CARATTERIZZAZIONE FLUIDODINAMICA DI UN THRUSTER RELATIVO AD UN SISTEMA ABEP PER VEICOLI SPAZIALI

The use of electric propulsion systems for Very Low Earth Orbit (VLEO) missions represents a promising solution for long-term orbital maintenance, thanks to the possibility of compensating for residual atmospheric drag using Air-Breathing Electric Propulsion (ABEP) systems. In this context, this thesis focuses on the numerical simulation of the thruster of an ABEP system operating in the presence of a neutral atmospheric background, with the aim of characterizing its performance and physical behavior in conditions representative of real flight. The research activity involves modeling the geometry of the thruster and analyzing the flow of neutral and ionized particles using the Particle-In-Cell (PIC) method, implemented in the Pantera computational code. This approach allows for a self-consistent description of the interaction between charged particles and electromagnetic fields, making it particularly suitable for the study of rarefied plasmas typical of the VLEO environment. The work is divided into an initial theoretical framework phase, including the analysis of the operating principles of ABEP systems, the description of kinetic models for rarefied plasmas, and an in-depth study of the PIC method. Subsequently, the geometry of the thruster is defined and the freestream boundary conditions are established, including realistic parameters of density, temperature, and atmospheric composition derived from models representative of the orbital environment. Particular attention is paid to the definition of the neutral background, a key element for the correct representation of collisions and ionization phenomena. The central phase of the thesis consists of implementing numerical simulations and characterizing the quantities of interest, such as density distributions, electric potential, particle velocity, ion current, and preliminary estimation of the thrust generated. The case study will be analysed by appropriately defining operational parameters or environmental conditions, in order to assess the sensitivity of the thruster’s performance to the neutral background and inlet conditions. The results obtained will provide a qualitative and quantitative assessment of the behavior of the ABEP thruster in a rarefied environment, contributing to the understanding of the dominant physical phenomena and the validation of the numerical approach adopted. The project therefore aims to integrate theoretical knowledge of plasma physics and rarefied fluid dynamics with advanced computational simulation tools, contributing to the development and optimization of propulsion systems. The paper therefore aims to integrate theoretical knowledge of plasma physics and rarefied fluid dynamics with advanced computational simulation tools, contributing to the development and optimization of innovative propulsion systems for space missions in extremely low orbits.

L’impiego di sistemi di propulsione elettrica per missioni in Very Low Earth Orbit (VLEO) rappresenta una soluzione promettente per il mantenimento orbitale a lungo termine, grazie alla possibilità di compensare il drag atmosferico residuo mediante sistemi Air-Breathing Electric Propulsion (ABEP). In questo contesto, la presente tesi si concentra sulla simulazione numerica del thruster di un sistema ABEP operante in presenza di un background neutro atmosferico, con l’obiettivo di caratterizzarne le prestazioni e il comportamento fisico in condizioni rappresentative di volo reale. L’attività di ricerca prevede la modellazione della geometria del thruster e l’analisi del flusso di particelle neutre e ionizzate attraverso l’utilizzo del metodo Particle-In-Cell (PIC), implementato nel codice di calcolo computazionale Pantera. Tale approccio consente di descrivere in modo auto-consistente l’interazione tra particelle cariche e campi elettromagnetici, risultando particolarmente adatto allo studio di plasmi rarefatti tipici dell’ambiente VLEO. Il lavoro si articola in una prima fase di inquadramento teorico, comprendente l’analisi dei principi di funzionamento dei sistemi ABEP, la descrizione dei modelli cinetici per plasmi rarefatti e l’approfondimento del metodo PIC. Successivamente, viene definita la geometria del thruster e vengono stabilite le condizioni al contorno di freestream, includendo parametri realistici di densità, temperatura e composizione atmosferica derivati da modelli rappresentativi dell’ambiente orbitale. Particolare attenzione è dedicata alla definizione del background neutro, elemento chiave per la corretta rappresentazione delle collisioni e dei fenomeni di ionizzazione. La fase centrale della tesi consiste nell’implementazione delle simulazioni numeriche e nella caratterizzazione delle grandezze di interesse, quali distribuzioni di densità, potenziale elettrico, velocità delle particelle, corrente ionica e stima preliminare della spinta generata. Verrà analizzato il caso studio definendo opportunamente parametri operativi o condizioni ambientali, al fine di valutare la sensibilità delle prestazioni del thruster al background neutro e alle condizioni di ingresso. I risultati ottenuti permetteranno di fornire una valutazione qualitativa e quantitativa del comportamento del thruster ABEP in ambiente rarefatto, contribuendo alla comprensione dei fenomeni fisici dominanti e alla validazione dell’approccio numerico adottato. L’elaborato si propone pertanto di integrare competenze teoriche di fisica del plasma e fluidodinamica rarefatta con strumenti avanzati di simulazione computazionale, offrendo un contributo allo sviluppo e all’ottimizzazione di sistemi propulsivi innovativi per missioni spaziali in orbite estremamente basse.