EP2 :: Equipo de Propulsión Espacial y Plasmas
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Equipo de Propulsion Espacial y Plasmas (EP2)


Líneas de Investigación

La investigación del grupo está enfocada al estudio teórico y simulación del sistema plasma/motor de diferentes tipos de propulsores de plasma para astronaves. Para cada tipo de motor se trata en primer lugar de comprender en detalle los fenómenos físicos que gobiernan la generación y aceleración del plasma, y la interacción del plasma con distintos elementos del motor (paredes, campos magnéticos, ondas de radio-frecuencia, etc.). Ello permite abordar el desarrollo de los modelos matemáticos y códigos de simulación que han de explicar el comportamiento acoplado de los distintos fenómenos físicos y la influencia de los distintos parámetros de control y de diseño en las actuaciones del motor.

La financiación de la investigación proviene principalmente del Gobierno de España (Planes Nacionales de I+D), del EOARD (agencia europea de distintos organismos de la US Air Force), de la ESA y de la Comisión Europea (7º Programa Marco).

Motores de Efecto Hall

La parte principal de la investigación de la última década ha estado enfocada en los motores de efecto Hall, una tecnología que ya ha entrado en fase de implantación en satélites tanto científicos como comerciales. Entre los resultados más relevantes que se han alcanzado destacan los desarrollos de:

  1. El primer código fluido (parcialmente bidimensional) completo del plasma en la cámara y la estela cercana.
  2. Modelos detallados de la interacción (emisión secundaria electrónica y erosión) entre el plasma y las paredes de la cámara.
  3. Segunda y posteriores versiones del código híbrido HPHall, creado originalmente en el Space Propulsión Laboratory (SPL) del MIT. Es un código axilsimétrico que trata a iones y neutros con métodos PIC (Particle-In-Cell) y usa un modelo fluido anisótropo para los electrones. Este código es la principal referencia en la simulación del plasma en estos motores.
  4. Modelos de motores de doble etapa, con electrodos intermedios.

Entre las colaboraciones externas relacionadas con motores Hall destacan los desarrollos conjuntos con el MIT, la comparación simulación/experimentos con el Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), los estudios de erosión de cámaras con Inasmet, el diseño de motores de doble etapa con Alta/Centrospazio de Pisa, y los estudios de oscilaciones con el Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion de Varsovia.

Motores Helicón y Toberas Magnéticas

En 2008 se inició una línea de de investigación en motores helicón como parte del proyecto europeo HPH.com para el diseño y desarrollo de un mini-motor helicón. Los estudios en marcha están dirigidos a comprender:

  1. La dinámica interna del plasma en la cámara, consistente en: la absorción de la energía de la onda helicón, ionización y calentamiento del plasma, flujos de plasma, y pérdidas en paredes.
  2. La aceleración del plasma en la tobera magnética exterior y su posterior separación. Las toberas magnéticas, consistes en un campo magnético convergente-divergente capaz de guiar, expandir y acelerar un plasma, se proponen como un dispositivo de aceleración eficiente para varios sistemas de propulsión eléctrica espacial avanzada en desarrollo. Por sus características, permiten el control continuo de empuje e impulso específico, así como evitar el contacto material con el plasma caliente. Estos estudios son además de interés para otros motores de plasma como el VASIMR y el Applied Field MagnetoPlasmaDynamic Thruster, y también encuentran aplicación en otros campos, como en el procesado de materiales con haces de partículas.
  3. La formación de discontinuidades (capas dobles no neutras) en el plasma en ciertas condiciones y su incidencia en los parámetros propulsivos.

En concreto, la investigación sobre toberas magnéticas ha conducido a la producción de un código de simulación bidimensional del flujo de plasma asociado, que ha sido bautizado como DiMagNo 2D. Este código, basado en el método de las características para la integración del chorro supersónico en la parte divergente de la tobera, posee una alta velocidad y precisión, y constituye el primer código de su clase dedicado a la simulación de toberas magnéticas.

Campo magnético guía empleado por DiMagNo 2D para simular el flujo en una tobera magnética

Campo magnético guía empleado por DiMagNo 2D para simular el flujo en una tobera magnética.

Actualmente, una de las líneas de investigación más activas del grupo está dedicada al estudio de la separación aguas abajo del plasma respecto al campo magnético guía que conforma la tobera, una vez que el fluido ya ha sido acelerado.

Otras Líneas de investigación

En 2009 y en colaboración con el SPL-MIT se ha iniciado el desarrollo de un código híbrido para el análisis del plasma en el Divergent Cusped Field Thruster (DCFT).

En el pasado, se llevaron acabo investigaciónes sobre amarras espaciales (tethers) para generación eléctrica, propulsión, o desorbitado de satélites. Asimismo, también se investigó la interacción de contactores de plasma con la ionosfera, con aplicaciones en los extremos de las amarras y para el control de la carga eléctrica del vehículo espacial. Recientemente y en cooperación con el Grupo de Dinámica Espacial de la UPM LINK se ha iniciado una línea de investigación sobre el desorbitado activo de basura espacial de LEO y GEO empleando propulsión eléctrica inversa, y eventualmente, también amarras electrodinámicas.

Finalmente, como trabajos derivados de las investigaciones anteriores y con aplicación a otros campos (fusión, tratamiento de superficies, interacción ionosfera/astronave,…), se han realizado diversos estudios de inestabilidades en plasmas e interacción de superficies con plasmas magnetizados.