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Cleveland, OH

Xenon Ion Propulsion for Orbit TransferV.K. Rawlin, M.J. Patterson, andR.P. GruberNASA Lewis Research Center

AIAAIDGLWJSASS --'21st International E lectric Propulsion Conference

July 18-20, 1990 / Orlando, FL~ rermission to copy or republish, contact the American Institute of Aeronautics and Astronautics70 L'Enfant Promenade, S.W., Washington, D.C. 20024

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V . K . R a w l i n , M. J. P a t t e r s o n , a n d R . P. GruberNASA Lewis Research CenterC l e v e l a n d , OH

ABSTRACTF o r mo re t h a n 3 0 y e a r s , NASA ha s c o n d u c t e d a n i o n p r o p u l s i o n p r o g r a mw h ic h h as r e s u l t e d i n s e v e ra l e x p e r i m e n ta l s p ac e f l i g h t d e m o n s t r a t i o n sa nd t h e d e v e lo p m en t o f many s u p p o r t i n g t e c h n o l o g i e s . T e c h n o l o g i e sa p p r o p r i a t e f o r g eo sy nc hro no us s t a t i o n k e e p i n g , E a r t h - o r b i t t r a n s f e rm i s s io n s , a nd i n t e r p l a n e t a r y m i s s i o n s h av e b ee n d e f i n e d a n d e v a l u a t e d .The s t a tu s o f c r i t i c a l i o n p r o p u l s io n s y s te m e le me nt s i s r e v i ew e d i n t h i sp a pe r . E l e c t r o n bombardment i o n t h r u s t e r s f o r p r i m a r y p r o p u l s i o n h av ee v o l v ed t o o p e r a t e o n x en on i n t h e 5-10 kW p o we r r a n ge . T h r u s t e re f f i c i e n c i e s o f 0 . 7 a nd s p e c i f i c i m p u l s e v a l u es o f 4 00 0 s ha ve beend oc um en te d. T he b a s e l i n e t h r u s t e r c u r r e n t l y u n d e r d e v el o p me n t b y NASALeRC i n c l u d e s r i n g - c u s p m a g n e t ic f i e l d p la sm a c o n t a in m e n t a n d d i s h e dt w o - g r i d i o n o p t i c s . Based o n p a s t e x p e r i e n c e a nd d e m on s tr a te ds i m p l i f i c a t i o n s , p ow er p r o c es s o rs f o r t h e s e t h r u s t e r s s h o u l d h av ea p p r o x i m a t e l y 500 p a r t s , a mass o f 4 0 k g , a n d a n e f f i c i e n c y n e a r 0.94..T h r u s t v e c t o r c o n t r o l , v i a i n d i v i d u a l t h r u s t e r g im ba ls , i s a m a t ur et e c h n o lo g y . H i g h p r e s s u r e , g a se ou s x en on p r o p e l l a n t s t o r a g e an d c o n t r o lschemes, u s i n g f l i g h t q u a l i f i e d h ar d wa re , r e s u l t i n p r o p e l l a n t t a nk ag ef r a c t i o n s b et we en 0 .1 a nd 0 . 2 . I n -s p ac e an d g r ou n d i n t e g r a t i o n t e s t i n ghas d e mo n st ra te d t h a t i o n p r o p u l s i o n s ys te ms c a n be s u c c e s s f u l l yi n t e g r a t e d w i t h t h e i r h o s t s p ac e c r a f t . I o n p r o p u l s i o n s ys t emt e c h n o l o g i e s a r e ma t u r e a nd c a n s i g n i f i c a n t l y en ha nc e a n d / o r e n a b l e av a r i e t y o f m i ss i on s i n t h e n a t i o n ' s sp ac e p r o p u l s i o n p r og ra m.

