Resistojet thruster: Reliability, thrust consistency, and manufacturability

Abstract

Small satellites need to be able to perform more complex tasks than before, which is why many of them need propulsion. Resistojet thrusters could provide suitable performance in a compact size. Resistojets heat propellant into superheated gas and let it out through a nozzle to produce force. Aurora Propulsion Technologies has been developing a very small resistojet thruster.

In this thesis two different variations of a resistojet with an internal valve were studied. A simple mathematical model of the resistojet was formulated based on ideal gas law and used for predicting performance.

The key testing methodology is a novel thrust force measurement device developed at Aurora. For this test setup, a method for calibrating the force measurement and a method for measuring the leak rate while taking into account outgassing were described.

The thruster model fit with the experiments turned out to be poor, and further development is needed, especially concerning thrust and by extension, effective exhaust velocity. The cause may have been flaws in the internal valve design, but it could not be confirmed. It remained unclear if the cracking of a ceramic coating had significant negative effect on the performance and usability. However, the resistojet thrusters have been employed onboard satellite ORB-12 Strider.

The biggest manufacturability challenges were the heating element and the internal valve. The looser fit of variation 2 compared to variation 1 improved manufacturability. During and after this study the thruster development at Aurora has progressed in terms of thrust force and consistency. In the future, the research should also continue trying to bridge the gap between simulations and experiments to find a reasonably simple still usable mathematical model of a resistojet.

Pienien satelliittien tulee pystyä suoriutumaan monimutkaisemmista tehtävistä kuin aiemmin, joten monet niistä tarvitsevat työntövoimaa. Resistojet-työntimet voisivat tarjota sopivaa suorituskykyä pienessä koossa. Resistojetit kuumentavat ajoaineen tulistetuksi kaasuksi ja päästävät sen ulos suuttimen läpi voiman tuottamiseksi. Aurora Propulsion Technologies on kehittänyt hyvin pientä resistojet-työnnintä.

Tässä opinnäytetyössä tutkitaan kahta variaatiota sisäventtiilillä varustetusta resistojet-työntimestä. Suorituskyvyn ennustamista varten resistojet-työntimestä muotoiltiin yksinkertainen matemaattinen malli käyttäen ideaalikaasun lakeja.

Keskeinen testausmenetelmä on uusi työntövoiman mittauslaite, joka on kehitetty Auroralla. Tätä testijärjestelmää varten on kuvattu menetelmä voimamittauksen kalibroimiseksi ja menetelmä vuotonopeuden mittaamiseksi ottaen huomioon aineiden haihtuminen pinnoilta.

Työntimen mallin yhteensopivuus koetuloksiin osoittautui huonoksi, ja jatkokehitystä tarvitaan erityisesti työntövoiman ja sitenmyös pakokaasun efektiivisen nopeuden osalta. Syynä saattoi olla puutteet sisäventtiilin suunnittelussa, mutta sitä ei voitu vahvistaa. Jäi epäselväksi, oliko keraamisen pinnoitteen halkeilulla merkityksellinen negatiivinen vaikutus. Tästä huolimatta näitä resistojet-työntimiä on käytetty ORB-12 Strider -satelliitissa.

Suurimmat valmistettavuuden haasteet olivat lämmityselementti ja sisäventtiili. Variaation 2 löysempi istuvuus verrattuna variaatioon 1 paransi valmistettavuutta. Tämän tutkimuksen aikana ja sen jälkeen työntimien kehitys Auroralla on edistynyt työntövoimassa ja tasaisuudessa. Tulevaisuudessa tutkimuksen kannattaisi jatkaa simulaatioiden ja kokeiden välisen kuilun kaventamista, jotta löydetään kohtuullisen yksinkertainen, mutta edelleen käyttökelpoinen resistojet-työntimen matemaattinen malli.