Development of a Novel Concept of Feeding System for Iodine Hall Effect Thrusters

[EN] This work is framed in the Technology Research Project of the European Space Agency. The development and testing of a feeding system for Iodine-fed Hall Effect Thrusters is described. The evolution of this type of electric thrusters, driven by the use of Iodine, represents the new challenge in the space propulsion field. The change in propellant from more traditional Xenon gas to solid Iodine yields the advantage of high density, low pressure propellant storage but introduces new requirements that must be addressed in the design and operation of the feeding system. The system must be modified from previously-flown xenon feeding system, as well as the material choice, to make it compatible with Iodine vapor, which is a halogen and then corrosive with respect to the material used in the space industry. The physical steady model for the previous architecture of the University of Pisa, Central Cartridge Side Heating (CCSR®), is verified developing a dynamic thermal-fluid model. A new feeding system, Hollow Cartridge Central Heating (HCCR®), is developed at the Department of Civil and Industrial Engineering – Aerospace Section. Starting from the current architectures, aspects as the maximum power and compactness have been improved using no moving parts. The novel architecture has been designed from a dynamic thermal-fluid model to manufacturing and testing setup. The feeding system produces iodine vapor in the propellant reservoir through sublimation, driven by an electric resistance, and then controls the flow to the anode and cathode of the thruster using a control valve, immediately outside the reservoir, and a thermal throttle, which provides a fine mass flow rate control. Material compatibility has been studied at the Department of Chemistry and Industrial Chemistry. Performed materials testing has indicated that several materials may be acceptable for prolonged contact with iodine vapor. A propellant loading procedure is presented that aims to minimize the contaminants in the feeding system and propellant reservoir. Finally, 10-hour duration test being performed to gain experience operating the feeding system at a nominal conditions of 1mg/s mass flow rate and throttling operations is discussed. [IT] Questo documento è parte del Technology Research Project dell’Agenzia Spaziale Europea. E ́ descritta la progettazione di un sistema di alimentazione per propulsori elettrici ad effetto Hall alimentati a Iodio. L’evoluzione di questo tipo di propulsori elettrici, condotta dall’utilizzo dello Iodio, rappresenta la nuova sfida nel campo della propulsione spaziale. La sostituzione del propellente dal più comune Xenon, trasportato come gas, allo Iodio, trasportato in forma di cartuccia solida, produce vantaggi in termini di quantità di propellente trasportabile ed assenza di sistemi di pressurizzazione ma introduce nuovi requisiti che devono essere affrontati nella progettazione. Il sistema deve essere modificato dalla precedente versione che usa Xenon, principalmente nella scelta dei materiali, in modo da renderlo compatibile con il vapore di Iodio che appartiene alla classe degli alogeni e quindi corrosivo rispetto ai materiali di uso comune nel settore spaziale. E ́ stato verificato il modello fisico stazionario della precedente architettura, il Central Cartridge Side Heating (CCSH®) dell’Università di Pisa, sviluppando un modello termofluidodinamico. E ́ stato sviluppato un nuovo sistema di alimentazione, Hollow Cartridge Central Heating (HCCH®), al Dipartimento di Ingegneria Civile ed Industriale – Sezione Aerospaziale. Basandosi sulle architetture esistenti sono stati migliorati aspetti come ingombri, massima potenza ed è stata esclusa la presenza di meccanismi. La nuova architettura è stata progettata partendo da un modello termofluidodinamico fino alla progettazione per la costruzione e la configurazione delle prove in laboratorio. Il sistema di alimentazione produce vapore di Iodio nel serbatoio attraverso la sublimazione della cartuccia di propellente, che avviene grazie al calore ceduto da una resistenza elettrica. Successivamente il flusso di vapore viene regolato verso l’anodo ed il catodo del propulsore usando una valvola di controllo, posta immediatamente dopo l’uscita del serbatoio, ed un thermal throttle, che provvede alla regolazione fine della portata. La compatibilità dei materiali è stata affrontata al Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale. Le prove in laboratorio hanno indicato che molti materiali risulterebbero idonei al contatto prolungato con il vapore di Iodio. E ́ presentata una procedura di caricamento del propellente che riduce al minimo i contaminanti nel sistema di alimentazione e nel serbatoio, nonché all’interno della cartuccia stessa. Infine, sono state esaminate prove in laboratorio della durata di 10-ore che hanno consentito di acquisire esperienza sul funzionamento del sistema di alimentazione a condizioni nominali di portata di massa di 1 mg/s e in condizioni di throttling per verificare le prestazioni richieste