INTRODUCTIONE l e c t r i c P r o p u l s i o n (EP) c a n o f f e r m a jo r b e n e f i t s f o r o r b i t t r a n s f e rm is s i on s where f a s t d e l i v e r y i s n o t e s s e n t i a l ( su c h as i n a l a u n c h ons ch ed u l e e n ~ i r o n m e n t ) . l - ~ F o r exam p le , i f a s o l a r p ow er ed , i o n b as edE l e c t r i c O r b i t T r a n s f e r V e h i c l e (EOTV) i s u se d t o p e r f o r m a n e ar -E a r th o r b i tt r a n s f e r f r o m l o w - Ea r t h o r b i t ( LE O), 4 70 0 kg i s ne ed ed i n LEO ( p a y lo a d +OTV ) . 3 T h i s c om pa re s t o t h e 1 7 ,2 0 0 k g n ee de d i f a n I n t e r i m U pp er S t a t e( I U S ) i s us e d . As i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 1, t h e s e mass s a v i n g s r e s u l t i n gf r o m t h e h i g h e r p e r fo rm an ce o f t h e e l e c t r i c u p pe r s t a ge a l l o w a r e d u c t i o n i nl au n ch v e h i c l e c l a s s ( f r o m T i t a n I V t o D e l t a 11). The t r a d e - o f f i s a l o n g e rt r a n s f e r t i m e f r o m LEO t o t h e o p e r a t i o n a l o r b i t . F o r c e r t a i n m i ss i on s , t h ep o t e n t i a l s a v i n g s a c c r u i n g f r o m t h e u s e o f a n EOTV c an e x ce e d $lOOM p e rl a ~ n c h . ~E l e c t r o s t a t i c i o n t h r u s t e r r es e a r c h i n t h e U n i t e d S t a t e s i s s u pp or te d b y t h eN a t i o n a l A e r o n a u t i c s a nd S pa ce A d m i n i s t r a t i o n ' s (NASA) O f f i c e o fA e r o n a ut i c s , E x p l o r a t i o n a nd T e c hn o l og y (OAET) a nd an d i s t e c h n i c a l l y

Copyright @ 1990 by the American Institute of Aeronauticsand Astronautics, Inc. No copyright is asserted in theUnited States under Titie 17, U.S. C o d e . T h e U.S. Govern-ment has a royalty-free license to exercise all rights under 1the copyright claimed herein fo r Governmenta l purposes .All other rights are reserved by the copyright owner.

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managed b y NASA's Lewis Research Center (LeRC) and Je t Propuls ion Labora tory( J P L ) 5 S u p p o r t i s a l s o p r o vi d ed by t h e U n i te d S t a t e s A i r F o r c e (USAF) ,t h e S t r a t e g i c D e fe ns e I n i t i a t i v e O r g a n i z a t i o n ( S D IO ) , a nd p r og ra m s w i t h i ns e v e r a l a e r o s p a c e c om p an ie s. I on p r o p u l s i o n i s a l s o b e i ng d ev e l o pe d i no t h e r c o u n t r i e s f o r many a p p l i c a t i o n s , a s s um ma riz ed i n t h e n e xt s e c t i o n .E l ement s compr i s i ng an i on p ro pu l s i o n sys t em a r e show n i n T a b l e 1 . R e ce n ts t u d i e s i n d i c a t e t h a t e l e c t r i c p r op u l si o n s ys te m e le m e nt s a r e t e c h n i c a l l yr ea dy t o be i n t e g r a t e d i n t o p r o p u l s io n s y st em s and f l i g h t d e m on s t ra t e d t oe nh an ce u s e r a c c e p t a b i 1 To d e m o n s tr a te t h i s , t h e U n it ed S t a t e s AirF or ce (USAF) i s p l a n n i n g t h e E l e c t r i c I n s e r t i o n T r a n s f e r E x p er im e n tELITE).^ The i n i t i a l ELITE pr og ra m in c l u d e d t h e i n t e g r a t i o n of 3 0 kWc l a s s ammonia a r c j e t s and 5-10 kW c l a s s xen on i o n t h r u s t e r s , a d v an ce dp h o t ov o l ta i c s o l a r a r r a y s , an a uto no mo us f l i g h t c o n t r o l s y s te m , a nd ad i a g n o s t i c s p a c k a ge . The ELITE p r o p u l s i o n s y s t e m h a s r e c e n t l y b e en s c a l e dback t o a d e m o n s t r a t i o n o f 5 kW -class a r c j e t t e c h n o l o g y . 7 However, f o rn e a r - E a r t h m i s s i o n s , i n t e r e s t i n s o l a r po wered p r o p u l s i o n s u b s y st e m s w i t hh i g h p e rf o rm a n ce , s uc h a s t h e i o n p r o p u l s i o n s u b s y st e m , s t i l l e x i s t s . *T h is pa p er d i s c u s s e s t h e s t a t u s of c r i t i c a l e l e m e n t s o f NASA's i n e r t g a s i o np r op u ls io n s y s te m s . W hile s p e c i f i c i n t e g r a t i o n p h i l o s o p h i e s ( s u c h a ss e l e c t i n g a m o du la r o r i n t e g r a t e d p r o p u l s i o n s y s t e m , pow er p r o c e s s i n gg ro un din g s t r a t e g i e s , a nd t h er m al i m p a ct s on t h e s p a c e c r a f t ) a r e e x t r em e l yi m p o rt a n t, t h e y a r e beyond t h e s c op e of t h i s e f f o r t .

