Development of advanced optical diagnostic for the characterization of electric propulsion thrusters
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2017-12-11
Department
Major/Subject
Lentotekniikka
Mcode
K3004
Degree programme
Master’s Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
60 + 7
Series
Abstract
Electric thrusters have become one of the most used thruster types for making space maneuvers. For the development of electric thrusters, there is a need to test their performance on Earth. Several parameters of interest need to be determined in these tests. One of the interesting parameters is the electron temperature of the plasma plume that is exiting from the thruster. The electron temperature can be measured with optical diagnostics. To perform optical diagnostics, we need the spectrum of the plume that can be measured with a spectrometer, an optical system to require the spectra, and a so-called collisional radiative model that simulates some of the strongest emission processes that are occurring in the plasma plume. In this Master’s Thesis, a collisional radiative model for xenon is developed. The model calculates line intensities from emission rate coefficients that are calculated from the emission cross section data. The cross section data used in the thesis is collected from scientific papers that have been published in recent years. The data is based on theoretical calculations and on experimental measurements. By utilizing the cross section data, we can calculate rate coefficients for a given temperature. From the rate coefficients, line intensities are further calculated by taking into account the electron impact excitation with neutral, the ion impact excitation, and the electron impact excitation with the 1s5 metastable level. Simpler models also exist for the line intensity calculation. These models only consider some of the excitations mentioned above. A comparison of the developed model and simpler models is performed to investigate the characteristics of the developed model. The model is further analyzed to understand its behavior. The analysis indicates that results provided by the developed model match with the results that have been published in the past. The analysis also shows a trend that the developed model gives higher electron temperatures than the simpler models. The electron impact excitation with the 1s5 metastable level affects some processes considerably at higher electron temperature levels. At lower electron temperature levels, the ion impact excitation affects most. Three processes are not affected drastically by these excitations, i.e., these processes are affected only by the electron impact excitation with neutral.Satelliittien ohjailu ja asennonsäätö toteutetaan nykyisin yleisesti sähköisillä työntövoimalaitteilla, esimerkiksi ionimoottoreilla. Voimalaitteiden kehitystyö edellyttää niiden testausta Maassa. Yksi sähköisille työntövoimalaitteille määritettävistä ominaisuuksista on työntövoiman tuottavan plasman elektronien lämpötila voimalaitteen jättövirtauksessa. Tätä parametria on hankala mitata. Spektroskopian avulla jättövirtauksesta voidaan kuitenkin mitata valon spektri ja spektristä voidaan tarkoitukseen kehitetyn mallin avulla laskea elektronien lämpötila. Kyseinen malli simuloi reaktioita, joita plasmassa tapahtuu. Reaktioita voidaan edelleen verrata mitattuihin reaktioihin. Tässä diplomityössä kuvataan edellä mainittuja malleja ja kehitetään yksi malleista simuloimaan reaktioita, joita tapahtuu xenon-plasmassa. Malli laskee spektriviivojen intensiteetit emission vaikutusaloista ottaen huomioon monia plasmassa tapahtuvia reaktioita. Työssä käytetty vaikutusalatieto on kerätty hiljattain julkaistuista tieteellisistä artikkeleista. Tieto pohjautuu osittain kokeellisiin mittauksiin ja osittain teoreettisiin laskelmiin. Vaikutusalatiedoista voidaan laskea kertoimia, joiden avulla päästään muutaman välivaiheen kautta kiinni elektronien lämpötilaan. Kehityksen kohteena oleva malli on melko monimutkainen. Vastaavaan tarkoitukseen kehitetyissä yksinkertaisemmissa malleissa vain kaikkein voimakkaimmat reaktiot otetaan huomioon. Työssä kehitettyä mallia verrataan yksinkertaisempiin vaihtoehtoihin, jotta mallin ominaisuudet ymmärrettäisiin. Tehdyn analyysin mukaan työssä kehitetyllä mallilla saatavat tulokset vastaavat aikaisemmissa tutkimuksissa esitettyjä tuloksia. Analyysi osoittaa, että mallin avulla määritetyt elektronien lämpötilat ovat korkeampia kuin yksinkertaisempien mallien avulla lasketut lämpötilat. Mallin yksityiskohtaiset ominaisuudet mahdollistavat myös tarkemman simuloinnin. Spektriviivojen intensiteetit voidaan määrittää tarkemmin, koska oleellisia reaktioita otetaan paremmin huomioon. Yksinkertaisemmilla malleilla joidenkin viivojen intensiteetit saadaan määritettyä tyydyttävästi.Description
Supervisor
Tuhkuri, JukkaThesis advisor
Chazot, OlivierLe Quang, Damien
Keywords
electric thruster, spectroscopy, collisional radiative model, ionimoottorit