Forschung & Entwicklung

Electric Propulsion Plasma Simulations

Elektrische Antriebs-Schubdüsen erlangen steigende Wichtigkeit für kommerzielle Anwendugen und auch für wissenschaftliche und interplanetarische Raumschiffe, aufgrund ihrer hoch präzisen Impulse, Schubkraft Steuerbarkeit und geprüfter Funktionssicherheit. Allerdings, seit solche Arten von Thrustern geladene Treibmittel emittieren, ist Kontamination aufgrund von Kollisionsprozessen innerhalb des Strahls und Einflusses auf die Raumsondenladung ein ernstes Problem. Besonders Niedrigenergie ladungsaustauschende Ionen, welche von Strömen der Oberfläche der Weltraumsonde angezogen werden können, müssen gut geprüft werden. Einige dreidimensionale "Particle-In-Cell" numerische Modelle wurden entwickelt um Hall (SPT-100, PPS 1350), Ion (RIT-10 and T5) und Field Emission (Indium und Cesium FEEP) Thrusters, welche beides, hoch und niedrige elektrische Schubkraft-Antriebssysteme abdecken, zu prüfen.

Fig. 1 SPT-100 Hall Thruster Ion Density and Charge-Exchange Backflow Density; In-FEEP Cluster Ion Density for LISA Pathfinder

SMART-1 war Europa's erste Mondmission und es demonstrierte sonnenelektrischen Antrieb mit der Nutzung eines PPS 1350 Hall Thrusters. AIT war Co-Forscher bei dieser Mission, verantwortlich für die Schubdüse - Weltraumsonde Interaktion. Wir entwickelten ein hypemodernes zugehöriges Tool, genannt SmartPIC welches die Weltraumsonde modellieren kann, einschließlich Nachführungssysteme und die Interaktion mit der Schubdüsen Feder. Zusätzlich können virtuelle Instrumente hinzugefügt werden, um Langmuir Proben und Retarding-Potential-Analysers (RPA) zu simulieren. Die Details des Nachführungssystems, einschließlich Spannungsverteilung und Ausgleichleitungen, können kundenspezifisch festgelegt werden, um ein sehr realistisches Verhalten der Schwebespannung des Satelliten, mit Respekt zur Schubdüsen Arbeit, zu erreichen.

SmartPIC wurde mit beidem, Labor- und SMART-1 Daten, verifiziert und hat auch gute Übereinstimmung mit zyklischen Variationen des SMART-1 Schwebepotentials gezeigt, induziert von der Schubdüsen Arbeit.

Fig. 2 SMART-1 (left) and the SmartPIC Simulation (right)
Fig. 3 Detailed on the SmartPIC Solar Array Model

Recent Publications:

• Hilgers, A., Thiébault, B., Estublier, D., Gengembre, E., Gonzalez del Amo, J., Capacci, M., Roussel, J.-F., Tajmar, M., Forest, J., "A Simple Model of the Effect of Solar Array Orientation on SMART-1 Floating Potential", IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 34, No. 5, 2006, pp. 2159-2165
  
  
• Sedmik, R., Scharlemann, C., Tajmar, M., Gonzalez del Amo, J., Hilgers, A., Estublier, D., Noci, G., Capacci, M. and Koppel, C., "Numerical Simulation of the Interactions between Solar Arrays and the Surrounding Plasma Environment", International Electric Propulsion Conference, IEPC-214, 2005
  
  
• Gonzalez del Amo, J., Estublier, D., Koppel, C., Capacci, M., Tajmar, M., Passaro, A., "Spacecraft/Thrusters Interaction Analysis for SMART-1", International Electric Propulsion Conference, IEPC-003, 2005
  
  
• Tajmar, M., Scharlemann, C., Gonzalez, J., Estuiblier, D., Foing, B., Noci, G., and Capacci, M., "Influence of Solar Array on Floating Potential of SMART-1: Numerical Simulations", AIAA Joint Propulsion Conference, AIAA-2005-3859, 2005
  
  
• Tajmar, M., Meissl, W., Gonzalez, J., Foing, B., Laakso, H., Noci, G., Capacci, M., Mälkki, A., Schmidt, W., and Darnon, F., "Charge-Exchange Plasma Contamination on SMART-1: First Measurements and Model Verification", AIAA Joint Propulsion Conference, AIAA 2004-3437, 2004
  
  
• Tajmar, M., "Electric Propulsion Plasma Simulations and Influence on Spacecraft Charging", AIAA Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 39, No. 6, 2002, pp. 886-893
  
  
• Tajmar, M., Gonzalez, J., Saccoccia, G., Noci, G., and Laasko, H., "Plasma Diagnostics and Simulation for the SMART-1 Mission", Planetary and Space Science, Vol. 50, No. 14-15, pp. 1355-1360, 2002
  
  
• Tajmar, M., Gonzalez, J., and Hilgers, A., "Modelling of Spacecraft-Environment Interactions on SMART-1", AIAA Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 38, No. 3, 2001, pp. 393-399
  
  
• Tajmar, M., and Wang, J., "3D Numerical Simulation of Field-Emission-Electric-Propulsion Backflow Contamination", AIAA Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 38, No. 1, 2001, pp. 69-78
  
  
• Tajmar, M., and Wang, J., "3D Numerical Simulation of Field-Emission-Electric-Propulsion Neutralization", AIAA Journal of Propulsion and Power, Vol. 16, No. 3, 2000, pp. 536­544
  
  
• Tajmar, M., Rüdenauer, F., and Fehringer, M., "Backflow Contamination of Indium Liquid-Metal Ion Emitters (LMIE): Numerical Simulations", International Electric Propulsion Conference, IEPC-99-070, 1999
  
  
• Tajmar, M., Mitterauer, J., and Wang, J., "Field-Emission-Electric-Propulsion (FEEP) Plasma Modeling: 3D Full Particle Simulations", AIAA Joint Propulsion Conference, AIAA 99-2297, 1999
  
  
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