Bare-tether sheath and current: comparison of asymptotic theory and kinetic simulations in stationary plasma

Analytical expressions for current to a cylindrical Langmuir probe at rest in unmagnetized plasma are compared with results from both steady-state Vlasov and particle-in-cell simulations. Probe bias potentials that are much greater than plasma temperature (assumed equal for ions and electrons), as of interest for bare conductive tethers, are considered. At a very high bias, both the electric potential and the attracted-species density exhibit complex radial profiles; in particular, the density exhibits a minimum well within the plasma sheath and a maximum closer to the probe. Excellent agreement is found between analytical and numerical results for values of the probe radiusR close to the maximum radius Rmax for orbital-motion-limited (OML) collection at a particular bias in the following number of profile features: the values and positions of density minimum and maximum, position of sheath boundary, and value of a radius characterizing the no-space-charge behavior of a potential near the high-bias probe. Good agreement between the theory and simulations is also found for parametric laws jointly covering the following three characteristic R ranges: sheath radius versus probe radius and bias for Rmax; density minimum versus probe bias for Rmax; and (weakly bias-dependent) current drop below the OML value versus the probe radius for R > Rmax.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

On the role of global flow instability analysis in closed loop flow control

Control of linear flow instabilities has been demonstrated to be an effective theoretical flow control methodology, capable of modifying transitional flows on canonical geometries such as the plane channel and the flat-plate boundary layer. Extending the well-developed theoretical flow control techniques to flows over or through complex geometries requires addressing the issue of efficient capturing of the leading members of the global eigenspectrum pertinent to such flows. The present contribution describes state-of-the-art modal global instability analysis methodologies recently developed in our group, based on matrix formation and time-stepping, respectively. The relative performance of these algorithms is assessed on the recovery of BiGlobal and TriGlobal eigenspectra in the spanwise periodic and the cubic lid-driven cavity, respectively; the adjoint eigenspectrum in the latter flow is recovered for the first time. For three-dimensional flows without any homogeneous spatial direction, the time-stepping methodology was found to outperform the matrix-forming approach and permit recovering the leading TriGlobal eigenmodes in an three-dimensional open cavity of aspect ratio L : D : W = 5 : 1 : 1; theoretical flow control of this configuration is underway.

On the role of global flow instability analysis in closed loop flow control

Control of linear flow instabilities has been demonstrated to be an effective theoretical flow control methodology, capable of modifying transitional flow on canonical geometries such as the plane channel and the flat-plate boundary layer.

Computational and Experimental Modelling of Mooring Lines Dynamics for Offshore Floating Wind Turbines

