Vacuum Challenges for Ion Thruster Testing: Advanced cryogenic solutions for xenon pumping. (18th August 2020)

• Record Type: Journal Article
• Authors: Lausberg, Stefan
• Is Part Of: Vakuum in Forschung und Praxis. Volume 32:Number 4(2020)
• Page Start: 22
• Page End: 28
• Publication Date: 2020-08-18
• Subjects: Vacuum technology -- Periodicals; 621.55
• DOI: 10.1002/vipr.202000741
• Languages: English
• ISSNs: 0947-076X

Abstract

Summary: Electrical propulsion is the keyword for nowadays movement of space vehicles. Ionized particles, usually xenon ions, are accelerated by thrusters in an electric field. State‐of‐the‐art xenon thrusters emit a gas flow of 0.1 to 10 mg/sec. In order to maintain a high vacuum pressure at this flow in thruster test chambers, a large pumping speed is required, often in the range of 10'000 to 100'000 l/s for xenon. The advantage of a large ion mass for the propulsion system is a major challenge for vacuum pumps. Leybold has developed an optimized and simple cryogenic solution for Xe pumping. Strong single‐stage Gifford‐McMahon type cold heads carry metal discs which condense the Xe gas with a pumping speed at the edge of the theoretical limit. In this work, we will present the whole vacuum system for a thruster testing facility. Zusammenfassung: Vakuumtechnologische Herausforderungen bei der Entwicklung von Ionentriebwerken – Lösungen mittels moderner Kryotechnik „Electric Propulsion" ist das Schlüsselwort beim Antrieb von modernen Raumfahrzeugen. In den Triebwerken werden ionisierte Teilchen, meist Xenon‐ (Xe‐) Ionen, im elektrischen Feld beschleunigt und ausgestoßen. Hochmoderne Xe‐Triebwerke emittieren einen Gasstrom von 0, 1 bis 10 mg/sec. Um bei diesem Gasfluss in den Prüfkammern der Triebwerke gute Vakuumbedingungen aufrechtzuerhalten, ist ein großes Saugvermögen der eingesetzten Pumpen erforderlich. Für Xe liegt es oft im Bereich von 10 000 bis 100 000 l/s. Der Vorteil einer großen Ionenmasse für den Antrieb stellt eine große Herausforderung für Vakuumpumpen dar. Leybold hat eine optimierte und einfache auf Kryotechnik beruhende Lösung für das Pumpen von Xe entwickelt. Starke einstufige Kaltköpfe vom Typ Gifford‐McMahon tragen Metallscheiben, die das Xe‐Gas mit einem Saugvermögen am Rande des theoretisch Machbaren kondensieren. In dieser Arbeit stellen wir das gesamte Vakuumsystem für eine Ionentriebwerk‐Testanlage vor.