• search hit 10 of 22
Back to Result List

Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-35429

Kinetic and fluid modeling of ion thruster plumes

  • The importance of ion propulsion devices as an option for in-space propulsion of space crafts and satellites continues to grow. They are more efficient than conventional chemi- cal thrusters, which rely on burning their propellant, by ionizing the propellant gas in a discharge channel and emitting the heavy ions at very high velocities. The ion emission region of a thruster is called the plume and extends several meters axially and radially downstream from the exit of a thruster. This region is particularly important for the effi- ciency of a thruster, because it determines energy and angular distribution of the emitted ions. It also determines the interaction with the carrier space craft by defining the electric potential shape and the fluxes and energies of the emitted high energy ions, which are the key parameters for sputter erosion of satellite components such as solar panels. Developing new ion thrusters is expensive because of the high number of prototypes and testing cycles required. Numerical modeling can help to reduce the costs in thruster development, but the vastly differing length and time scales of the system, particularly the large differences of scales between the discharge chamber and the plume, make a simulation challenging. Often both regions are considered to be decoupled and are treated with different models to make their simulation technically feasible. The coupling between channel and plume plasmas and its influence on each other is disregarded, because there is no interaction between the two regions. Therefore, this thesis investigates the physical effects which arise from this cou- pling as well as models suitable for an integrated simulation of the whole coupled problem of channel and plume plasmas. For this purpose the High Efficiency Multistage Plasma Thruster (HEMP-T) ion thruster is considered. For the discharge channel plasma, a fully kinetic model is required and the Particle-in-Cell (PIC) method is applied. The PIC method requires very high spatial and temporal resolu- tions which makes it computationally costly. As a result, only the discharge channel and the near-field plume close to the channel exit can be simulated. In the channel, the results show that electrons are magnetized and follow the magnetic field lines. The orientation of the magnetic field there is mostly parallel to the symmetry axis and the channel walls which re- sults in a high parallel electron transport and leads to a flat electric potential and a reduced plasma-wall sheath. Only at the magnetic cusps, which are characteristic of HEMP-Ts the electrons are guided towards the wall, with ions following due to quasineutrality, where a classical plasma-wall sheath develops. The ion-wall contact is thus limited to the cusp re- gion. The small radial drop of the potential towards the wall gives rather low energies of ions impinging at the wall and minimizes erosion in the HEMP-T. In the near-field plume, which extends from the thruster exit plane to some centimeters downstream, the ion emission characteristics is defined. The ratio of radial and axial elec- tric field components in this region determines the ion emission angle which should be minimized for maximum thruster efficiency. The plasma discharge in the channel produces high plasma densities and the subsequent drop from plasma to vacuum potential occurs further downstream for higher densities. This increases the ratio of radial and axial electric field components because the plasma expands radially outside of the confinement from the dielectric discharge channel walls. The potential structure in the near-field plume impacts also the supply of electrons for the channel discharge because the electrons enter the channel from the plume. An effect which arises from this coupling is the breathing mode oscilla- tion. It is an oscillation which is observed in all plasma quantities and is located near the thruster exit. The oscillation frequency measured in the simulation is in good agreement with a predator-prey estimate which validates this ansatz. However, the electron tempera- ture, assumed constant in the predator-prey model, correlates inversely with the oscillation, i.e. it is minimal at the current maximum and vice versa, which contributes to the observed oscillations. Because of the oscillation of the plasma number density, the potential drop also oscillates in the exit region and thus the ratio of radial to axial electric field components, which results in the oscillation of the mean ion emission angle. Regarding suitable models for a combined simulation of channel and plume plasmas, the PIC model for channel and near-field plume is explicitly coupled to a hybrid fluid-PIC model for the plume. The latter treats the electrons as a fluid, hence increasing the effective spatial and temporal resolutions which can be applied in the plume simulations at the cost of reduced accuracy of the electron model. Plasma densities decrease by two orders of magnitude two meters downstream from the channel exit. The explicitly coupled kinetic and hybrid PIC models are well suited for the computation of a HEMP-T and its plume expansion, but they disregard the coupling of channel and plume plasmas for which other methods are necessary. For this purpose a new approach is presented with a proof-of- principle validation. The limited spatial resolution in the plume can be overcome with the mesh-coarsening method, which increases the resolution in regions of low plasma density without numerical artifacts. Sub-cycling for the electrons in the plume can then be used to increase the temporal resolution in the plume. The combination of both methods, called the sub-cycling mesh-coarsening (SMC) algorithm in the scope of this work, promises high savings in computational cost which can make a combined simulation of plume and channel plasmas feasible.
