Der HEMP Thruster - Vorstellung eines neuartigen, höchst leistungsfähigen elektrischen Triebwerks Satellitenkommunikation in Deutschland Bonn 27.03.03- 28.03.03 page 1 Der HEMP Thruster - Der HEMP Thruster - (H (H och och E E ffizienter ffizienter M M ehrstufen ehrstufen P P lasma Thruster) lasma Thruster) Vorstellung eines neuartigen, höchst leistungsfähigen elektrischen Triebwerks Vorstellung eines neuartigen, höchst leistungsfähigen elektrischen Triebwerks für Satelliten und interplanetare Sonden für Satelliten und interplanetare Sonden ___________________________________ ___________________________________ Günter Kornfeld Günter Kornfeld Norbert Koch Norbert Koch Gregory Coustou Gregory Coustou Thales Thales Electron Devices Electron Devices GmbH GmbH Söflingerstr Söflingerstr .100, 89275 Ulm .100, 89275 Ulm Machbarkeitsuntersuchung gefördert durch das DLR Machbarkeitsuntersuchung gefördert durch das DLR Schub Messungen bei ONERA, Palaiseau, gefördert durch CNES Schub Messungen bei ONERA, Palaiseau, gefördert durch CNES Ionenstrahlcharakterisierung Ionenstrahlcharakterisierung in Zusammenarbeit mit IOM, Leipzig in Zusammenarbeit mit IOM, Leipzig
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Der HEMP Thruster · Xe + ion beam + e-Space charge neutralised ion beam Neutral Xe Operational principle of the HEMP-thruster • As in a TWT, a permanent periodic magnet structure
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Der HEMP Thruster -Der HEMP Thruster -(H(Hoch och EEffizienter ffizienter MMehrstufen ehrstufen PPlasma Thruster)lasma Thruster)
Vorstellung eines neuartigen, höchst leistungsfähigen elektrischen TriebwerksVorstellung eines neuartigen, höchst leistungsfähigen elektrischen Triebwerksfür Satelliten und interplanetare Sondenfür Satelliten und interplanetare Sonden
Machbarkeitsuntersuchung gefördert durch das DLRMachbarkeitsuntersuchung gefördert durch das DLRSchub Messungen bei ONERA, Palaiseau, gefördert durch CNESSchub Messungen bei ONERA, Palaiseau, gefördert durch CNESIonenstrahlcharakterisierungIonenstrahlcharakterisierung in Zusammenarbeit mit IOM, Leipzig in Zusammenarbeit mit IOM, Leipzig
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LEO Satellite Orbit(low earth orbit)
Geo-Orbit (geostationary earth orbit)
To maintain a GEO communication satellite over 15 years on its position requires 775 kgof chemical propellant (Hydrazin), but only 75 kg of Xe for electric propulsion.To bring 1 kg into GEO orbit costs 55.000.- €
Saving in launch costs: 38.5 M €
Alternatively, more payload channels are possible.
Why electric propulsion?
