Numerical simulations of ion thruster-induced plasma dynamics

Othmer, Carsten

Elektrische Raumfahrt-Antriebe sind aufgrund ihrer weitaus besseren Treibstoff- Ausnutzung konventionellen chemischen Triebwerken überlegen. Allerdings induzieren sie eine Plasma-Umgebung, deren Einfluss auf das Raumfahrzeug und auf wissenschaftliche Instrumente an Bord noch zu klären ist. Die vorliegende Arbeit behandelt zwei Aspekte dieser Plasma-Umgebung: das Neutralisations-Regime eines Ionentriebwerks, d.h. den Mischvorgang zwischen den vom Triebwerk ausgestoßenen Elektronen und Ionen, sowie die Wechselwirkung des neutralisierten Triebwerksstrahls mit dem Sonnenwind. Zielsetzung der Arbeit ist (i) die Entwicklung einer numerischen Simulation sowohl für den Neutralisationsvorgang als auch für die Sonnenwind-Wechselwirkung des neutralisierten Triebwerksstrahls, und (ii) die Anwendung dieser Simulation für eine eingehende Untersuchung der den Neutralisationsvorgang begleitenden plasmaphysikalischen Prozesse. Die in dieser Arbeit entwickelte numerische Simulation ist ein paralleler, dreidimensionaler, elektromagnetischer Particle-in-Cell Code: ISOLDE - der Ion engine SOLver. Bei der Anwendung von ISOLDE auf den Neutralisationsvorgang eines Ionentriebwerks wird zunächst eine quasi-eindimensionale Injektionsgeometrie untersucht, bevor die Simulationsbedingungen sukzessive verfeinert werden: durch Anlegen eines externen Magnetfeldes, Einführung einer räumlichen Trennung zwischen Elektronen- und Ionenquelle sowie Verwendung eines praktisch punktförmigen Elektronen-Emitters, um schließlich bei einem Simulations-Szenario anzukommen, das dem realen Ionentriebwerk an Bord der Deep Space 1 Raumsonde entspricht.

Electric space propulsion is superior to conventional chemical systems because of its greatly enhanced fuel efficiency. However, electric thrusters induce a plasma environment that has raised various concerns in terms of its potential impact on the spacecraft and on scientific instruments aboard. Our work addresses two aspects of this plasma environment: the neutralization regime of an ion thruster, i.e. the mixing between electrons and ions ejected by the thruster, and the interaction of the neutralized thruster beam with the solar wind. The objectives of our work are the following: (i) the development of a numerical simulation tool for investigating the process of ion thruster beam neutralization as well as the solar wind interaction of the neutralized beam, and (ii) the application of this tool for a detailed study of the plasma physics pertinent to the neutralization process. The first objective is met by setting up the parallel three-dimensional electromagnetic particle-in-cell simulation code ISOLDE - the Ion engine SOLver. We then employ our simulation code to carry out a systematic investigation of the plasma physical processes accompanying ion thruster beam neutralization. Starting off with a quasi-1D injection geometry, we continuously refine the simulation conditions by applying an external magnetic field, introducing a spatial separation between electron and ion source and considering a practically point-like electron emitter to finally arrive at a simulation scenario comparable to the actual ion thruster aboard NASA's Deep Space 1 spacecraft.

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Othmer, Carsten: Numerical simulations of ion thruster-induced plasma dynamics. 2001.

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