BA CKG ROUNDT h is s e c t i o n p r e s e n t s a b r i e f h i s t o r i c a l o v er v ie w of i o n p ro p u l s i o n s y s te m sdeveloped i n t h e Un i te d S t a t e s , J a p a n , W est Germ an y, a n d G r e a t B r i t a i n f o rspace f l i g h t o r p r e - f l i g h t p ro g ra m s.U n i t e d S t a t e sNASA LeRC i n i t i a t e d i t s s p a c e e l e c t r i c p r o p u l s i o n p ro g ra m i n 1 9 5 7 , wh ic h l e dt o t h e d e ve lo p me nt o f t h e e l e c t r o n b om bard men t m er c ur y i o n t h r u s t e r . 9F i g u r e 2 show s a c r o s s s e c t i o n of a t y p i c a l i o n t h r u s t e r . G as eo usp r o p e l l a n t a to m s a r e i n t r o d u c e d i n t o t h e d i s c h a r g e c h am be r w he re t h e y a r ebombarded by e l ec t r o n s emi t t ed by a ho l l ow ca t h ode and c o l l e c t e d by t h ea n o de . The i o n i z a t i o n p r o c e s s i s e n h an c ed by t h e p r e s e n c e of a m a g n e t i cf i e l d , t h e d e t a i l s of w hich w i l l b e d i s c u s s e d i n a fo l l o w i n g s e c t i o n . Someof t h e e le c tr o n- a to m c o l l i s i o n s r e s u l t i n t h e c r e a t i o n o f i o n s w hic h d r i f ttow ard t h e a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d e s , w hic h a r e b i a s e d n e g a t i v e l y w i t h r e s p e c tt o plasm a p o t e n t i a l . T he se e l e c t r o d e s f o c u s and a c c e l e r a t e t h e i o n s w hic he x i t th e t h r u s t e r i n a b road beam. The i on beam i s t h en ne u t r a l i ze d by as t re a m of e l e c t r o n s e m i t t e d f ro m a n e x t e r n a l h o l lo w c a t h o d e c a l l e d an e u t r a l i z e r . F i g u r e 3 t r a c e s t h e d e ve l op m e nt o f e l e c t r o n bo mb ard men t io nt h r u s t e r t e c h n o l o g y a t NASA f ro m t h e lOcm d i a m e t e r d e v i c e f i r s t l a b o r a t o r yt e s t e d i n 1 9 6 0 . ~ ~h i s c o n c e pt was d e v e l o p e d , i n t e g r a t e d i n t o a p r o p u l s i o ns ys te m , and t e s t e d on a 47 m i nu t e b a l l i s t i c f l i g h t i n t h e S p ac e E l e c t r i cRocket Test 1 (SERT l ) . l l The t h r u s t e r t e s t l a s t e d 30 m i n u t e s a n dv e r i f i e d t h a t t h e i o n beam c o u ld b e n e u t r a l i z e d an d t h a t t h e t h r u s t p ro du ce dwas n e a r l y e q u a l t o t h a t e x p e c t e d f r o m g r ou n d t e s t m ea s ur e m en t s a ndc a l c u l a t i o n s . L a b or at o ry t h r u s t e r s , r a n g in g i n d i a m e t e r f ro m 5cm t o 150 cm ,have been f a b r i c a t e d and t e s t e d t o v e r i f y s c a l i n g r e l a t i o n s h i p s . A 15cm

