Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

8.3.5
Electric and Ion Propulsion
Electric propulsion, which depends on power derived from the solar panels to
produce most of the thrust, is being used in commercial missions, particularly at
GEO. The specific technologies under this category include the following:
•
ARCJET generates intense heat using between 1 kW and 20 kW of prime
power to produce a wide-field, high-energy exhaust plume using ammonia
as the elemental fuel. The engine incorporates a nozzle to control the exhaust
plume (while the other electric propulsion technologies, discussed below, do
not). I
sp
available is in the range of 500 to 800 seconds, and thrust level is
approximately one order of magnitude below (1/10) that of hydrazine.
•
Pulsed plasma thruster (PPT) utilizes Teflon propellant to provide over
1,000 seconds of I
sp
while operating at power levels of 100–200W. Thrust
can be conveniently adjusted by varying the pulse rate. PPTs have demon-
strated thrust levels of only three orders of magnitude below (1/1,000)
standard hydrazine thrusters.
•
Hall thruster (HT) uses a low-pressure propellant gas that supports an electric
discharge between two electrodes. A radial magnetic field generates a Hall-
effect current that reacts with the magnetic field to place a force on the
propellant in the downstream direction [4]. These devices are developed and
produced in Russia and deliver I
sp
of the order of 1,600 seconds.
•
Ion propulsion is not a new technology; devices in this class have existed
since the early 1960s. Ion propulsion carries very little fuel, relying instead
on acceleration of a plasma to very high velocity. I
sp
up to 3,000 seconds
at a power of 1 kW represents the potential. Current devices deliver about
2,500 seconds and are capable of operating throughout a typical GEO
mission of 15 years. Thrust level is quite low, requiring that the thruster be
operated for extended periods at a time to provide sufficient velocity deltas.
The basic arrangement of an ion thruster is shown in Figure 8.20. That particu-
lar model ionizes elemental Xenon gas propellant to form a charged plasma. Thrust
is produced by accelerating the plasma in an intense electric field, causing gas
molecules to be expelled at high velocity. The thruster nozzle can be directed along
two axes to facilitate precise pointing of the entire spacecraft. Typically, a pair of
thrusters and control systems ensure redundancy. It can be attractive to use ion
propulsion to augment the launch rocket for raising the final orbit because the I
sp
of ion propulsion is substantially higher than any chemical system. The consider-
ation here is the extra time (typically months) needed to achieve final orbit because
of the low thrust force afforded by ion propulsion compared to chemical systems.
In GEO systems, being able to maintain orbit position throughout its life is
critical to a satellite’s operating success. There are significant benefits to reducing
the weight of stationkeeping fuel, which represents a substantial part of the mass
to be delivered to orbit. Even in the absence of stationkeeping, electric propulsion

---

8.3
Spacecraft Bus Subsystems
279