Integration and testing of a plasma thruster in a CubeSat Test Platform

The large growth of the number of CubeSats launched in the last decade proves the great interest of the space industry in this segment and the increased mission scope these systems may accomplish. Equipping these spacecrafts with a propulsion system would increase their mission envelope, including the opportunity to adjust orbital parameters or compensate drag. Multiple companies have been founded to offer a solution to this issue, many proposing electric propulsion systems, which can be miniaturized and have large specific impulse with respect to cold gas or monopropellant thrusters. However, the integration of an electric propulsion system entails evaluations about communications, power supply, electrical interfaces, thermal dissipation, electromagnetic interferences (EMI). To ease the integration and investigate the above-mentioned issues between a spacecraft and an electric propulsion system, a CubeSat Test Platform (CTP) has been designed by Politecnico di Torino, integrated and tested with T4i's Regulus Magnetically Enhanced Plasma Thruster (MEPT). The CTP is now delivered to ESA Propulsion Laboratory (EPL) at ESTEC, where it will be available to test the integration of other propulsion systems. Two main test campaigns have been performed, the former at University of Padova CISAS laboratory, the latter at ESA's EPL to definitely validate the CTP. Both involved communications and functional tests in atmosphere, on a test bench, and four firing sessions: two of them 15 minutes long, at low and mid thruster power, and two long duration ones till the thruster switched off automatically due to internal safeties, again at low and mid power. Thus, complexity and duration of the tests were incremented stepwise. The successful integration and testing of Regulus thruster with the CTP demonstrates the ability of the CTP of commanding a firing sequence and transmitting telemetry from the thruster to its control station. The above-mentioned interface issues were dealt with and solved, validating the CTP as a tool to facilitate integration between an electric propulsion system and a CubeSat.

Il grande aumento del numero di CubeSat lanciati nell'ultimo decennio dimostra il grande interesse dell'industria spaziale in questo segmento e l'incremento degli obiettivi che questi sistemi possono realizzare. Equipaggiare questi satelliti con un sistema propulsivo aumenterebbe le capacità della loro missione, con la possibilità di regolare i parametri orbitali o compensare la resistenza dell'aria. Molteplici aziende sono state fondate per offrire soluzioni in quest'ambito, diverse delle quali basate su propulsori elettrici, che possono essere miniaturizzati e offrono un elevato impulso specifico rispetto a propulsori a gas freddo o monopropellente. Tuttavia, l'integrazione di un sistema di propulsione elettrica richiede valutazioni riguardo le comunicazioni, l'alimentazione, le interfacce elettriche, la dissipazione termica, le interferenze elettromagnetiche (EMI). Per facilitare l'integrazione tra un CubeSat e un sistema di propulsione elettrica e analizzare le problematiche appena descritte, una CubeSat Test Platform (CTP) è stata progettata dal Politecnico di Torino, integrata e testata con il propulsore Regulus di T4i. La CTP si trova attualmente all'ESA Propulsion Laboratory (EPL) presso ESTEC, dove sarà disponibile per testare l'integrazione di altri propulsori. Due campagne di test principali sono state portate a termine, la prima presso il laboratorio CISAS dell'Università di Padova, la seconda, di validazione, presso l'EPL dell'ESA. Entrambe hanno previsto test di comunicazione e funzionali in atmosfera e su un banco di prova, e quattro sessioni di sparo: due di 15 minuti, a bassa e media potenza, e due di lunga durata fino allo spegnimento automatico del propulsore a causa delle sicure interne, sempre a bassa e media potenza. Così, si è aumentato gradualmente la complessità e la durata dei test. L'integrazione e i test del propulsore Regulus con la CTP dimostrano la capacità della CTP di comandare una sequenza di accensione e di trasmettere la telemetria dal propulsore alla sua stazione di controllo. I problemi d'interfaccia precedentemente menzionati sono stati affrontati e risolti, validando la CTP come strumento per facilitare l'integrazione tra un sistema di propulsione elettrica e un CubeSat.