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d i a me t e r t h r u s t e r was d e v e lo p ed f o r a s ec ond f l i g h t d e m o n s t r a t i on ,d e s ig n a t e d SER T 11 12s13 The SERT I 1 s y s te m was l a u n c h e d i n t o a s u ns y nc h ro n ou s 1 00 0 km h i g h p o l a r o r b i t i n 19 7 0. T he SERT I 1 i o n p r o p u l s i o ns ys te m c o n t a i n e d a l l o f t h e e l em e n ts s hown i n T a b l e 1 . T he e x te n d edo p e r a t i o n o f t h e t w o t h r u s t e r s d e mo n st ra te d l o n g t e r m s p a c e c r a f t andp r o p u l s i o n s y st em c o mp a ti b i 1 t y i n t h e g e o ce n t r i c e n v i r o n m en t .I4 Thet h r u s t l e v e l was c o n f i rm e d b y s e v e r a l me th od s, i n c l u d i n g a l t i t u d e c ha ng esa nd o nb oa rd a c c e l e r o m e t e r m e as ur em en ts .1 2 An a c c e l e r a t i n g e l e c t r o d ee r o s i o n p r ob le m, n o t e x p e r ie n ce d i n gr ou nd t e s t i n g d ue t o g r a v i t y e f f e c t s ,o cc u r re d d u r i n g t h e f l i g h t t e s t a nd t h i s s h o r t en e d t h e i n te n d e d h i g h v o l t a g eo p e r a t i n g t i m e . T h i s p r o b l e m was s u b s e q u e n tl y c h a r a c t e r i z e d an de l i m i n a t e d . l S The s o l a r a r r a y f o r SERT I 1 was t h e l a r g e s t i n sp ace a tt h a t t i m e and p r o v i d e d 12 7 0 w a t t s i n i t i a l l y an d a bo u t 80 0 w a t t s a f t e r moret h a n 11 y e a r s i n s pa ce . I n 1 98 1, t h e p r o p e l l a n t s u p p l y was e x h a us t e d a ndt h r u s t e r e x p e r i m e n t a t i o n was t e r m i n a t e d .I n 19 74 , t h e s i x t h Adv an ce d T e ch n ol og y S a t e l l i t e ( AT S-6) was l a un c h ed i n t og e o s y n c h r o n o u s o r b i t . l W h i l e t h e t w o e l e c t r o n b om ba rd me nt c e s iu m i o ne ng in es f a i l e d due t o p r o p e l l a n t fe e d s ys te m p r ob le m s, n e u t r a l i z e r o p e r a t i o nwas s a t i s f a c t o r y and d e mo n st ra te d c o n t r o l o f t h e s p a c e c r a f t p o t e n t i a l a s t h es p a c e c r a f t we nt i n and o u t o f e c l i p s e o r e x p e r i e n c e d m a g n et i c s u b st o rm s .T he s u cc e s s o f t h e S E R T 11 p ro g ra m l e d t o t h e d ev el op m en t o f a p r o p u l s i o ns ys te m u t i l i z i n g 8cm d i a m e t e r m er c u ry i o n t h r u s t e r s s i z e d f o r N o rt h - S ou ths t a t i o n k e e p i n g (NSSK) f u n c t i o n s o f s m a l l co m m un ic a ti on s s a t e l l i t e s i ng eo sy nc hr on ou s o r b i t . The I o n A u x i l i a r y P r o p u l s i o n S y st em ( I A P S ) ~ ~ wasi n t e g r a t e d as a n e x p e r i m e n t o n a p r o p o s e d USAF s p a c e c r a f t . T he s p a c e c r a f ti s c u r r e n t l y i n s to r a g e a nd t h e r e a r e n o p l a n s t o f l y i t . The f l i g h t t e s tg o a l , a f t e r e x t e n d e d g r o ~ n d - t e s t i n g l ~ , ~ ~ ,as t o s i m u l a t e a 7 y e a rs t a t i o n k e e p i n g m i ss i o n v i a d e m o n s t r a t i on o f 7000 h ou rs o f f u l l t h r u s to p e r a t i o n w i t h 2500 o n / o f f c y c l e s . The f l i g h t t e s t was a l s o i n t e nd e d t oc o r r e l a t e t h e r e s