Sun Devil Satellite Laboratory

Pulsed Plasma Thruster & Space‐Rated Vacuum Chamber Project 2016‐17 Report

1 

 

 

 

Pulsed Plasma Thruster Project    

 

Above: An artist's rendering of a pulsed plasma thruster (PPT) in operation on a cubesat. 

      Faculty Mentor: Dr. Daniel White, School for Engineering for Matter, Transport & Energy   Project Lead: Aditya Khuller   Team Members: Adam Wong, Aronne Travaglia, Edward Vinciguerra, Gargi Kailkhura, Jairaj Mehta, Jenna Moore, Joseph Mayer, Michael Zhang, Ramit Gupta, Raymond Barakat, Tyler Lanes 

2 

 

 

Project Summary   

Pulsed Plasma Thrusters (PPTs) are high­specific­impulse, low­power electric thrusters. Pulsed plasma                     

thrusters are ideal for applications in small spacecraft for attitude control, precision spacecraft                         

control, and low­thrust maneuvers. Ablative PPTs using solid propellants provide mission benefits                       

through system simplicity and high specific impulse. These systems exploit the natural properties of                           

plasma to produce thrust and high velocities with very low fuel consumption. Current PPT systems                             

utilize a fairly low pulse­energy density. This project aims to increase the efficiency of conventional                             

PPTs, by developing and designing innovative power processing systems in a cost­efficient manner. An                           

igniter­less unit will preclude the most common failure mechanism, which is a life­limiting component                           

in most thrusters. 

  

Additionally, the PPT project under consideration will operate at relatively high vacuum pressure                         

compared to GEO altitude, although a space­rated vacuum chamber system is simultaneously                       

designed and assembled for use of this project and to serve as an asset for the Sun Devil Satellite Lab                                       

for future testing and data collection. This feature (the PPT can operate at relatively high vacuum                               

pressure) will serve to expand the operational envelope of the PPT for very LEO applications,                             

especially useful for small spacecraft platforms with typically low ballistic coefficients. 

 

 

 

 

3 

 

 

 

Introduction   

Within the electric propulsion community, there is an increasing interest in the development of small                             

electric thrusters to provide primary propulsion and attitude control, especially in a configuration that                           

is suitable for integration in the cubesat platforms. This project is aimed at using a relatively high                                 

pulse­energy density to ablate the solid Teflon fuel directly, without the use of an igniter, to increase                                 

the lifetime of the thruster system exponentially. Unconventional power processing systems                     

(non­standard circuit designs and techniques) will also be developed to increase efficiency, reduce                         

thermo­electrical power­losses and increase mobility capabilities for the small spacecraft platform,                     

thereby allowing for more dynamic missions, where the PPT can serve to be used as a primary                                 

propulsion system for interplanetary travel as well as attitude control for Earth­orbiting missions. 

  

The project will also serve to utilize existing assets and run concurrently with research being done by                                 

and within the Sun Devil Satellite Laboratory, including an existing vacuum chamber and further                           

develop bench­top test equipment, like an Attitude Determination and Control System Test Bed. 

  

This project is aligned with ASU’s Ira A. Fulton Schools of Engineering’s research theme of energy, by                                 

innovating new electrical and electronic power processing systems aimed at increased efficiency and                         

lower thermo­electric power losses. 

  

 

 

 

 

 

 

4 

 

 

 

Deliverables/Objectives   

The specific objectives of this project are: 

  

● ·  Power Processing Unit Design Characterization 

A complete, innovative and cost­efficient circuit design that incorporates a type of fly­back                         

transformer and switching system to ensure low power losses and high energy output. 

● ·  Demonstration of Burn­on (Live and Audio­Video Recording) 

A recorded and live demonstration of the thruster will be held, to observe charge, discharge and burn                                 

to characterize efficiency, thrust and power statistics. 

● ·  Mechanical Designs for Thruster Head, Test­bed and Performance Measurement                 

Tools 

Engineering drawings and mechanical designs for the thruster (including all its components), the                         

test­bed and necessary performance measurement tools and equipment. 

● ·  Asset for Future Testing/Flight 

The PPT design, along with all of its components, can be modified, and altered for different sizes and                                   

scientific applications in the future, to help foster further innovation in producing higher efficiency                           

designs. The Sun Devil Satellite Lab has a provisional agreement with Orbital ATK, in Chandler, Arizona                               

for possible cubesat launches in the near future. This work can be utilized for attitude control for such                                   

platforms.   

