistencia e inductancia del plasma se incluyen en laecuación del circuito, que se resuelve simultáneamente con las ecuaciones de evolución del plasma. Las salidas del modelo se comparan con resultados experimentales del APPT desarrollado por nuestro grupo.