u l t s o f g ro un d and sp a ce t e s t i n g , e s p e c i a l l y i n t h e a re aso f t h r u s t e r e f f l u e n t s a nd s y s t em p e rf o r m an c e.I n a d d i t i o n t o t h e a u x i l i a r y t h r u s t e r p ro g r a m , t h e SERT I 1 t h r u s t e r was a l s os c a le d up i n s i z e and p ow er f o r t h e p e r f o r m an c e o f p r i m a r y p r o p u l s i o nf u n c t i o n s . LeRC i n i t i a t e d t h e S o l a r E l e c t r i c P r o p u l s i o n Sy ste m (SEPS)t ec h no lo g y p ro gr am i n t h e e a r l y 1 9 7 0 ' s . T h i s p r o g r a m d ev e 7o p ed t h e 3 0 cmd ia m et e r , 2 .7 kW, m e rc u ry i o n t h r u s t e r , a nd o t h e r c r i t i c a l t e c h n o l o g i e sr e q u i r e d o f a p r o p u l s i o n ~ ~ s t e m . 2 0 he c a p a b i l i t i e s o f SEPS e n a bl e da nd /o r enhanced a l a r g e c l a s s of p l a n e t a r y m i s ~ i o n s . ~ 1 he SEPSt e c h n o lo g y was t r a n s f e r r e d t o N ASA 's M a r s ha l 1 S pa ce F l i g h t C e n t e r i n 1 .980.9T hr ou gh ou t t h e 1 9 7 0 1 s , m e r cu r y was t h e b a s e l i n e p r o p e l l a n t f o r i o nt h r u s t e r s . The m a jo r a dv an ta ge s o f m e r c u ry a r e i t s h i g h m o l e c u l a r w e i g h t ,l o w i o n i z a t i o n p o t e n t i a l , s t o r a b i l i t y , a nd c o n ve n ie n t v a p o r i z a t i o n . Thesef e a t u r e s i n i t i a l l y o f f s e t t o x i c i t y , r e a c t i v i t y , a n d f a c i l i t y / s p a c e c r a f tc o n t a m i n a t i o n i s s u e s . H ow ev er , t h e s e c o n s i d e r a t i o n s ha ve m or e r e c e n t l y l e dt o i n c r ea se d i n t e r e s t i n i n e r t g a s e s f o r i o n p r o p u l s i o n f o r l a r g e n e a r - Ea r t hspace sys te m s ( L S S ) . ~ ~n e r t g as es p r o v i d e s ome p e r fo r m a nc e b e n e f i t s ,s uc h a s n e a r l y i n s t a n t a n e o u s s t a r t u p a n d s i g n i f i c a n t l y s i m p l i f i e d p ow e rp r o c es s in g , w h i c h p o s i t i v e l y i m pa c t o r b i t r a i s i n g and s t a t i o n k e e p i n gf u n c t i o n s . I n e r t g as es a r e a l s o no n c on t am i n a t in g and d o n o t r e a c t w i t h

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g ro un d o r space s ys te m e le m en ts , s i m p l i f y i n g i n t e g r a t i o n w i t h t h e s p a c e c r a f tand E a r t h - l au n c h v e h i c l e s . T he y a r e a l s o n o n t o x i c a nd n o n r e a c t i v e whenr e l e a s e d t o t h e b i o sp h e re , m i n i m i z i n g e c o l o g i c a l c o nc e r ns . B ec au se o f t h e s ec o n s i d e r a t i o n s , t h e i n e r t g as es xe no n, k r y p t o n , a nd a r g o n w er e t e s t e d i n t h eb a s e l i n e m er c ur y t h r u s t e r d e ve lo p ed f o r t h e SEPS p r 0 ~ r a m . 