Une nouvelle recherche calcule la première étape vers la prédiction de la durée de vie des systèmes de propulsion spatiale électrique

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 performance mesurées du propulseur.

Des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont utilisé des données d’expériences en chambre basse pression et des 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 car il est difficile de construire une chambre suffisamment grande pour éviter les interactions ion-surface 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 type de graphite le plus résistant à l’érosion, connue sous le nom de pulvérisation.

“Les problème fondamental avec le test d’un propulseur ionique dans une chambre, c’est que le propulseur crache en permanence des ions xénon qui ont également un impact 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 crachotent également atomes de carbone qui se redéposent sur les grilles de l’accélérateur. Ainsi, au lieu que la grille devienne de plus en plus mince à cause de propulseur l’érosion, 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.”

Les simulation a résolu les limites et les incertitudes de la données expérimentales et les chercheurs ont eu un aperçu d’un phénomène critique.

“Qu’il s’agisse de graphite pyrolytique sur l’optique ionique grillagée, de graphite isotrope sur les couvertures polaires, ou de graphite poco ou anisotrope graphite sur le chambre murs, nos simulations de dynamique moléculaire montrent que les taux et les mécanismes de pulvérisation sont identiques dans toutes ces différentes structures référencées », a déclaré Huck Beng Chew, conseiller de Tran.

Il a déclaré que le processus de pulvérisation crée une structure de carbone unique pendant le processus de bombardement.

“Lorsque les ions viennent endommager la surface, ils transforment la surface en une structure de type amorphe quel que soit le niveau initial carbone structure”, a déclaré Chew. “Vous vous retrouvez avec une surface 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 plus faible et de la configuration de liaison plus rigide, ils ont obtenu la même structure 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 au fil du temps à mesure que vous mettez de plus en plus d’ions xénon dans le système. Ceci est pertinent pour les propulseurs ioniques pour l’exploration de l’espace lointain.”

L’article est publié dans la revue Carbone.