Mención Internacional en el título de doctorThe analysis of the interaction between a plasma plume and a satellite is gradually
becoming a very demanded task in the space industry, given the increasing use of
electric propulsion. In fact, the plasma plumes generated by the electric thrusters
can damage sensitive spacecraft components, such as the solar arrays or onboard
optical sensors. Moreover, plasma plumes can be used to one's benefit in the context
of the ion beam shepherd technique for space debris removal, in which a shepherd
spacecraft relocates a debris object to a different orbit, by directing towards it a
plasma plume, at an operational distance of several meters.
This thesis focuses on the numerical study of the expansion of a plasma thruster
plume into vacuum and its interaction with the satellite and any downstream object.
Two simulation codes have been developed.
The first code, named EASYPLUME, is based on an axisymmetric two-fluid
plasma plume model and allows to quickly estimate the plasma plume properties
farther downstream. With this code the physics of the plume expansion has been
investigated, understanding its dependence on the most important plume parameters,
such as the divergence angle, the ion Mach number, and the electron cooling
rate. Moreover, the code has been used in the context of the ion beam shepherd
technique to estimate the force transmission to a space debris object, and optimize
the overall electric propulsion subsystem of the shepherd spacecraft.
The second code, named EP2PLUS, is a three-dimensional hybrid particle-incell/fluid code that simulates the complex interaction between a plasma plume, the
spacecraft and other objects. The most relevant modeling novelties regard the electron
model, which enables the computation of the electric currents in the plume,
and the treatment of quasineutral and non-neutral plasma regions. This code has
been applied to study both the satellite-plume interaction and a reference ion beam
shepherd scenario. In the latter, several operational problems have been evaluated:
the ion backscattering towards the shepherd satellite, the sputtering of the debris
object (due to the impingement of hypersonic ions), the backsputtering contamination
of the spacecraft, and the electric charging of both the satellite and the target
debris.
Finally, the report of an experimental campaign, carried out during my PhD visit
at the “Laboratoire de Physique des Plasmas" (Paris) and aiming at characterizing
the plasma plume of the PEGASES plasma thruster, completes this work.El estudio de la interacción entre el satélite y un chorro de plasma producido
por un propulsor eléctrico se está convirtiendo en un análisis muy demandado en
la industria espacial, debido al uso cada vez más extenso de la propulsión eléctrica.
Dicho chorro puede dañar seriamente componentes sensibles del satélite, como los
paneles solares o los sensores ópticos. Por otra parte, puede utilizarse activamente
en el contexto de la técnica de eliminación de desechos espaciales conocida como
“ion beam shepherd". Esta técnica se basa en trasladar dichos objetos a una órbita
diferente, por medio de la presión producida por el impacto de los iones de un chorro
de plasma dirigido hacia ellos, desde una distancia de varios metros.
Esta tesis se centra en el estudio numérico de la expansión de un chorro de plasma
generado por un propulsor eléctrico en el vacío, y de su interacción con otros objetos.
Con este propósito, se han desarrollado dos códigos de simulación.
El primero, llamado EASYPLUME, se basa sobre un modelo axial simétrico
con dos fluidos (iones y electrones) y permite estimar rápidamente las propiedades
del chorro de plasma a grandes distancias aguas abajo. Con este código, se ha
estudiado la física de la expansión del plasma en detalle, comprendiendo la influencia
de parámetros como el ángulo de divergencia, el número de Mach y la tasa de
enfriamiento electrónico. Además, el código ha sido utilizado en el contexto del “ion
beam shepherd" para estimar la fuerza transmitida al objeto y optimizar el sistema
de propulsión eléctrica del satélite.
El segundo, llamado EP2PLUS, es un código tridimensional híbrido PIC-fluido
que simula la interacción compleja entre un chorro de plasma, el satélite y otros
objetos. Entre las novedades más relevantes destacan el nuevo modelo electrónico,
que permite estudiar las corrientes eléctricas en el plasma, y el tratamiento de regiones
quasi-neutras y no neutras. Este código se ha empleado en el estudio de la
interacción chorro-satélite y en el análisis de la interacción chorro-satélite-objeto en
el contexto del “ion beam shepherd" para una misión de referencia. En este último
estudio, diferentes problemas operacionales han sido evaluados numéricamente: el
retorno de los iones lentos hacia el satélite, la emisión de partículas erosionadas desde
la superficie del desecho espacial (debido al impacto de los iones hipersónicos), la
contaminación por difusión de dichas partículas hacia el satélite, y la acumulación
de carga eléctrica de _este y del objeto espacial.
Finalmente, el informe de una campaña de caracterización experimental del chorro
del motor de plasma PEGASES completa este trabajo. Dicha campaña se realizó
durante mi estancia de visita al “Laboratoire de Physique des Plasmas" en París.Programa Oficial de Doctorado en Plasmas y Fusión NuclearPresidente: Victoria Lapuerta González.- Secretario: Luis Raúl Sánchez Fernández.- Vocal: Francesco Taccogn