2 3 T he t h r u s t e rwas o p e r a te d up t o 9 kW, m ore t h a n t h r e e t i m e s i t s r a t e d p ow er l e v e l o f 2.7kW, and t h e i o n c u r r e n t e x t r a c t i o n c a p a b i l i t y was f o u nd t o s c a l e i n v e r s e l y ,a s e x pe c te d , w i t h t h e s q ua r e r o o t o f t h e p r o p e l l a n t a t o m i c m ass. B ec au se o ft h e s i m i l a r i t i e s b e tw ee n xenon and m er c ur y , t h e o p t i m a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n sw ere fo un d t o be n e a r l y i d e n t i c a l t o t h o s e w i t h m e rc ur y . W i t h t h e l i g h t e rg as es , k r y p t o n a nd a rg o n, t h e p r o p e l l a n t e f f i c i e n c y d e c re a s e d b ec au se t h et h r u s t e r h ad b ee n o p t i m i z e d f o r m e r c u r y . T he SEPS t h r u s t e r , o p e r a t e d o nxenon, became t h e b a s e l i n e e ng i ne f o r p r i m a r y i o n p r o p u l s i o n . 2 3 ~ 2 4 I na d d i t i o n t o t h e e f f o r t s a t LeRC, JPL s i m p l i f i e d t h e SEPS i o n p r o p u l s i o nsu b - sys t e m 2 0 ( B I M OD ) a n d co n ve r t e d i t t o a t w o - t h r u s t e r lOkW x en on i o np r o p u l s i o n m o du l e .2 4A x en on i o n p r o p u l s i o n s u b s ys t e m ( X I P S ) h a s a l s o b e en d e v e l o p e d b y H ug he sResearch L a b o ra t o r ie s ( H R L ) , ~ ~i t h I N T E L S A T s u p p o r t . T h i s s y s t e m wasg r o u n d t e s t e d , w i t h NASA s u p p o r t , f o r 4 3 5 0 h o u r s a n d 3 8 50 ON-OFF~ ~ c l e s . 2 6 h is t e s t s im u l a t ed o v e r 1 0 y ea rs o f s t a t i o n k e e p i n g f o r a l a r g ec om m un ic at io ns s a t e l l i t e . The XIPS t h r u s t e r i s 25cm i n d i a m e t e r an dp r o d u c e s a b o u t 64 mN o f t h r u s t . HRL h as a l s o d e s ig n e d a p r o p u l s i o n s y st emw i t h s i m i l a r t e ch n o lo g y u s i n g a 13cm d i a m e t e r t h r u s t e r . T h i s v e r s i o np r o d u c e s a b o u t 1 8 mN o f t h r ~ s t . ~JapanC o o p e r a t i o n b et w e en J a p a n ' s N a t i o n a l S pa ce D e v e l o p m e n t A g en c y ( NA SD A) , t h eN a t i o n a l A er os pa ce L a b o r a t o r y ( N AL ), a nd t h e E l e c t r o t e c h n i c a l L a b o r a t o r y(E TL) r e s u l t e d i n a s u c c e s s f u l s pa ce f l i g h t t e s t o f a s m a l l (2mN) m e r cu r yi o n p r o p u l s io n s ys te m on t h e t h i r d E n g i n e e r i n g T e s t S a t e l l i t e( ~ 1 5 - 1 1 1 ) 2 7 Based on t h e r e s u l t s o f t h a t t e s t a nd f u t u r e m i s s i o nt r a d e - o f f s , NASDA has c ho se n t o d e v e l o p a xe no n i o n p r o p u l s i o n s y s te m f o rs t a t i o n k e e p i n g w h i c h u t i l i z e s 12cm d i a m e t e r , 23mN t h r u s t e r s . 2 8D eve lopm ent o f t h i s i o n e ng in e s y s te m ( I E S ) i s a j o i n t e f f o r t b y NASDA,M i t s u h i s h i E l e c t r i c C o r p o r a t i o n (MELCO), a nd T o s h ib a . The IE S i s s l a t e d t op e r f o r m t h e NSSK f u n c t i o n s f o r ETS-VI, w h i c h i s s c h e du l e d f o r l a u n c h i n t h ee a r l y 1 9 9 01 s .2 9 E x te n s iv e t e s t i n g o f I ES c r i t i c a l e l em e nt s ha s beenc o n d uc t e d w i t h e n g i n e e r i n g m o de l h a r d w a r e a t t h e c om p on en t a nd s u b s y st e ml e v e l s . 