 

 

 

 

 

5 

 

 

 

 

 

Project Timeline 

● May 20th, Under the supervision of our project mentor, Dr. White,  club members worked on 

characterizing a Power Processing Unit design for the thruster, consisting of a transformer, 

rectifying circuit, voltage multiplier and a switching device to charge and discharge the main 

capacitor bank.  

● June 10th,  club members will design CAD models of the inlet flange interface for the Diffstak 

Diffusion pump into the vacuum chamber as well as a thruster head­switch­vacuum chamber 

interface to connect the PPT to the chamber. 

● June 15th, club members will connect the Edwards Diffstak 63/150M diffusion pump and the 

Edwards RV5 roughing pump to the vacuum chamber that we built using a series of valves and 

test and record vacuum values using the DVG­64 digital vacuum gauge. 

● July 15th, club members will construct a functioning PPT prototype. 

● August 20th , club members will begin data analysis of characteristic current waveforms to 

measure thrust and efficiency. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

6 

 

 

Project Expenses 

 

Expense #1  (Expense Title) Line Item #  Line Item Name  Expensed 

1  Digital Pressure Gauge  $193 

2  KF25 Vacuum Hose  $159.9 

3  KF25 4­Way Cross  $121.8 

4  KF25 Clamp  $38.75 

5  KF25 Flange O­Ring  $34.75 

6  Vacuum­Isolation Angle Valves  $340.57 

7  Vacuum Oil  $22.00 

8  Copper Rods   $10 

9  Copper Tubes  $30 

10  PTFE (Teflon) Rods   $10 

11  Edwards RV5 Roughing/Backing Pump  $736.485 

12  Edwards Diffstak 63/150P Diffusion Pump  $861.485 

13 PPU Parts (Capacitors, Circuit Boards, Resistors, Wiring, IGBT Switch)  $200 

     

Total Cost   $2758.74 

 

 

Raytheon Funding Log­2015­16 (last year) Expense Item   Expense Item Name  Awarded  Expensed 

1  Raytheon Funding  $3000  $2758.74 

 

 

 

 

7 

 

 

Project Description 

The funds from Raytheon utilized for the Pulsed­Plasma Thruster project this semester acquired 

all components necessary for the vacuum pumping system, its connections/adapters, a digital 

pressure gauge, the thruster head materials, and the Power­Processing Unit electronics. With 

all these parts purchased, a PPT prototype will be able to be designed, created, and tested.  

The vacuum system consisting of all valves, pumps, etc. will be able to simulate low­earth orbit 

conditions desired to test a PPT. We needed to purchase an Edwards RV5 backing pump (used) 

with an Edwards Diffstak 63/150m diffusion pump (used) . This was an unforeseen event 

(switching pumps) because we needed a backing and diffusion pump that were compatible with 

each other, which we did not have originally. The reason this occurred was because the 

members working on the project previously were unaware of the two pumps incompatibility. 

After much research and analysis, we decided on the two previously mentioned pumps due to 

their low­cost, compatibility, and our access to the manufacturer. The digital pressure gauge 

will be connected and our overall pressure will be determined.  

Below (from left to right): Edwards Diffstak 63/150m, Edwards RV5, SDSL­built vacuum chamber 

 

 

8 

 

 

Figure – Block/Stage Diagram of Benchtop Power Processing Unit (PPU) for the SDSL Pulsed 

Plasma Thruster 

 

 

 

 

 

 

The PPU could be considered to be one of the most important aspects of the PPT project 

because without it, we would have no power, no discharge and therefore no thrust.  A voltage 

converter circuit has been designed using low cost components and is in the process of being 

simulated, analyzed, and then built. The process of designing the correct circuit with the right 

characteristics has taken a while but after much consideration a schematic for the circuit 

diagram was created under the direction of our mentor Dr. White, an expert in electric 

propulsion. 

 

 

 

9 

 

 

Above: An engineering drawing of the PPT Thruster head. 

The thruster head materials purchased include the copper rods, tubing and teflon (PTFE) tubing. 

We will have three uniquely dimensioned thruster heads each with more than two physical 

models by developing CAD models that will be machined and integrated within the system. This 

should provide us with enough room to test under varying and controlled conditions. 

Impact of Project Funding 

The Raytheon funding SDSL received this year has had a large impact on the club this year and 

for the years to come. It has allowed us to engage the students within the club as well as 

members of the public (through outreach events like Fulton’s DiscoverE Day and SESE’s Night of 

the Open Door) in a number of different ways this year.  

