Development of a Vectored Electrospray Thruster for Nanosatellites

Abstract

Abstract: Next-generation nanosatellite missions, such as autonomous rendezvous and docking operations, nanosatellite constellations and formations, deep space laser communication, and space-based telescopes, will require precise linear impulse and torque bits for optimized attitude and trajectory control. To address this requirement, a Vectored Electrospray Thruster (VET) that provides high-resolution multi-axis attitude actuation via thrust vector control is currently being developed at the Royal Military College of Canada Advanced Propulsion and Plasma Exploration Laboratory (RAPPEL). The VET employs arrays of linear porous wedge emitters and uses pulse-width modulation to produce stepped emission differentials across the nanosatellite propulsion plane. A two-emitter prototype offering single-axis attitude actuation was developed to validate the thruster concept. A custom power processing unit was built to generate the high-voltage rails necessary for electrospray emission and measure the power consumed by the thruster, while a complementary diagnostics suite was used to characterize the thruster performance. The experimental campaign was bolstered with analytical modeling of the emission profile, which was used to estimate the thrust profile and inform the thruster design. The prototype was tested in the RAPPEL high-vacuum chamber and successfully demonstrated pulsed electrospray emission as well as sequential and simultaneous operation of two emitters, ultimately validating the VET concept. -------- Résumé: Les missions de nanosatellites de nouvelle génération, telles que les opérations de rendez-vous et d'amarrage autonomes, les constellations et formations de nanosatellites, la communication laser dans l'espace lointain et les télescopes spatiaux, nécessiteront des bits d'impulsion et de couple linéaires précis pour un contrôle optimisé de l'attitude et de la trajectoire. Pour répondre à cette exigence, un propulseur à électropulvérisation vectorielle (VET) qui fournit un actionnement d'attitude multi-axes à haute résolution via un contrôle vectoriel de poussée est actuellement en cours de développement au Laboratoire de propulsion avancée et d'exploration de plasma (RAPPEL) du Collège militaire royal du Canada. Le VET utilise des réseaux d'émetteurs linéaires à coins poreux et utilise la modulation de largeur d'impulsion pour produire des différentiels d'émission échelonnés sur le plan de propulsion du nanosatellite. Un prototype à deux émetteurs offrant un actionnement d'attitude sur un seul axe a été développé pour valider le concept de propulseur. Une unité de traitement de puissance sur mesure a été construite pour générer les rails haute tension nécessaires à l'émission d'électrospray et mesurer la puissance consommée par le propulseur, tandis qu'une suite de système de diagnostic complémentaire a été utilisée pour caractériser les performances du propulseur. La campagne expérimentale a été renforcée par une modélisation analytique du profil d'émission, qui a été utilisée pour estimer le profil de poussée et éclairer la conception du propulseur. Le prototype a été testé dans la chambre à vide RAPPEL et a démontré avec succès l'émission d'électronébulisation pulsée ainsi que le fonctionnement séquentiel et simultané de deux émetteurs, validant finalement le concept VET.