ECTS - University of Pisa
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ELECTRIC PROPULSION I
FABRIZIO PAGANUCCI
Academic year2020/21
CourseAEROSPACE ENGINEERING
Code504II
Credits6
PeriodSemester 1
LanguageEnglish

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
ELECTRIC PROPULSION IING-IND/07LEZIONI60
TOMMASO ANDREUSSI unimap
FABRIZIO PAGANUCCI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Il corso ha lo scopo di fornire agli allievi le basi della dinamica dei gas rarefatti e della fisica dei plasmi necessarie per lo studio teorico e sperimentale dei propulsori elettrici, oggetto del modulo seguente di Electric Propulsion II.
Knowledge

The course is aimed at providing the students with the basics of rarefied gas dynamics and plasma physics needed for the theoretical and experimental study of electric propulsion, subject to the following Electric Propulsion II module.
Modalità di verifica delle conoscenze

Le conoscenze acquisite vengono verificate attraverso un colloquio individuale.
Assessment criteria of knowledge

Acquired knowledge is verified through an individual interview.
Capacità

Alla fine del corso, lo studente dovrà essere in grado di:

  • classificare e descrivere i propulsori elettrici di impiego spaziale;
  • eseguire il dimensionamento preliminare di un impianto di prova e di diagnostiche di base;
  • eseguire calcoli di prima approssimazione su plasmi di propulsori elettrici;
  • impostare modelli teorici per lo studio di propulsori elettrici.
Skills

At the end of the course, the student must be able to:

  • Classify and describe the electric thrusters for space applications;
  • Perform the preliminary sizing of a test facility and basic diagnostics;
  • Perform calculations of first approximation on plasmas of electric propulsion;
  • Set theory models for the study of electric propulsion systems.

 
Modalità di verifica delle capacità

Nel colloquio individuale la preparazione dello studente viene verificata sia attraverso domande sugli argomenti trattati a lezione, sia attraverso la soluzione di problemi basilari di gascinetica e fisica dei plasmi.
Assessment criteria of skills

In the individual interview the student's preparation is verified both by questions on the topics discussed in the lesson, and by the solution of basic gas kinetics plasma physics problems.
Comportamenti

Al termine del corso, lo studente dovrà possedere gli strumenti per comprendere i principi di funzionamento dei vari propulsori elettrici, eseguire calcoli preliminari sui plasmi dei propulsori elettrici, procedere ad un dimensionamento preliminare degli impianti di prova e di alcune diagnostiche di base.
Behaviors

At the end of the course, the student is expected  to have the tools to understand the operating principles of the various electrical thrusters, to perform preliminary calculations on the plasmas of the electric propulsion systems, to proceed with a preliminary dimensioning of the test facilities and some basic diagnostics.
Modalità di verifica dei comportamenti

Nel corso della prova di esame lo studente è posto davanti a problemi inerenti gli aspetti suddetti.
Assessment criteria of behaviors

During the exam, the student is placed in front of problems related to the aforementioned aspects.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
  • Tutti i contenuti dei corsi della laurea triennale in ingegneria aerospaziale.
  • Più in particolare, i contenuti del corsi di Termodinamica Applicata, Fisica II ed Elettronica del secondo anno del CdS,  Fluidodinamica e Motori per Aeromobili del terzo anno del CdS.
Prerequisites
  • All contents of the three-year degree courses in aerospace engineering.
    More specifically, the contents of Applied Thermodynamics and Physics II and Electronics , Fluid Dynamics and Aircraft Engines.
Indicazioni metodologiche
  • Le lezioni frontali vengono svolte sia con l'ausilio di slide che alla lavagna.
  • Le esercitazioni in aula consistono dello svolgimento di alcuni problemi numerici, esplicativi degli argomenti trattati. I problemi sono analoghi a quelli proposti per lo studio personale ed all'esame. Gli esercizi svolti durante lo studio personale sono rivisti su richiesta durante le ore di ricevimento. 
  • Tutto il materiale didattico utilizzato a lezione è messo a disposizione degli studenti tramite il sito elearning.
  • Il sito elearning è utilizzato per tutte le comunicazioni agli studenti e la gestione degli esami.
  • Il ricevimento settimanale è accessibile agli studenti senza prenotazione.

 

 
Teaching methods
  • Frontal lessons are done with slide and blackboard support.
  • Classroom exercises consist of the development of some numerical problems, explaining the topics discussed. The problems are similar to those proposed for personal study and examination. Exercises during the personal study are reviewed on request during the office hours.
  • All teaching materials used in the lesson are available to students via the elearning site.
  • The elearning site is used for all student communications and exam management.
  • Office hour is accessible to students without reservation.
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Introduzione

Introduzione alla propulsione elettrica per applicazioi spaziali.

Plasmi: definizioni, proprietà generali, presenza in natura e loro applicazioni.

Descrizione teorica dei plasmi

Richiami di elettrodinamica e termofluidodinamica.

 

Moto delle Particelle Cariche 

In campi elettromagnetici costanti ed uniformi.

In campi magnetici non uniformi.

In campi elettromagnetici variabili nel tempo.

Applicazioni (es: specchio ed ugello magnetico, sonde RPA).

 

Teoria cinetica dei Plasmi

Elementi di gascinetica.

Valori medi e variabili macroscopiche.

Stato di equilibrio.

Equazioni macroscopiche di trasporto.

Conduttività e diffusione nei plasmi.

Interazione di particelle nei plasmi.

Teoria dello strato limite (sheath theory).

Applicazioni (es: sonde di Langmuir).

 

Modello MHD

Equazioni macroscopiche per fluidi conduttori.

Equazioni fondamentali MHD.

Viscosità magnetica e numero di Reynolds magnetico.

Applicazioni (es: effetto pinch).

 

Fenomeni catodici (cenni)

 

Onde nei plasmi (cenni)

 

Elementi di tecnologia del vuoto
Syllabus

Introduction

Introduction to electric propulsion for space applications.

Plasmas: definition, general properties, occurrence in nature and their applications.

                Theoretical description of plasma phenomena.

                Electro-dynamic and thermo-fluid dynamic recalls.

 

Charged particle motion

                In constant and uniform electromagnetic fields.

                In non uniform magnetostatic fields.

                Poisson equation and its applications (Child’s law).

                Applications (magnetic mirror and nozzle).

 

Plasma kinetic theory

                Elements of gas kinetics.

                Average values and macroscopic variables.

                The equilibrium state.

                Macroscopic transport equations.

                Plasma conductivity and diffusion.

                Particle interaction in plasmas.

                Sheath Theory.

                Applications (Langmuir probes).

 

MHD Model

                Macroscopic equations for a conducting fluid.

                Fundamental equations of MHD.

                Magnetic viscosity and Reynolds Number.

                Applications (Pinch effect).

 

Cathodic phenomena (brief mention)

               

Waves in plasmas (brief mention)

 

Vacuum Technology Elements
Bibliografia e materiale didattico
  • A. Bittencourt, Fundamental of Plasma Physics, Pergamon Press.
  • F. F. Chen, Introduction to Plasma Physics, Springer.
  • V. E. Golant, A. P. Zilinskij, S. E. Sacharov, Fondamenti di fisica dei plasmi, Edizioni Mir.
  • J. L. Delcroix, Introduction to the Theory of Ionized Gas, Interscience Publishers, Inc., NY.
  • M. Mitchener, C. H. Kruger, Jr., Partially Ionized Gases, JohnWiles & Sons.
  •  I. H. Hutchinson, Principles of Plasma Diagnostics, Cambridge University Press.
  • M. Capitelli, G. Colonna, A. D’Angola, Fundamental Aspects of Plasma Chemical Physics – Thermodynamics, Springer.
  • M. Capitelli, D. Bruno, A. Laricchiuta, Fundamental Aspects of Plasma Chemical Physics – Transport, Springer.
  • R. G. Jahn, Physics of Electric Propulsion, McGraw Hill Book Company.
  • W. G. Vincenti, C. H. Kruger, Jr., Introduction to Physical Gas Dynamics, Krieger Publishing Company.
  • J. D. Anderson Jr, Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics, McGraw-Hill, Inc.
  • T.  I. Gombosi, Gaskinetic Theory, Cambridge University Press.
  • T. L. Hill, An Introduction to Statistical Thermodynamics, Dover Publication Inc., NY.
  • G. H. Wannier,  Statistical Physics, Dover Publication Inc., NY.
  • C. Park, Nonequilibrium Hypersonic Aerothermodynamics, John Wiley & Sons
  • F. O'Hanlon, A User's Guide to Vacuum Technology, Wiley.
  • Materiale didattico fornito dal docente su http://elearn.ing.unipi.it.
Bibliography
  • A. Bittencourt, Fundamental of Plasma Physics, Pergamon Press.
  • F. F. Chen, Introduction to Plasma Physics, Springer.
  • V. E. Golant, A. P. Zilinskij, S. E. Sacharov, Fondamenti di fisica dei plasmi, Edizioni Mir.
  • J. L. Delcroix, Introduction to the Theory of Ionized Gas, Interscience Publishers, Inc., NY.
  • M. Mitchener, C. H. Kruger, Jr., Partially Ionized Gases, JohnWiles & Sons.
  •  I. H. Hutchinson, Principles of Plasma Diagnostics, Cambridge University Press.
  • M. Capitelli, G. Colonna, A. D’Angola, Fundamental Aspects of Plasma Chemical Physics – Thermodynamics, Springer.
  • M. Capitelli, D. Bruno, A. Laricchiuta, Fundamental Aspects of Plasma Chemical Physics – Transport, Springer.
  • R. G. Jahn, Physics of Electric Propulsion, McGraw Hill Book Company.
  • W. G. Vincenti, C. H. Kruger, Jr., Introduction to Physical Gas Dynamics, Krieger Publishing Company.
  • J. D. Anderson Jr, Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics, McGraw-Hill, Inc.
  • T.  I. Gombosi, Gaskinetic Theory, Cambridge University Press.
  • T. L. Hill, An Introduction to Statistical Thermodynamics, Dover Publication Inc., NY.
  • G. H. Wannier,  Statistical Physics, Dover Publication Inc., NY.
  • C. Park, Nonequilibrium Hypersonic Aerothermodynamics, John Wiley & Sons
  • F. O'Hanlon, A User's Guide to Vacuum Technology, Wiley.
  • http://elearn.ing.unipi.it.
Indicazioni per non frequentanti

I contenuti del corso sono ogni anno in parte rielaborati. Si consiglia di tenersi aggiornati sulle ultime versioni dei documenti a supporto delle lezioni tramite e-learn e consultando il docente.

E' molto importante integrare lo studio con lo svolgimento degli esercizi proposti, reperibili su e-learn.
Non-attending students info

The course contents are partially reworked each year. We recommend that you keep abreast of the latest versions of documents in support of the lessons through e-learn and consult the professor.
It is very important to integrate the study with the proposed exercises, available e-learn.
Modalità d'esame
  • Prova di ammissione. Sono proposte collettivamente due domande basilari. Lo studente è ammesso a proseguire con il colloquio solo se la prova ha avuto esito soddisfacente. La prova può essere ripetuta senza limitazioni.
  • Colloquio individuale. Allo studente sono posti due quesiti, alcuni nella forma di problemi aperti. Lo studente viene quindi lasciato da solo ad organizzare le risposte, che vengono quindi discusse con il docente.

 
Assessment methods
  • Admission test. Collectively, two basic questions are proposed. The student is allowed to continue the interview only if the test has been successful. The test can be repeated without restriction.
  • Individual interview. Two questions are proposed, often in the form of open problems. The student is then left alone to organize the answers, which are then discussed with the teacher.
Updated: 10/09/2020 15:21