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THE IMPACT OF REPLACING MACOR WITH SHAPAL IN RF CATHODES FOR HALL THRUSTERS

Os propulsores Hall têm sido uma pedra angular da propulsão elétrica para aplicações espaciais, e o desenvolvimento de Propulsores Hall com Ímãs Permanentes (PHALL) no Laboratório de Física de Plasmas da Universidade de Brasília (LFP/UnB) avançou significativamente o programa espacial brasileiro. Um dos principais desafios no projeto de propulsores Hall é garantir que as temperaturas operacionais permaneçam abaixo da temperatura de Curie dos ímãs permanentes, que são essenciais para sua funcionalidade. Para abordar essa questão, um cátodo de RF foi desenvolvido e simulado termicamente com dois materiais dielétricos diferentes: Macor e Shapal. As simulações realizadas no software ANSYS demonstraram que o Shapal, devido à sua superior condutividade térmica, reduziu significativamente o gradiente de temperatura em comparação ao Macor. Os resultados indicam que a substituição do Macor pelo Shapal diminui a temperatura máxima em aproximadamente 64 °C e a temperatura da superfície externa em cerca de 18 °C, garantindo condições operacionais ideais para os ímãs permanentes. Este estudo destaca a importância da seleção de materiais na minimização de riscos térmicos em sistemas avançados de propulsão elétrica.
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THE IMPACT OF REPLACING MACOR WITH SHAPAL IN RF CATHODES FOR HALL THRUSTERS

  • DOI: https://doi.org/10.22533/at.ed.317512507018

  • Palavras-chave: Cátodo de radiofrequência, propulsor Hall, Simulação numérica térmica, nano-satélites, micro-satélites

  • Keywords: Radio frequency cathode, Hall thruster, Thermal numerical simulation, Nano-satellites, Micro-satellites

  • Abstract: Hall thrusters have been a cornerstone of electric propulsion for space applications, and the development of Permanent Magnet Hall Thrusters (PHALL) at the Plasma Physics Laboratory of the University of Brasília (LFP/UnB) has significantly advanced Brazil’s space program. A key challenge in Hall thruster design is ensuring that the operational temperatures remain below the Curie temperature of the permanent magnets, which are essential for their functionality. To address this, an RF cathode was developed and thermally simulated with two different dielectric materials: Macor and Shapal. Simulations conducted using ANSYS software demonstrated that Shapal, due to its superior thermal conductivity, reduced the temperature gradient significantly compared to Macor. Results indicate that replacing Macor with Shapal decreases the maximum temperature by approximately 64 °C and external surface temperature by about 18 °C, ensuring optimal operational conditions for the permanent magnets. This study highlights the importance of material selection in minimizing thermal risks in advanced electric propulsion systems.

  • Hudson Marques Costa
  • Jhonatha Willian dos Santos de Paula
  • José Leonardo Ferreira
  • Rodrigo Andrés Miranda Cerda
  • Carlos Humberto Llanos Quintero
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