Optimisation of a FEEP thruster using simulation and beam diagnostics

Autor: Mühlich, Nina Sarah
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
DOI: 10.34726/hss.2022.65167
Popis: Seit Anfang der 2000er Jahre entwickelt die FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH (ehemals Austrian Institute of Technology), das Forschungsunternehmen der Fachhochschule Wiener Neustadt, die FEEP- (Field Emission Electric Propulsion) Technologie, die es ermöglicht Triebwerke zu bauen, die im μN-Schubbereich arbeiten. Damit eignen sich diese Triebwerke ideal für die präzise Steuerung eines Raumfahrzeugs. Ein Beispiel ist das von FOTEC entwickelte und von ENPULSION vertriebene Indium FEEP Multiemitter (IFM) Nano Triebwerk, ein speziell für Nanosatelliten (CubeSats) konzipiertes Triebwerksmodul. Es ist wichtig den vom Triebwerk emittierten Indium- Ionenstrahl zu charakterisieren und zu optimieren. Auf diese Weise kann ein höherer Schub bei gleicher Leistung und gleichem Treibstoff erreicht werden. Ferner können durch eine Reduzierung des Strahldivergenzwinkels Wechselwirkungen mit dem Raumfahrzeug vermieden werden. Aufgrund solcher Wechselwirkungen können Solarpaneele oder elektrische Instrumente an Bord des Raumfahrzugs beschädigt werden. Bisher gibt es nur wenige Untersuchungen zur Struktur und Verhalten des Triebwerkstrahls.Im Rahmen des Dissertationsprojekts wurden die Strahl- und Schubeigenschaften mehrerer laborversionen der IFM Nano Triebwerke mit einer Schubwaage und einem eigens entwickelten Strahldiagnostiksystem charakterisiert. Zur entwickelten Strahldiagnostik gehören 23 Digitale Faraday Cups (DFC) an einem drehbaren Halbkreisarm zur Vermes- sung der Ionenstromdichteverteilung und ein Gegenfeldanalysator (RPA), zur Bestimmung der kinetischen Energieverteilung der Strahlionen. Eine Besonderheit der FEEP Triebwerke ist, dass der Schub indirekt über die Strahldiagnostik bestimmt werden kann. Dies wurde durch simultanes Messen mit einer Schubwaage bewiesen. Es wurde ein Ionentrajektorien-Simulationsmodell entwickelt und damit eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen nachgewiesen. Anschließend wurde das Modell zur Optimierung der Strahleigenschaften verwendet. Dabei wurden unterschiedliche Geometrien der Triebwerkselektroden für verschiedene Betriebsparameter iterativ simuliert. Die vielversprechendste Geometrie führte zu einer Schuboptimierung von 30%, einer Divergenzwinkelreduzierung von 60◦ auf 20◦ und einer Schubvektorstabilitätsverbesserung von < 5 ◦ auf < 0.9 ◦. Es handelt sich um ein modulares Fokussystem, welches auf ein IFM Nano Triebwerk aufgesetzt werden kann, ohne die Komplexität der Elektronik oder die benötigte Leistung zu erhöhen. Das sogenannte Fokusmodul wurde gefertigt und erneut mit dem Strahldiagnostiksystem vermessen. Die Vorhersagen des Simulationsmodells stimmten hervorragend mit den experimentellen Ergebnissen überein. Somit kann das Simulationsmodell in Zukunft zur Vorhersage der Performance verschiedener FEEP-Triebwerksgeometrien verwendet werden.
Since the early 2000s, FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH (formerly Austrian Institute of Technology), the research subsidiary of the University of Applied Sciences Wiener Neustadt, is developing the Field Emission Electric Propulsion (FEEP) technology, that allows to build thrusters working in the μN-thrust range. This makes these thrusters ideal for the precise control of a spacecraft. An example is the Indium FEEP Multiemitter (IFM) Nano Thruster developed by FOTEC and commercialised by ENPULSION, which is a thruster module especially designed for nano satellites (Cube- Sats). It is important to characterise and optimise the indium ion beam emitted by this thruster. In this way, a higher thrust can be achieved with the same amount of power and utilised propellant. Furthermore, by reducing the beam divergence angle, interactions with the spacecraft can be prevented. Due to such interactions, solar panels or electrical instruments on board the spacecraft could be damaged. So far, there are only a few studies on the structure and behaviour of the thruster beam.Within the scope of the dissertation project, the beam and thrust properties of several laboratory versions of the IFM Nano Thrusters were characterised using a thrust balance and a self-developed beam diagnostics system. The developed beam diagnostics consists of 23 Digital Faraday Cups (DFC) on a rotatable semi-circular arm to measure the ion current density distribution and a Retarding Potential Analyser (RPA) to determine the kinetic energy distribution of the beam ions. A special feature of the FEEP thrusters is, that the thrust can be determined indirectly using the beam diagnostics. This was proven by simultaneous measurements with a thrust balance. An ion trajectory simula- tion model was developed and excellent agreement with the experimental results could be demonstrated. Subsequently, the model was used to optimise the beam properties. Thereby, different geometries of the thruster electrodes were simulated iteratively for different operating parameters. The most promising geometry resulted in a thrust op- timisation of 30%, a divergence angle reduction from 60◦ to 20◦ and a thrust vector stability improvement from < 5◦ to < 0.9◦. It is a modular focus system that can be mounted on an IFM Nano Thruster without increasing the complexity of the electronics or the required power. The so-called focus module was manufactured and measured again with the beam diagnostic system. The predictions of the simulation model were in excellent agreement with the experimental results. Therefore, the simulation model can be used in future to predict the performance of various FEEP thruster geometries.
Databáze: OpenAIRE
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