Design of an RF ion thruster
Date
2014-04
Authors
Botha, Johannes Rudolf
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Recent years have seen a decline in the rate of space exploration due to the inefficiency
of chemical rockets. Therefore alternative fuel efficient propulsion methods are being
sought to enable cost effective deep space exploration. The high fuel efficiency of electric
thrusters enable a spacecraft to travel further, faster and cheaper than any other propulsion
technology available. Thus electric propulsion has become the propulsion of choice
for scientists and engineers. A typically electric thruster contains some sort of electrode
to ionise the propellant. Although this is feasible for short space missions, it becomes impractical
for more ambitious space missions as electrodes erode over time. The alternative
is to ionise the propellant using electromagnetic fields, which eliminates lifespan issues
associated with electrode based thrusters.
In order to examine methods of improving the lifespan and performance of electric thrusters,
this thesis aimed to study the method of microwave discharge ionisation for an electric
thruster. This includes the design of an RF Ion Thruster with extraction and acceleration
grids to generate thrust. A 600 W 2.45 GHz magnetron (obtained from a conventional
microwave oven), coupled to circular TM010 resonant cavity, was used to ionise neutral
argon gas. The process of electron cyclotron resonance (ECR) was used to ensure the
efficient ionisation of a high density plasma. The thrust was achieved with a three-grid
system biased at high voltages to accelerate positively charged argon ions to high exhaust
velocities.
Results yielded the success of the designed electromagnetic based thruster, measuring
approximatively 1.78 mN of thrust with a specific impulse of Isp = 3786 seconds. The
ECR process produced a high plasma density with a plasma absorption rate of approximately
77% of the total input microwave power. The final results obtained were found
to match the predicted results extremely well and resembled results found in literature.
This demonstrates the efficiency of the RF ion thruster that was designed in this project
and the future use in space exploration activities. However, future research needs to be
undertaken on a controlled feedback system that will ensure optimal operating conditions
for maximum performance. In addition, the method of grid-less acceleration needs to be
studied to achieve maximum thrust and specific impulse.
AFRIKAANSE OPSOMMING: In onlangse jare het ’n afname in die tempo van die verkenning van die ruimte dit te danke aan die ondoeltreffendheid van chemiese vuurpyle. Derhalwe moet alternatiewe brandstof aandrywing metodes ondersoek word, om koste-effektiewe diep ruimte-eksplorasie moontlik te maak. Die hoë brandstof-doeltreffendheid van elektriese ontbranders stel ’n ruimtetuig in staat om verder, vinniger en goedkoper te reis as enige ander aandrywing tegnologie wat tans beskikbaar is. Dus het elektriese aandrywing metodes die aandrywings keuse vir wetenskaplikes en ingenieurs geword. ’n Tipies elektriese vuurpyl/aandrywer bevat ’n vorm van elektrode om die brandstof (argon gas) te ioniseer. Alhoewel hierdie elektrode proses van ionisasie effektief is vir kort ruimte missies, word dit onprakties vir meer ambisieuse ruimte missies as gevolg van verweering van elektrodes met verloop van tyd. ’n Alternatief is om die dryfmiddel/brandstof te ioniseer deur gebruik te maak van elektromagnetiese velde. Die elekromagnetiese velde sal die lewensduur van die vuurpyl vermeerder deur die verweering van elektrodes, wat geassosieer word met tipiese elektrieses vuurpyle, te elimineer. Hierdie tesis se doelwit is om die metode van mikrogolf ontslag ionisasie vir ’n elektriese vuurpyl/aandrywer te bestudeer om ten einde die lewensduur en doeltreffendheid van elektriese vuurpyl/aandrywer te ondersoek. Dit sluit in die ontwerp van ’n radio frekewensie ioon vuurpyl/aandrywer met ’n ontginning en versnelling matriks/rooster om stukrag te genereer. ’n 2,45 GHz magnetron (verkry vanaf ’n konvensionele mikrogolfoond), gekoppel aan ’n TM010 resonante holte, was gebruik om neutrale argon gas te ioniseer. Die proses van elektron siklotron resonansie (ESR) was gebruik om die doeltreffende ionisasie van ’n hoë digtheid plasma te verseker. Die aandrywing/stukrag was behaal met ’n drie-matriks-stelsel, bevoordeel deur hoë spannings om die positief-gelaaide argon ione te versnel. Resultate opgelewer, het die sukses van die ontwerp van ’n elektromagnetiese gebaseerde vuurpyl/aandrywer met ’n benaderde meting van ongeveer 1.78 mN van stukrag/aandrywing met ’n spesifieke impuls van Isp = 3786 sekondes bewys. Die ECR proses het ’n hoë plasma digtheid geproduseer met ’n plasma opname persentasie van ongeveer 77% van die totale inset mikrogolf energie. Die finale uitslae wat verkry was, het bevind dat die voorspelde resultate baie goed inpas met resultate in beskikbare literatuur. Dit dui op die doeltreffendheid van die RF ioon vuurpyl/aandrywer wat ontwerp is in hierdie projek vir die toekomstige gebruik in ruimte eksplorasie-aktiwiteite. Toekomstige navorsing moet op ’n beheerde terugvoer sisteem onderneem word, wat optimale werktoestande verseker vir maksimum prestasie. Daarbenewens moet die metode van matriks-lose versnelling bestudeer word, om maksimum versnelling/stukrag en spesifieke impuls te verseker.
