Optimización de propulsores de plasma pulsantes ablativos de teflón utilizando algoritmos evolutivos del tipo genéticos

Abstract

En la década del ’90 se comenzó nuevamente a poner énfasis en diseñar satélites de bajo peso, los cuales además de bajar costos y tiempos de desarrollo, sean sencillos y robustos. En tal sentido, la idea general es poner en órbita constelaciones de micro o nano-satélites (masas inferiores a 50 y 10 kilogramos de peso respectivamente), teniendo capacidades individuales de maniobra para el vuelo en formación, los cuales a su vez puedan tener asignadas funciones de operación individuales o grupales. Es en este punto donde los Propulsores de Plasma Pulsantes ablativos (APPT por sus siglas en inglés) toman lugar debido a su simpleza constructiva, alto impulso específico, bajo impulso unitario, bajo peso y requerimientos de potencia, además de no necesitar empaquetamiento de combustible. En este trabajo, y de acuerdo a los modelos electromecánicos inestacionarios, se proponen dos modelos a partir de los cuales se simula a los APPT con el objetivo de caracterizar su performance. Se obtiene numéricamente la masa ablacionada, el bit de impulso, el impulso específico y el rendimiento propulsivo, entre otros, y se compara y valida con resultados experimentales indicados en la literatura especializada. En los modelos propuestos en este trabajo se incorpora la ecuación de la energía al sistema de ecuaciones original, lo cual agrega la temperatura del plasma como variable temporal al modelo. Para obtener la densidad de partículas de electrones del plasma en función del tiempo, se utiliza la ecuación de Saha considerando al plasma en Equilibrio Termodinámico Local. Se realiza un análisis de sensibilidad de ambos modelos respecto a variables eléctricas y geométricas prestando especial atención en su efecto sobre la masa ablacionada, el bit de impulso, el impulso específico y el rendimiento propulsivo. Por último, y utilizando algoritmos genéticos, se lleva a cabo el proceso de optimización de variables eléctricas, geométricas o ambas, utilizando uno de los modelos propuestos. Se analizan dos casos, optimización individual, es decir, de una sola función objetivo; y optimización múltiple o de mas de una función objetivo. Se interpretan los resultados y se identifican tendencias en cuanto a obtener un diseño óptimo de un APPT de teflón.