Feasibility study of a high performance Microwave Electrothermal Thruster operating with nitrous oxide

Electric thrusters are nowadays acquiring increasing importance in the field of space propulsion, especially for activities of orbit raising, station keeping and attitude control. The Microwave Electrothermal Thruster (MET) is a relatively new electrothermal propulsive device which has emerged among other technologies because of its technological simplicity, the prospect of a higher reliability and thruster lifetime, and its capability of operating on different propellants and different power ranges. A feasibility study of a MET operating on nitrous oxide (N2O), with input power ranging from 1 to 5 kW, and an objective specific impulse larger than 750 s is performed via a critical literature review, a chemical equilibrium model and a global plasma model. A critical literature review is carried out in order to demonstrate that the thruster can run with N2O and input power 1-5 kW. A chemical equilibrium model of N2O, accounting for dissociation and ionization, is used to compute the working conditions needed to achieve a specific impulse of 750 s. It is found that the propellant should be heated above 19500 K, corresponding to an input specific energy of 170 MJ/kg. These values are not supported by experiments available in the literature, which show a maximum specific impulse of 209 s at 5 MJ/kg. A thruster efficiency of 15% is calculated. Then, a global model is implemented in order to improve the previous results, by considering the plasma medium. The model is first applied to an argon plasma, simpler to treat than N2O, at different power levels, pressures, frequencies, and flow rates. Chamber temperature reaches a maximum of approximately 10000 K, independently of external parameters and producing a maximum specific impulse of 300 s. Efficiency ranges from 100% to 10%. These findings are in good agreement with the equilibrium model results, suggesting the possibility of employing it to get a first estimate of the propulsive performances with N2O. A possible way of extending the model to N2O is proposed too. Finally, a guideline for future work is provided focusing especially on the need of modelling the N2O plasma discharge along with plasma volume variation, the latter being the most critical open point.

I propulsori elettrici stanno diventando sempre più importanti nel campo della propulsione spaziale, per mantenimento o trasferimento dell'orbita, e controllo d'assetto. Il Microwave Electrothermal Thruster è un dispositivo elettrotermico relativamente recente che si è distinto tra le altre tecnologie per semplicità, elevata affidabilità, maggior tempo di vita, e la prospettiva di funzionamento con vari propellenti e potenze. Uno studio di fattibilità del MET è stato condotto attraverso una revisione della letteratura, un modello di equilibrio chimico, e uno globale del plasma considerando come propellente il protossido di azoto (N2O), potenze d'ingresso variabili tra l'1 e i 5 kW, allo scopo di superare un impulso specifico di 750 s. La revisione ha l'obiettivo di dimostrare che il propulsore possa funzionare con N2O e potenze d'ingresso di 1-5 kW. L'implementazione di un modello di equilibrio chimico, che include sia le dissociazioni che le ionizzazioni, ha permesso di ottenere le condizioni necessarie a raggiungere i 750 s. Si è dimostrato che il propellente dovrebbe raggiungere temperature di 19500 K, nonchè un'energia specifica in ingresso di 170 MJ/kg. Tali valori non sono compatibili con i dati sperimentali riportati in letteratura, in cui viene indicato un impulso specifico massimo di 209 s a 5 MJ/kg. Un'efficienza di spinta del 15% è stata calcolata. Successivamente, un modello globale che includa il plasma è stato implementato al fine di perfezionare i risultati. Il modello è stato dapprima applicato all'argon, data la sua semplicità rispetto all'N2O, variando la potenza in ingresso, pressione, frequenza, e portata. La temperatura raggiunge un massimo di circa 10000 K, indipendentemente dai parametri esterni e producendo un impulso specifico di 300 s. L'efficienza varia tra il 10% e il 100%. Questi valori sono in accordo con i risultati del modello di equilibrio chimico. Pertanto, una prima stima delle prestazioni del MET con N2O può essere ottenuta utilizzando il primo modello. Inoltre, si propone un modo per estendere il modello globale all'N2O. Infine, una linea guida per la prosecuzione del lavoro è stata tracciata, partendo dalla necessità di modellare un plasma di N2O e variazioni del suo volume, essendo quest'ultimo il punto mancante più critico del modello attuale.