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PORTALE DELLA DIDATTICA

Propulsione spaziale

01NZCMT

A.A. 2021/22

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Collaboratori
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/07 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2020/21
L’obiettivo del corso è quello di presentare la complessità, le criticità e le potenzialità delle missioni spaziali e di fornire gli strumenti per la loro progettazione. Il modulo Propulsione spaziale si propone di fornire agli studenti le nozioni di base riguardanti le principali manovre spaziali e descrivere i sistemi propulsivi per la loro realizzazione, con particolare riferimento alla propulsione elettrica. Vengono presentati i principali metodi per la generazione di spinta nello spazio mediante l’accelerazione elettrotermica, elettrostatica o elettromagnetica di un propellente e descritti i più importanti propulsori elettrici attualmente realizzati o in via di sviluppo. Indicativamente ciascun modulo è articolato in quarantacinque ore di lezione e quindici di esercitazione.
The scope of the course is to present the complexity, critical aspects and opportunities of space missions and provide tools for their design. The Space propulsion module aims at providing to the students the basic notions which concern space manoeuvres and at describing the propulsive systems apt at the realization of such manoeuvres, which particular emphasis on electric propulsion. The main methods to obtain thrust in space are presented, considering electrothermal, electrostatic and electromagnetic acceleration of a propellant, and a description of the most common electric propulsion system (both existing and under development) is given. Each module consist of approximately 45 hours of formal lectures and 15 hours of computing classes.
Si richiede la conoscenza delle principali manovre spaziali e la valutazione dei loro requisiti propulsivi, e la conoscenza approfondita dei principali propulsori elettrici e delle loro prestazioni.
Knowledge of the main space maneuvers and evaluation of their propulsive requirements and extended knowledge of the most important electric propulsion system and their performance are required.
L’allievo che accede a questo insegnamento deve conoscere le nozioni base della fisica, dalla meccanica alla termodinamica all’elettromagnetismo. Sono inoltre richieste conoscenze di base dei sistemi spaziali, dell’astrodinamica, della propulsione e dei concetti fondamentali dell’elettronica analogica e digitale.
It is necessary that the students who will take this course have good skills in the fields of mathematics and physics. A good general knowledge of the existing types of space systems, astrodynamics, propulsion and electronics is required.
Principi della propulsione nello spazio Spinta e impulso specifico. Equazione di Tsiolkowski. Perdite di velocità. Confronto propulsione chimica ed elettrica. Impulso specifico ottimale. Prestazioni del razzo monostadio e multistadio. Manovre di evasione e cattura, trasferte interplanetarie, flyby. Richiami di elettromagnetismo, ionizzazione e definizione di plasma. Collisioni tra particelle: classificazione e sezioni d’urto. Conducibilita’ scalare e parametro di Hall; moto di particelle in campi elettromagnetici variabili. Propulsione elettrotermica: perdite, propellenti. Resistogetti: particolarita’ costruttive e prestazioni. Arcogetti: particolarita’ costruttive e prestazioni. Propulsione elettrostatica: rendimento ideale e ionizzazione. Accelerazione elettrostatica: legge di Child ed effetti bidimensionali, accelerazione/decelerazione. Neutralizzazione. Caratteristiche e prestazioni di propulsori elettrostatici. FEEP e colloidal thrusters. Propulsori a effetto Hall: geometria, funzionamento e prestazioni Propulsione elettromagnetica: equazioni magnetogasdinamica; propulsori MPD self field: pumping e blowing. Prestazioni di propulsori MPD self-field e applied field.Vasimr. Propulsione elettromagnetica instazionaria; particolarita’ costruttive e prestazioni di PPT Generatori di potenza. Propulsione nucleare, propulsori avanzati, vele solari.
Principles of space propulsion. Thrust and specific impulse. Tsiolkowski's equation. Velocity losses. Comparison of chemical and electric propulsion. Optimal specific impulse. Single-stage and multi-stage rocket performance. Escape and capture maneuvers, interplanetary transfers, flyby. Electromagnetism, ionization and definition of plasma. Collisions between particles: types of collision, cross sections. Scalar electric conductivity and Hall parameter; particle motion in varying electromagnetic fields. Electrothermal propulsion; typical losses and propellant. Resistojets: characteristics and performance. Arcjets: characteristics and performance. Electrostatic propulsion: ionization and ideal efficiency. Electrostatic acceleration: Child's law and two-dimensional effects, acceleration-deceleration concept. Neutralization. Characteristics and performance of electrostatic thrusters. FEEP and colloidal thrusters. Hall's effect thrusters: geometry, operations, and performance. Electromagnetic propulsion: magnetoplasmadynamics equations; self-field MPD thrusters: pumping e blowing. Performance of self-field and applied-field MPD thrusters. Vasimr. Unsteady electromagnetic propulsion; PPT characteristics and performance. Power generators. Nuclear propulsion, advanced propulsion concepts, solar sails.
Accanto alle lezioni teoriche, durante il corso si terranno esercitazioni sulla determinazione dell'impulso specifico ottimale per una data missione e sull'analisi delle prestazioni di propulsori elettrici.
In addition to theoretical lessons, numerical exercises will be performed, for the determination of the optimal specific impulse for a given space mission and the performance analysis of electric thrusters.
R. G. Jahn, Physics of Electric Propulsion, Prima Edizione, McGraw-Hill, New York, NY, 1968. L. Casalino Dispense disponibili sul portale della didattica.
R. G. Jahn, Physics of Electric Propulsion, first edition, McGraw-Hill, New York, NY, 1968. L. Casalino Handouts available on the course site.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;
L’esame è orale. Consiste in due o tre domande, relative al programma del corso, poste ad ogni candidato e sviluppate attraverso la discussione o lo svolgimento di brevi calcoli al fine di accertare l'acquisizione delle conoscenze richieste.
Exam: Compulsory oral exam;
Oral examination. The exam consists in two or three questions about the course program, with discussion and execution of simple calculations to assess the acquisition of the required knowledge.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;
L’esame è orale. Consiste in due o tre domande, relative al programma del corso, poste ad ogni candidato e sviluppate attraverso la discussione o lo svolgimento di brevi calcoli al fine di accertare l'acquisizione delle conoscenze richieste.
Exam: Compulsory oral exam;
Oral examination. The exam consists in two or three questions about the course program, with discussion and execution of simple calculations to assess the acquisition of the required knowledge.


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