This project in particular has helped garner a lot of interest amongst old and new club 

members, and has significantly boosted club member recruitment. We were able to do this by 

giving the students a number of projects that they could jump into and get some real world 

experience not found in the classroom. Skills including setting up and performing space and 

engineering experiments, learning to work together on teams and subsystem teams, using 

10 

 

 

engineering methods to design and build prototypes (by using CAD software as well as machine 

shop tools) and go beyond what is taught in class by learning about vacuum systems, their 

operation as well as electromagnetic processes to increase thrust and efficiency. These skills are 

paramount to learn how to be an engineer in the real world, with real problems and real risks, 

with budgetary and engineering constraints to achieve a tangible goal.  

The Raytheon funding has also allowed us to develop two different types of test beds that will 

allow the club to perform test on new technologies for years to come. This will provide SDSL 

with the chance to be more independent.  We will no longer have to pay other organizations 

large fees to use their equipment and work around their schedule in order to get access to a 

vacuum chamber so that we may test our new spacecraft propulsion system.  

By developing our own in­house vacuum chamber and testing facilities, SDSL can then allow At 

a smaller organizations (like other clubs, and even nearby high schools) a chance to get their 

hands onto our testing equipment for their projects under our supervision. 

  

Evaluation Methods/Quantifiable Data Plan 

Our Pulsed Plasma Thruster and  space­rated Vacuum Chamber system will be ready for use by 

end­August 2016. Using quantifiable methods of data analysis by using current waveforms, we 

expect to be able to make alterations to our PPT design to eventually miniaturize it to the point 

where it can be incorporated onto cubesat platforms on future SDSL missions. 

 

Future Planning/Outreach 

The Sun Devil Satellite Laboratory has put itself into a great position to expand its horizons in the next few years. On April 6, 2016, NASA announced that SDSL’s Phoenix mission had been chosen to be fully funded and launched by NASA. The Sun Devil Satellite Laboratory is currently leading a highly qualified team of  undergraduate students (including those working on the Pulsed Plasma Thruster project) at Arizona State University, for the Phoenix mission, working under highly experienced faculty like Dr. Judd Bowman (PI) and Dr. Philip Christensen, a NASA veteran scientist and ASU Regents Professor. In short, the mission consists of utilizing an infrared camera­equipped 3U cubesat to measure the effects of the heat island phenomenon in different cities across the world.    

11 

 

 

Below (left to right): SDSL’s NASA­funded Phoenix mission incorporates many aspects of science and engineering for undergraduate students to learn from; SDSL’s AIAA Cansat competition also encompasses building, designing, flying and successfully recovering an integrated circuit module while recording flight data.  

  Similarly, The AIAA annual CanSat competition has given us a great base to build on. It has provided us with a yearly, multidisciplinary project that involves building, designing, flying and successfully recovering an integrated circuit module while recording flight data.    Networking within Arizona State University, industry, and government entities is the key to the future of SDSL. To help us network within these areas we have developed an impressive support system within the school. With the help of three professors on campus we are working on communicating with JPL, NASA, and industry leaders through the ASU NewSpace initiative. We hope from this communication we can get a better understanding of what these organizations are looking for in a student organization and what we can do to better appeal to them. By better understanding what we can all do for each other we believe that SDSL will be able to develop a working relationship with all of these organizations.   By partnering with industrial leaders like Raytheon, we hope to be able to test our cubesat propulsion systems in orbit one day.  We are also working on implementing a k­12 program with nearby high schools to integrate their electromagnetic waves lessons (usually in Physics­II class), with an ‘Application Of’ lesson about electric propulsion to inspire them into becoming engineers by seeing real­world applications of the science that they learn about is an important step in generating future engineers and scientist.  We believe that by educating and sparking an interest in the younger generations we can ensure a bright future for space exploration and spacecraft technology. We are also considering using the popular rocketry game “Kerbal Space Program” in order to help students grasp the concepts behind launch vehicles and orbital dynamics. Our outreach team has also put together a gravity­well to demonstrate to students and members of the public the effects of gravity, in a way that they can see and perceive: with marbles and weights as planets and moons! 

12 

 

 

 Below: A demonstration of SDSL’s gravity well at ASU Homecoming 2015.    

  

We have also thought of creating a pamphlet/ brochure/ informative guide to electric 

propulsion that we can distribute at outreach events. We have also developed ties with The 

Society of Physics Students at ASU, who frequently do demonstrations of Lorentz­force 

applications so that we can expound on their demos to show students actual engineering 

applications of electromagnetic waves in space propulsion.   

13