Plasma physical and material physical aspects of the application of atmospheric gases as a propellant for Ion-Thruster of the RIT-Type

Abstract

It is very important to compensate all kind of disturbances to maintain the satellite in the desired orbit. The propulsion system needs a quite huge amount of propellant to generate the required thrusts. This is valid either for chemical and electric propulsion systems, whereas the electric system needs less propellant mass.The limited propellant mass of the satellite and the resulting thrust-ability are often the limiting factor for the mission lifetime of the spacecraft, especially when the decelerating atmospheric drag is comparable high in low target orbits.The usage of surrounding atmospheric gases as a propellant is an interesting and promising approach to extend the mission lifetime of a satellite and to reduce launch coast and launch mass. In combination with an electric propulsion system, where the propellant is accelerated electrically and not burned, high beam velocities and the required thrust levels can be achieved. The objective of this thesis was the proof of principle, if and under which kind of limitations a radio frequency ion thruster can be operated with atmospheric gases and to perform the correlated characterizations of the propulsion system. Therefore, a RIT in the ARTEMIS-configuration was operated and tested with different propellants. In addition to the performance characterization, lifetime tests were also performed. Beside Oxygen, Nitrogen and Xenon (as a reference gas) two additional gas mixtures have been tested, which were based on the target orbit height. A numerical performance model was derived from the measured values, compared, and verified with the developed theory. To improve the overall performance and the resistance of the thruster, some useful modifications have been identified and implemented during the tests.It could be demonstrated that the RIT-technology is well suited for the application with atmospheric propellants and that high thrust levels can be achieved even with this propellants. The observed dissociation of oxygen and the resulting effects, which have been identified in some measurements, should be investigated in more detail with the help of plasma monitors and mass spectrometers. In addition, the design and tests of the propellant gathering unit have to be considered and will require further work. Um einen Satelliten in seiner Umlaufbahn zu halten, sind je nach Orbit verschiedene Störkräfte zu kompensieren, um seine Bahnbewegung zu stabilisieren und zu erhalten. Das Antriebs- und auch Manövriersystem benötigt dazu eine nicht unerhebliche Menge an Treibstoff. Dies gilt sowohl für chemische, als auch für elektrische Antriebssysteme.Die begrenzte Treibstoffmenge eines Satelliten und sein dadurch limitiertes Antriebsvermögen begrenzen gerade bei Missionen in niedriger Umlaufbahn, mit hohen Reibungsverlusten, die Lebensdauer erheblich. Um die Missionsdauer eines Satelliten zu verlängern und um sein Gewicht und die damit verbundenen Startkosten zu reduzieren, bietet die Benutzung der umgebenden Atmosphäre als Treibstoff einen interessanten und vielversprechenden Ansatz. In Kombination mit einem elektrischen Antriebssystem, bei dem der Treibstoff nicht verbrannt, sondern elektrisch beschleunigt und ausgestoßen wird, lassen sich so sehr hohe Strahlgeschwindigkeiten erreichen und die benötigten Schübe erzeugen.Ziel dieser Thesis war der Nachweis, ob und unter welchen Bedingungenatmosphärische Gase als Treibstoff in Radiofrequenzionentriebwerken benutzt werden können und die zugehörige Charakterisierung des Triebwerkssystems. Dazu wurde eine RIT Triebwerk in der Artemis-Konfiguration mit verschiedenen Treibstoffen betrieben und getestet. Zusätzlich zu der Leistungsvermessung wurde auch die Triebwerkslebensdauer getestet. Als Treibstoffe wurden neben Sauerstoff, Stickstoff und Xenon (als Referenzgas) auch zwei Gasmischungen erprobt, die der Atmosphäre in der angestrebten Orbithöhe nachempfunden wurden.Aus den ermittelten Werten wurde ein Performance Model generiert und dieses mit den theoretischen Betrachtungen verglichen und verifiziert. Notwendige Modifikationen konnten während der Tests identifiziert und durchgeführt werden, um die Leistung und die Beständigkeit, gerade bei der Verwendung mit Sauerstoff, zu verbessern.Es konnte nachgewiesen werden, dass sich die RIT-Technologie für die Anwendung mit atmosphärischen Treibstoff gut eignet und sich gute Antriebsleistungen erreichen lassen. Die Dissoziation des Treibstoffs und die resultierenden Effekte, die aufgrund der Messdaten festgestellt werden konnten, sollte zukünftig noch genauer mit einem Plasmamonitor und Massenspektrometern untersucht werden. Zudem ist bei dem Design und den Tests der Treibstoffsammelvorrichtung noch einiges an Arbeit zu leisten.