3 0 Japan i s a l s o d e v e l op i n g a 30cm d i a m e t e r x eno n i o n t h r u s t e r f o ra u x i l i a r y p r o p u l s i o n o f LSS and f o r p r i m a r y p r o p u l s i o n o n a n O r b i t T r a n s f e rV e h i c l e ( O T V ) .West GermanyThe E ur op ea n S pa ce Ag en cy ( ES A) h a s s p o n so r e d e l e c t r i c p r o p u l s i o nd ev el op me nt p ro gr am s f o r a b o u t t wo d ec ad es , r e s u l t i n g i n xe no n i o np r o p u l s i o n sy st em s ba sed on t w o d i f f e r e n t i o n i z a t i o n p r oc e s s es . 3 1? h e R ad io fr eq ue nc y I o n T h r u s t e r A s sem bly ( R I TA ) w i l l b e t e s t e d a s a f l i g h te x p er i m en t o n t h e E ur op ea n R e t r i e v a b l e C a r r i e r (E UR EC A-I) , s c h e d u l e d f o rl a un ch i n t h e e a r l y 1 9 9 0 ~ s . 3 2 R I T A h a s a l s o b ee n p ro p o s e d a s on e o f t w o

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o p e r a t i o n a l x en on i o n s ys te ms f o r s t a t i o n k e e i n E SA 's a dv an ce dc o mm u ni ca t i on s t e c h n o l o g y s a t e l l i t e , S A T -2 .3 9 ,3 j R IT A i s c o m p r i s e d o ff l i g h t l e v e l h a r dw ar e u t i l i z i n g a lOcm d i am e t e r t h r u s t e r ( R I T- 10 ) w h i c h use sr a d i o f r e q u e n c y ( R F ) e ne rg y t o g e n e r a t e i o n s and t h e n e l e c t r o s t a t i c a l l ya c c e l e r a t e s t h e s e i o n s i n t h e c o n v e n t i o n a l m ann er . T h i s t h r u s t e r wasi n i t i a l l y d ev el op ed f o r u se w i t h m e r cu r y p r o p e l l a n t an d was t e s t e d w i t hm e r cu r y f o r 8 000 h o u r s . It h as b e en c o n v e r t e d t o u s e xe no n as t h ep r o p e l l a n t and ex te nd ed l i f e t e s t s , t o q u a l i f y i t f o r t h e 1 0 y e a r SAT-2m i s s i on , a r e s c he d ul ed t o b e g i n t h i s y e a r . West Germany i s a l s o d e v e l o p in gt h e R IT -3 5, a 35cm d i a m e t e r x en on i o n e ng i n e f o r p r i m a r y p r o p u l s i o n onp l a n e t a r y m i s s i o n s . 31G re a t B r i t a i nT he UK-10 I o n P r o p u l s i o n S u b s y s t e m I P S ) f o r SAT-2 h a s b e en d e s i g n e d a nd4o mp on en t d e v e l o p m e n t h as b e g un . 34 , I P S i s b a se d o n t h e UK-10 e l e c t r o nb om ba rd me nt x en on i o n t h r u s t e r , w h i c h e v o l v e d f r o m t h e T5 m e r c u r y i o nL i k e t h e R I T A t h r u s t e r , t h e UK-10 h a s a beam d i a m e t e r o f10cm. The UK-10 i s a n e l e c t r o n bo mba rdm en t t y p e t h r u s t e r t h a t u t i l i z e s ah o l l o w c a th o de e l e c t r o n e m i t t e r t o bom bard p r o p e l l a n t a to ms a n d g e n er a t ei o n s . T5 t h r u s t e r c om po nen ts h a ve be en t e s t e d e x t e n s i v e l y w i t h m e r cu r y andl i f e t e s t i n g w i t h xenon i s p l a nn ed .3 4 C u r r e n t l y , t h e p r og ra m s ch e du le i sd e p e n d e n t o n S A T - 2' s s c h e d u l e . 