El cálculo de cargas de aerogeneradores flotantes requiere herramientas de simulación en el dominio del tiempo que consideren todos los fenómenos que afectan al sistema, como la aerodinámica, la dinámica estructural, la hidrodinámica, las estrategias de control y la dinámica de las líneas de fondeo. Todos estos efectos están acoplados entre sí y se influyen mutuamente. Las herramientas integradas se utilizan para calcular las cargas extremas y de fatiga que son empleadas para dimensionar estructuralmente los diferentes componentes del aerogenerador. Por esta razón, un cálculo preciso de las cargas influye de manera importante en la optimización de los componentes y en el coste final del aerogenerador flotante. En particular, el sistema de fondeo tiene gran impacto en la dinámica global del sistema. Muchos códigos integrados para la simulación de aerogeneradores flotantes utilizan modelos simplificados que no consideran los efectos dinámicos de las líneas de fondeo. Una simulación precisa de las líneas de fondeo dentro de los modelos integrados puede resultar fundamental para obtener resultados fiables de la dinámica del sistema y de los niveles de cargas en los diferentes componentes. Sin embargo, el impacto que incluir la dinámica de los fondeos tiene en la simulación integrada y en las cargas todavía no ha sido cuantificada rigurosamente. El objetivo principal de esta investigación es el desarrollo de un modelo dinámico para la simulación de líneas de fondeo con precisión, validarlo con medidas en un tanque de ensayos e integrarlo en un código de simulación para aerogeneradores flotantes. Finalmente, esta herramienta, experimentalmente validada, es utilizada para cuantificar el impacto que un modelos dinámicos de líneas de fondeo tienen en la computación de las cargas de fatiga y extremas de aerogeneradores flotantes en comparación con un modelo cuasi-estático. Esta es una información muy útil para los futuros diseñadores a la hora de decidir qué modelo de líneas de fondeo es el adecuado, dependiendo del tipo de plataforma y de los resultados esperados. El código dinámico de líneas de fondeo desarrollado en esta investigación se basa en el método de los Elementos Finitos, utilizando en concreto un modelo ”Lumped Mass” para aumentar su eficiencia de computación. Los experimentos realizados para la validación del código se realizaron en el tanque del École Céntrale de Nantes (ECN), en Francia, y consistieron en sumergir una cadena con uno de sus extremos anclados en el fondo del tanque y excitar el extremo suspendido con movimientos armónicos de diferentes periodos. El código demostró su capacidad para predecir la tensión y los movimientos en diferentes posiciones a lo largo de la longitud de la línea con gran precisión. Los resultados indicaron la importancia de capturar la dinámica de las líneas de fondeo para la predicción de la tensión especialmente en movimientos de alta frecuencia. Finalmente, el código se utilizó en una exhaustiva evaluación del efecto que la dinámica de las líneas de fondeo tiene sobre las cargas extremas y de fatiga de diferentes conceptos de aerogeneradores flotantes. Las cargas se calcularon para tres tipologías de aerogenerador flotante (semisumergible, ”spar-buoy” y ”tension leg platform”) y se compararon con las cargas obtenidas utilizando un modelo cuasi-estático de líneas de fondeo. Se lanzaron y postprocesaron más de 20.000 casos de carga definidos por la norma IEC 61400-3 siguiendo todos los requerimientos que una entidad certificadora requeriría a un diseñador industrial de aerogeneradores flotantes. Los resultados mostraron que el impacto de la dinámica de las líneas de fondeo, tanto en las cargas de fatiga como en las extremas, se incrementa conforme se consideran elementos situados más cerca de la plataforma: las cargas en la pala y en el eje sólo son ligeramente modificadas por la dinámica de las líneas, las cargas en la base de la torre pueden cambiar significativamente dependiendo del tipo de plataforma y, finalmente, la tensión en las líneas de fondeo depende fuertemente de la dinámica de las líneas, tanto en fatiga como en extremas, en todos los conceptos de plataforma que se han evaluado. ABSTRACT The load calculation of floating offshore wind turbine requires time-domain simulation tools taking into account all the phenomena that affect the system such as aerodynamics, structural dynamics, hydrodynamics, control actions and the mooring lines dynamics. These effects present couplings and are mutually influenced. The results provided by integrated simulation tools are used to compute the fatigue and ultimate loads needed for the structural design of the different components of the wind turbine. For this reason, their accuracy has an important influence on the optimization of the components and the final cost of the floating wind turbine. In particular, the mooring system greatly affects the global dynamics of the floater. Many integrated codes for the simulation of floating wind turbines use simplified approaches that do not consider the mooring line dynamics. An accurate simulation of the mooring system within the integrated codes can be fundamental to obtain reliable results of the system dynamics and the loads. The impact of taking into account the mooring line dynamics in the integrated simulation still has not been thoroughly quantified. The main objective of this research consists on the development of an accurate dynamic model for the simulation of mooring lines, validate it against wave tank tests and then integrate it in a simulation code for floating wind turbines. This experimentally validated tool is finally used to quantify the impact that dynamic mooring models have on the computation of fatigue and ultimate loads of floating wind turbines in comparison with quasi-static tools. This information will be very useful for future designers to decide which mooring model is adequate depending on the platform type and the expected results. The dynamic mooring lines code developed in this research is based in the Finite Element Method and is oriented to the achievement of a computationally efficient code, selecting a Lumped Mass approach. The experimental tests performed for the validation of the code were carried out at the `Ecole Centrale de Nantes (ECN) wave tank in France, consisting of a chain submerged into a water basin, anchored at the bottom of the basin, where the suspension point of the chain was excited with harmonic motions of different periods. The code showed its ability to predict the tension and the motions at several positions along the length of the line with high accuracy. The results demonstrated the importance of capturing the evolution of the mooring dynamics for the prediction of the line tension, especially for the high frequency motions. Finally, the code was used for an extensive assessment of the effect of mooring dynamics on the computation of fatigue and ultimate loads for different floating wind turbines. The loads were computed for three platforms topologies (semisubmersible, spar-buoy and tension leg platform) and compared with the loads provided using a quasi-static mooring model. More than 20,000 load cases were launched and postprocessed following the IEC 61400-3 guideline and fulfilling the conditions that a certification entity would require to an offshore wind turbine designer. The results showed that the impact of mooring dynamics in both fatigue and ultimate loads increases as elements located closer to the platform are evaluated; the blade and the shaft loads are only slightly modified by the mooring dynamics in all the platform designs, the tower base loads can be significantly affected depending on the platform concept and the mooring lines tension strongly depends on the lines dynamics both in fatigue and extreme loads in all the platform concepts evaluated.