The HEMP thruster concept has the potential to allow
all electric satellite propulsion: orbit raising & station keeping
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Achievements within the 3 phases of the feasibility studyAchievements within the 3 phases of the feasibility studyBreakthrough of a new thruster concept achieved within the DLR supportedBreakthrough of a new thruster concept achieved within the DLR supportedfeasibility study for a new electric propulsion concept (funding was 560feasibility study for a new electric propulsion concept (funding was 560 kEur kEur):):
Test at Test at Xe-FluxXe-Flux thrust thrust Isp Isp tot. tot.efficeffic.. therm therm. . efficeffic.. sccm sccm mN mN s s % % % %
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Schematic of a RITneeds large cross section due to the space charge limitation of the ion
source
Competitive Concepts: Ion Thrusters
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Competitive Concepts: Hall Thrusters
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Magnet; magnet field
pol epiece (F e)
electrode 1 (1kV);electric field
cathode
accelerated Xenon-Ions
electrode 4 (≈0V)
anode
ion barrier
elect ron beam
High Eff icient Multistage Plasma ThrusterHEMP-Thruster Concept
elect ron beamXe- feeding slits
Basic TEDG patented design of a HEMP–thruster Basic TEDG patented design of a HEMP–thruster
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Symmetry axis
E-Feld
∅i = 18 mm
UA1> UA2> UA3>Neutralisator =Masse
In cusp area: Radial magnet fields; axial electric fieldsazimuthal Hall currents of plasma electrons
E-Field E-Field
B-Field
Xe+ ion beam + e-
Space chargeneutralised ion beam
Neutral Xe
Operational principle of the HEMP-thrusterOperational principle of the HEMP-thruster•• As in a TWT, a permanent periodic magnet structure focuses the Xe plasma, on the axis As in a TWT, a permanent periodic magnet structure focuses the Xe plasma, on the axis
and thus prevents losses on the ionisation chamber wall.and thus prevents losses on the ionisation chamber wall.•• The applied plasma potentials The applied plasma potentials UUAAii
between the Cusps decrease towards the exit. The between the Cusps decrease towards the exit. The resulting electrical fields accelerate the Xe-ions.resulting electrical fields accelerate the Xe-ions.
•• A neutraliser may provide at the exit the electrons for neutralisation of the ion beam A neutraliser may provide at the exit the electrons for neutralisation of the ion beam current but is not necessary for thruster operation.current but is not necessary for thruster operation.
•• Due to the crossed electric and magnetic fields in the Due to the crossed electric and magnetic fields in the cusp cusp area the plasma electrons area the plasma electrons are orbiting and mirrored in closed,are orbiting and mirrored in closed, azimuthal azimuthal Hall currents loops, which Hall currents loops, which maintains a quasi-neutral space charge distribution in the plasma chamber and maintains a quasi-neutral space charge distribution in the plasma chamber and lead to a high ionisation rate.lead to a high ionisation rate.
E-Field
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•• Angular & velocity distribution of ion beam on DM3a MS1-3 Angular & velocity distribution of ion beam on DM3a MS1-3 at IOM, Leipzig in Oct 02at IOM, Leipzig in Oct 02
•• Thermal diagnostic measurement results on DM6 MSJ6 EPS5 Thermal diagnostic measurement results on DM6 MSJ6 EPS5at TED, Ulm February 03at TED, Ulm February 03
•• Thrust measurements on DM6 MSJ6 EPS5 Thrust measurements on DM6 MSJ6 EPS5 at Onera, Palaiseau in March 03 at Onera, Palaiseau in March 03
Presented test results of last half year:Presented test results of last half year:
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Tests with energy selective mass spectrometerTests with energy selective mass spectrometerat IOM, Leipzig in Oct 02at IOM, Leipzig in Oct 02
results inresults inMass spectroscopy andMass spectroscopy and
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DM3a MS1-3 ion beam mass spectroscopy DM3a MS1-3 ion beam mass spectroscopy in an angle of 30° at kinetic energy of 500 eVin an angle of 30° at kinetic energy of 500 eV
DM3a MS1-3 ion beam mass spectroscopy at 30° , 500V
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Angular and energy distribution of single charged Angular and energy distribution of single charged XeXe1+1+ ion beam in DM3a MS1-3 ion beam in DM3a MS1-3
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Comparison ofComparison ofthermal diagnostic at TED, Ulm & thermal diagnostic at TED, Ulm &
thrust balance results at Onera, Palaiseau thrust balance results at Onera, Palaiseau on HEMP thruster DM 6 MSJ6 EPS5on HEMP thruster DM 6 MSJ6 EPS5
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Thrust tests at Onera PalaiseauThrust tests at Onera Palaiseau
View on the DM3a MS 1-2 at installation in the thrustbalance of ONERA Palaiseau(CNES-support!)HEMP Miniatur thruster produceslarge thrust!Thrust density more than 5- times higher than thatof a Hall thruster, 100 times higher than aconventional gridded ion thruster.