  • Die Bedeutung von Ionentriebwerken als Option für den Antrieb von Raumfahrzeugen und Satelliten im Weltraum nimmt weiter zu. Sie sind effizienter als herkömmliche chemische Triebwerke, die auf die Verbrennung ihres Treibstoffs angewiesen sind, indem sie das Treibgas im Entladungskanal ionisieren und die schweren Ionen mit sehr hohen Geschwindigkeiten emittieren. Der Ionenemissionsbereich eines Triebwerks wird als Ausströmungsregion (“Plume”) bezeichnet und erstreckt sich vom Ausgang mehrere Meter axial und radial stromabwärts. Dieser Bereich ist besonders wichtig für die Effizienz eines Triebwerks, da er die Energie- und Winkelverteilung der emittierten Ionen bestimmt. Sie bestimmt auch die Wechselwirkung mit dem Träger-Raumfahrzeug, indem sie die Form des elektrischen Potentials sowie die Flüsse und Energien der emittierten hochenergetischen Ionen definiert, die entscheidend für die Zerstäubung von Satellitenkomponenten wie z.B. Solarpaneele sind. Die Entwicklung neuer Ionentriebwerke ist wegen der hohen Anzahl der erforderlichen Prototypen und Testzyklen teuer. Die numerische Modellierung kann helfen, die Kosten bei der Entwicklung von Triebwerken zu senken, aber die sehr unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen des Systems, insbesondere die großen Unterschiede zwischen Entladungskanal und Plume, machen eine solche Simulation zu einer Herausforderung. Häufig werden beide Regionen als entkoppelt betrachtet und mit unterschiedlichen Modellen behandelt, um ihre Simulation technisch möglich zu machen. Die Kopplung zwischen Kanal- und Plumeplasmen und deren gegenseitige Beeinflussung wird vernachlässigt, da es in einem solchen Modell keine Wechselwirkung zwischen den beiden Regionen gibt. In dieser Arbeit werden daher die physikalischen Effekte, die sich aus dieser Kopplung ergeben, sowie Modelle untersucht, die sich für eine kombinierte Simulation des gesamten gekoppelten Kanal- und Plumeplasmas eignen. Zu diesem Zweck wird das High Efficiency Multistage Plasma - Thruster (HEMP-T) Ionentriebwerk betrachtet. Für das Plasma im Entladungskanal wird ein kinetisches Modell benötigt und daher die Particle-in-Cell (PIC)-Methode angewendet. Die PIC-Methode erfordert sehr hohe räumliche und zeitliche Auflösungen, was sie rechnerisch aufwendig macht. Daher können nur der Entladungskanal und die Nahfeldplume in der Nähe des Kanalausgangs simuliert werden. Im Kanal zeigen die Ergebnisse, dass die Elektronen magnetisiert sind und den Magnetfeldlinien folgen. Die Orientierung des Magnetfeldes ist dort meist parallel zur Symmetrieachse und den Kanalwänden, was zu einem hohen parallelen Elektronentransport führt und ein flaches elektrisches Potential und eine reduzierte Randschicht zur Folge hat. Nur an den für HEMP-Ts charakteristischen magnetischen Spitzen (“Cusps”) werden die Elektronen zur Wand gerichtet, wobei aufgrund der Quasineutralität die Ionen folgen, wodurch eine klassische Randschicht entsteht. Der Wandkontakt der Ionen ist somit auf die Cusp-Region beschränkt. Der geringe radiale Abfall des Potentials zur Wand hin führt zu eher geringen Energien der auf die Wand auftreffenden Ionen und minimiert die Erosion im HEMP-T. Im Nahfeldplume, der sich vom Triebwerksausgang einige Zentimeter stromabwärts erstreckt, wird die Ionenemissionscharakteristik definiert. Das Verhältnis der radialen und axialen elektrischen Feldkomponenten in diesem Bereich bestimmt den Ionenemissionswinkel, der für eine maximale Triebwerksleistung minimiert werden sollte. Die