AFRIKAANSE OPSOMMING: In onlangse jare het ’n afname in die tempo van die verkenning van die ruimte dit te danke aan die ondoeltreffendheid van chemiese vuurpyle. Derhalwe moet alternatiewe brandstof aandrywing metodes ondersoek word, om koste-effektiewe diep ruimte-eksplorasie moontlik te maak. Die hoë brandstof-doeltreffendheid van elektriese ontbranders stel ’n ruimtetuig in staat om verder, vinniger en goedkoper te reis as enige ander aandrywing tegnologie wat tans beskikbaar is. Dus het elektriese aandrywing metodes die aandrywings keuse vir wetenskaplikes en ingenieurs geword. ’n Tipies elektriese vuurpyl/aandrywer bevat ’n vorm van elektrode om die brandstof (argon gas) te ioniseer. Alhoewel hierdie elektrode proses van ionisasie effektief is vir kort ruimte missies, word dit onprakties vir meer ambisieuse ruimte missies as gevolg van verweering van elektrodes met verloop van tyd. ’n Alternatief is om die dryfmiddel/brandstof te ioniseer deur gebruik te maak van elektromagnetiese velde. Die elekromagnetiese velde sal die lewensduur van die vuurpyl vermeerder deur die verweering van elektrodes, wat geassosieer word met tipiese elektrieses vuurpyle, te elimineer. Hierdie tesis se doelwit is om die metode van mikrogolf ontslag ionisasie vir ’n elektriese vuurpyl/aandrywer te bestudeer om ten einde die lewensduur en doeltreffendheid van elektriese vuurpyl/aandrywer te ondersoek. Dit sluit in die ontwerp van ’n radio frekewensie ioon vuurpyl/aandrywer met ’n ontginning en versnelling matriks/rooster om stukrag te genereer. ’n 2,45 GHz magnetron (verkry vanaf ’n konvensionele mikrogolfoond), gekoppel aan ’n TM010 resonante holte, was gebruik om neutrale argon gas te ioniseer. Die proses van elektron siklotron resonansie (ESR) was gebruik om die doeltreffende ionisasie van ’n hoë digtheid plasma te verseker. Die aandrywing/stukrag was behaal met ’n drie-matriks-stelsel, bevoordeel deur hoë spannings om die positief-gelaaide argon ione te versnel. Resultate opgelewer, het die sukses van die ontwerp van ’n elektromagnetiese gebaseerde vuurpyl/aandrywer met ’n benaderde meting van ongeveer 1.78 mN van stukrag/aandrywing met ’n spesifieke impuls van Isp = 3786 sekondes bewys. Die ECR proses het ’n hoë plasma digtheid geproduseer met ’n plasma opname persentasie van ongeveer 77% van die totale inset mikrogolf energie. Die finale uitslae wat verkry was, het bevind dat die voorspelde resultate baie goed inpas met resultate in beskikbare literatuur. Dit dui op die doeltreffendheid van die RF ioon vuurpyl/aandrywer wat ontwerp is in hierdie projek vir die toekomstige gebruik in ruimte eksplorasie-aktiwiteite. Toekomstige navorsing moet op ’n beheerde terugvoer sisteem onderneem word, wat optimale werktoestande verseker vir maksimum prestasie. Daarbenewens moet die metode van matriks-lose versnelling bestudeer word, om maksimum versnelling/stukrag en spesifieke impuls te verseker.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2014.
Keywords
Ion propulsion, Electric propulsion, Microwave Ionization, Rocket engines, Thrust, Dissertations -- Electrical and electronic engineering, UCTD