HEMP DM3a MS1-2 in ONERA's test station inoperation,Side view through window in vacuum chamber
• 43 mN thrust from 2,5 cm² exit area• up to 70% thermal efficiency and• 32% total efficiency (includes Xe-ionisation)
Thruster exit
Neutraliser
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MS2; α=40°; Thrust vs. Xe-FlowParameter: Anode Voltage
ααeffeff = 55° = 55°up to 43 mNup to 43 mNlinear increaselinear increaseof thrust with Xe-flow.of thrust with Xe-flow.Limits not tested.Limits not tested.
α=55°
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HEMP thruster characteristics in comparison HEMP thruster characteristics in comparison with Hall effect and grid ion thrusters with Hall effect and grid ion thrusters
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Parameter Ion thruster Hall thruster HEMP thruster
Plasma thrust density 0,2 mN/cm² 2mN/cm² >20 mN/cm² (32 achieved)
Mass & Volume large medium small
Acceleration grids required yes no noIon emission space charge limited yes no no
Neutraliser required yes yes optionally no(depends on space plasma density)
Erosion effects at grids at channel walls minimal, PPM focused plasmaReliability & Life sufficient sufficient not tested, but no wear mechan.
Additional supplies required: for e.g. RF-source for magnet coils no
Power supply & control unit complex complex simple
Total efficiency good(65%) medium (30%-55%) good (>75%, fut. potential)
Beam angle < 15° < 45° < 30 ° (future potential)
Flexible application & adjustabilityHigh thrust/W or high spec.impulse good to medium low very good
Specific impulse / s 2000 to 4000 1000 to 2000 1000 to >3500
Comparison of HEMP thruster design potentials with state of the art Comparison of HEMP thruster design potentials with state of the art Hall effect and grid ion thrusters Hall effect and grid ion thrusters
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RIT- XTRIT- 35/ ESA XXHEMP DM3aachieved =07/02
HEMP DM6 measured:03/03
HEMP planned 06/05 with
future potential by scaling
Key performance of grid ion thrusters and Hall thruster SPT 100 inKey performance of grid ion thrusters and Hall thruster SPT 100 incomparison with HEMP thrusters, updated 10/02comparison with HEMP thrusters, updated 10/02
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References:
1) A. Smirnov et al., ”Parametric Investigations of Miniaturized Cylindrical and Annnular Hall Thrusters”, International Electric Propulsion Conference IEPC 2001, Pasadena.2) A.I. Bugrova et al., ”Design and Experimental Investigation of a Small Closed Drift Thruster”, International Electric Propulsion Conference IEPC 2001, Pasadena.3) J.D. Filliben, ”Electric Thruster Systems”, Chemical Propulsion Information Agency, June 1997
Comparison of HEMP thruster with Comparison of HEMP thruster with smallsmallHall effect Thrusters (HET)Hall effect Thrusters (HET)
Comparison of HEMP thruster with state of the art Comparison of HEMP thruster with state of the art Hall effect and grid ion thrusters Hall effect and grid ion thrusters
Data source J.D.Data source J.D.FillibenFilliben (1997); IEPC Conferences up to 2001 and TEDG(2002) (1997); IEPC Conferences up to 2001 and TEDG(2002)
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TEDG hollow cathode neutraliser TEDG hollow cathode neutraliser based on space proven based on space proven
W/Os mixed metal cathode technologyW/Os mixed metal cathode technology
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•• Dimensions: Dimensions: φ φ 20 mm x 25 mm length20 mm x 25 mm length
•• Mass: Mass: 30 g30 g
•• Performance: stable operation at Performance: stable operation at
–– low gas consumption < 0.2 sccm (~ 0.02 mg/s) low gas consumption < 0.2 sccm (~ 0.02 mg/s)–– low power consumption: keeper 400 mA x 17 V ~ 7 W, heater ~ 6 W low power consumption: keeper 400 mA x 17 V ~ 7 W, heater ~ 6 W–– high keeper currents >> 2000 mA possible (power supply limitation) high keeper currents >> 2000 mA possible (power supply limitation)