Les systèmes de propulsion spatiale électrique utilisent des atomes sous tension pour générer une poussée. Les faisceaux d’ions à grande vitesse heurtent les surfaces en graphite du propulseur, les érodant un peu plus à chaque coup, et sont le principal facteur limitant la durée de vie des systèmes. Lorsque les propulseurs ioniques sont testés au sol dans une chambre fermée, les particules de carbone ricochant des parois de la chambre en graphite peuvent également se redéposer sur les surfaces du propulseur. Cela modifie les caractéristiques de efficiency mesurées du propulseur.
Des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont utilisé des données provenant d’expériences en chambre basse pression et de calculs à grande échelle pour développer un modèle afin de mieux comprendre les effets de l’érosion ionique sur les surfaces de carbone – la première étape pour prédire son échec.
“Nous avons besoin d’une évaluation précise du taux d’érosion ionique sur le graphite pour prédire la durée de vie du propulseur, mais les installations d’essai ont signalé des taux de pulvérisation variables, entraînant de grandes incertitudes dans les prévisions”, a déclaré Huy Tran, titulaire d’un doctorat. étudiant au département de génie aérospatial de l’UIUC.
Tran a déclaré qu’il est difficile de reproduire l’environnement de l’espace dans une chambre de laboratoire automobile il est difficile de construire une chambre suffisamment grande pour éviter les interactions ion-floor au niveau des parois de la chambre. Et bien que le graphite soit généralement utilisé pour la grille de l’accélérateur et les couvertures de pôles dans le propulseur, il n’y a pas d’accord sur le sort de graphite le additionally résistant à l’érosion, connue sous le nom de pulvérisation.
“Le problème fondamental avec le take a look at d’un propulseur ionique dans une chambre est que le propulseur crache en permanence des ions xénon qui ont également un affect sur les parois de la chambre constituées de panneaux de graphite, mais il n’y a pas de parois de chambre dans l’espace”, a déclaré Tran. “Lorsque ces ions xénon frappent les panneaux de graphite, ils crachent également des atomes de carbone qui se redéposent sur les grilles de l’accélérateur. Ainsi, au lieu que la grille devienne de moreover en in addition wonderful à cause de l’érosion du propulseur, certaines personnes ont vu dans des expériences que les grilles s’épaississent avec le temps. parce que le carbone revient des parois de la chambre.”
La simulation a résolu les limites et les incertitudes des données expérimentales et les chercheurs ont pu mieux comprendre un phénomène critique.
“Qu’il s’agisse de graphite pyrolytique sur l’optique ionique grillagée, de graphite isotrope sur les couvertures polaires, ou de poco graphite ou de graphite anisotrope sur les parois de la chambre, nos simulations de dynamique moléculaire montrent que les vitesses et les mécanismes de pulvérisation sont identiques à travers toutes ces différentes structures référencées, », a déclaré Huck Beng Chew, le conseiller de Tran.
Il a déclaré que le processus de pulvérisation crée une structure de carbone one of a kind pendant le processus de bombardement.
“Lorsque les ions viennent endommager la surface area, ils transforment la floor en une composition de sort amorphe, quelle que soit la construction initiale du carbone”, a déclaré Chew. “Vous vous retrouvez avec une surface area pulvérisée avec les mêmes caractéristiques structurelles uniques. C’est l’une des principales conclusions que nous avons observées à partir de nos simulations.”
Chew a dit qu’ils l’avaient même essayé avec du diamant. Indépendamment de la porosité initiale beaucoup additionally faible et de la configuration de liaison moreover rigide, ils ont obtenu la même composition pulvérisée.
“Le modèle que nous avons développé relie les résultats de la simulation de dynamique moléculaire aux données expérimentales”, a déclaré Chew. “La prochaine chose que nous voulons examiner est l’évolution de la morphologie de la surface area au fil du temps à mesure que vous mettez de additionally en moreover d’ions xénon dans le système. Ceci est pertinent pour les propulseurs ioniques pour l’exploration de l’espace lointain.”
La recherche fait partie d’un centre de la NASA connu sous le nom de Joint Sophisticated Propulsion Institute qui comprend des chercheurs de neuf universités, dont les facultés d’ingénierie aérospatiale de l’UIUC Chew, Debbie Levin et Joshua Rovey qui dirige l’équipe de l’Illinois.
Les simulations ont été réalisées à l’aide du Delta du NCSA, une set up de supercalcul de l’Illinois.
L’article, « Effets de la morphologie de surface et de la framework du carbone sur la pulvérisation : Échelles de pont entre les simulations et les expériences de dynamique moléculaire », est écrit par Huy Tran et Huck Beng Chew. Il est publié dans la revue Carbon.