Plasmaentladung im Kanal erzeugt hohe Plasmadichten und der anschließende Abfall vom Plasma- auf das Vakuumpotential erfolgt weiter stromabwärts bei höherer Plasmadichte. Dies erhöht das Verhältnis der radialen und axialen elektrischen Feldkomponenten, da sich das Plasma ohne den Einschluss der dielektrischen Entladungskanalwände radial ausdehnt. Die Potentialstruktur im Nahfeldplume beeinflusst auch die Zufuhr von Elektronen für die Kanalentladung, da die Elektronen aus dem Plume in den Kanal eintreten. Ein Effekt, der sich aus dieser Kopplung ergibt, ist die Breathing-Mode-Oszillation. Dabei handelt es sich um eine Schwingung, die sich in der Nähe des Triebwerksausgangs befindet und die in allen Plasmagrößen beobachtet wird. Die in der Simulation gemessene Oszillationsfrequenz stimmt gut mit einer Räuber-Beute-Schätzung überein, die diesen Ansatz bestätigt. Die im Räuber-Beute-Modell als konstant angenommene Elektronentemperatur korreliert jedoch umgekehrt mit der Schwingung, d.h. sie ist beim Oszillationsmaximum minimal und umgekehrt, was zu den beobachteten Schwingungen beiträgt. Aufgrund der Oszillation der Plasmadichte oszilliert auch der Potentialabfall im Austrittsbereich und damit das Verhältnis von radialen zu axialen elektrischen Feldkomponenten, was zu einer Oszillation des mittleren Ionenemissionswinkels führt. Hinsichtlich geeigneter Modelle für eine kombinierte Simulation von Kanal- und Plumeplasmen ist das PIC-Modell für Kanal- und Nahfeldplume explizit an ein hybrides Fluid-PIC-Modell für den Plume gekoppelt. Letzteres behandelt die Elektronen wie eine Flüssigkeit und verringert damit die effektiven räumlichen und zeitlichen Auflösungen, die in den Plumesimulationen auf Kosten der reduzierten Genauigkeit des Elektronenmodells angewendet werden können. Die Plasmadichten nehmen zwei Meter hinter dem Kanalausgang um zwei Größenordnungen ab. Die explizit gekoppelten kinetischen und hybriden PIC-Modelle eignen sich gut für die Berechnung eines HEMP-T und seines Plumes, aber sie lassen die Kopplung von Kanal- und Plumeplasmen außer Acht, für die andere Methoden notwendig sind. Zu diesem Zweck wird ein neuer Ansatz mit einer Proof-of-Principle-Validierung vorgestellt. Die begrenzte räumliche Auflösung im Plume kann mit der Gittervergröberungsmethode überwunden werden, die die Auflösung in Bereichen mit niedriger Plasmadichte ohne numerische Artefakte erhöht. Sub-Zyklen für die Elektronen im Plume können dann verwendet werden, um die zeitliche Auflösung im Plume zu erhöhen. Die Kombination beider Methoden, die im Rahmen dieser Arbeit als SMC-Algorithmus (“Sub-Cycling Mesh-Coarsening”) bezeichnet wird, verspricht eine starke Reduktion des Rechenaufwands, welche eine kombinierte Simulation von Plume- und Kanalplasmen ermöglicht.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author: Daniel KahnfeldORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-35429
Title Additional (German):Kinetische und fluide Modellierung der Ausströmungsregion von Ionentriebwerken
Referee:Prof. Dr. Ralf Schneider, Dr. Francesco Taccogna
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of first Publication:2020/02/14
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2020/02/03
Release Date:2020/02/14
Tag:Ionentriebwerk, Modellierung, Plasma, Plasmaphysik
Electric Propulsion, Ion Thruster, Particle-in-Cell, Plasma Modeling, Plasmasimulation
GND Keyword:Ionentriebwerk, Modellierung, Plasma, Plasmaphysik
Pagenumber:173
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik