Caracterização da microturbulência em propulsores hall utilizando Teoria de Informação : a entropia de Shannon

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Programa de Pós-Graduação em Integridade de Materiais da Engenharia, 2022.O propulsor Hall e um dispositivo de propulsão elétrica comumente usado para fins de manutenção da órbita de satélites e em missões no espaço profundo desde 1971. Este dispositivo gera impulso a partir da interação entre um plasma e campos eletromagnéticos. Vários aspectos dessa interação e da operação do propulsor ainda não são bem compreendidos. Recentemente, simulações numéricas e medidas experimentais mostraram a ocorrência de uma instabilidade de alta frequência e pequeno comprimento de onda, conhecida como instabilidade de deriva de eletrons é⃗ × B⃗ . Esta instabilidade modifica a mobilidade dos elétrons através do campo magnético, fazendo com que estes se propaguem pelo canal de aceleração na direção contraria ao catodo, fazendo com que essas partículas se aproximem mais do anodo do que o previsto na teoria. Neste estudo foram realizadas simulações numéricas de um propulsor Hall, modelo SPT-100. O algoritmo usando e baseado no método Particle-in-cell (PIC) com colisões de Monte Carlo (MCC). As simulações foram desenvolvidas em um domínio bidimensional o qual teve as suas coordenadas axial e azimutal consideradas, enquanto a coordenada radial foi desprezada, uma vez que o fenômeno de interesse não é detectado nesta direção. As simulações foram desenvolvidas usando dois tipos diferentes de propelente, argônio e xenônio. Para compreender os dados gerados pela simulação, analisou-se os espectros de potências do campo elétrico azimutal e da densidade de íons os quais foram obtidos pela transformada rápida de Fourier. Tal método tornou possível identificar que a instabilidade de deriva dos elétrons é⃗ × B⃗ induz uma onda com comprimento de ≈ 2mm e frequência acima de 10MHz. O espectro de potência gerado demonstra uma lei de potência similar a turbulência magneto-hidrodinâmica (MHD). Por fim foi aplicado o conceito da entropia de Shannon ao campo elétrico azimutal, possibilitando identificar que a entropia do sistema varia com o propelente utilizado.The Hall thruster is an electric propulsion device commonly used for station-keeping in satellites and deep-space missions since 1971. This device generates thrust from the interaction between a plasma and electromagnetic fields. Several aspects of this interaction and the operation of the propellant are still not well understood. Recently, numerical simulations and experimental measurements have shown the occurrence of a high-frequency and low wave number instability, known as the E⃗ × B⃗ electron drift instability. This instability modifies the electron mobility across the magnetic field, allowing the electrons to reach the acceleration channel and the anode in a smaller time than predicted by the theory. In this study, numerical simulations of a SPT-100 Hall thruster are performed using the twodimensional Particle-in-cell (PIC) method in cylindrical coordinates in which the axial and azimuthal directions are kept, disregarding variations in the radial direction. The simulations were developed using two different types of propellant, argon and xenon. The power spectra obtained by the fast Fourier transform shows that the E⃗ × B⃗ electron drift instability induces a wave in the azimuthal electric field and the ion density with a wavelength of ≈ 2mm and frequency around 10MHz . The power spectra displays power-law behavior similar to magnetohydrodynamic turbulence. The Shannon entropy is applied to the azimuthal electric field, and a dependency on the neutral gas used as propellant is observed