3 5 A l a r g e r i o n t h r u s t e r ( U K-25) f o rp r i m a r y p r o p u l s i o n i s a l s o b e i n g d e v e l o p ed i n E n g la n d . T he UK-25 h as a 25cmbeam d i a m e t e r a nd h a s b e e n o p e r a t e d o n m e r c u r y a n d x e n o n . 31I n sum mary, a nu mb er o f c o u n t r i e s h a v e d e v e l o p e d , a s s e mb l e d, a n d t e s t e dc o mp le te f l i g h t q u a l i f i e d i o n p r o p u l s i o n sy s t em s . S e v er a l ha ve f l o w n , somef o r e xte nd ed p e r i o d s , d e m o n s t r a t in g t h e m a t u r i t y o f t h e t e c h n o lo g y .S c h r e ib ' s t r i l o g y p r o v id e s an e x c e l l e n t t r e a t i s e c o n c e r n i n g t h e t i m e l i n e s sand u t i l i t y o f xenon i o n p ro p u l s io n .3 7 - 3 9

STATUS OF CRITICAL SYSTEM ELEMENTS7he p r ev i o u s s e c t i o n r e f e r r e d t o s e v e r a l i o n p r o p u l s i o n s y ste ms wh ic h , w i t ht h e e x c e p t i o n of SEPS ha rd w ar e , w e re p r i m a r i l y d e ve l op e d f o r s t a t i o n k e e p i n ga p p l i c a t i o n s . T h is s e c t i o n d is cu ss e s t h e s t a t u s o f c r i t i c a l t h r u s t sy st e mc om po ne nts and t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f p r i m a r y i o n p r o p u l s i o n s y st em sd ev el op ed i n t h e U n i t e d S t a t e s . I n p a r t i c u l a r , t h e d i s c u s s i o n c o n s i d e r s i o nt h r u s t e r s , po we r p r o c e ss o r s , t h r u s t v e c t o r c o n t r o l , and p r o p e l l a n t s to r a g eand d i s t r i b u t i o n . Component c h a r a c t e r i s t i c s , s uc h a s t h r u s t e r a nd p ow erp r o c e s s o r p e r fo r m an c e , p ow er l e v e l , m ass, a nd l i f e t i m e , a s w e l l a s s y s t e mp a r t i c l e and f i e l d e f f l u e n t s a r e a l s o a d dr es s ed . The po wer so u rc e , p o we rd i s t r i b u t i o n , t h e r m a l c o n t r o l , a nd s t r u c t u r e a r e n o t c o n s i d e r e d .T h r u s t e r sAs m e n t io n e d i n t h e B a ck g ro u nd s e c t i o n , t h e SEPS t h r u s t e r o p e r a t e d o n xe no nbecame t h e b a s e l i n e e n g i ne f o r p r i m a r y i o n p r o p u l s i o n i n t h e U n i t e d S ta t e s .Many o f t h e m i s s i o n s s t u d i e d u n d er t h e SEPS p ro g r am r e s u l t e d i n p r o p u l s i o nm o du le s w i t h 1 0 o r mo re t h r u s t e r s a nd p ow e r p r o c e s s o r s . S y s t e m a n a l y s e si n d i c a t e s i g n i f i c a n t b e n e f i t s i n c o s t , s p e c i f i c mass, a n d s i m p l i c i t y c an beo b t a in e d b y i n c r e a s i n g t h e t h r u s t a nd pow er l e v e l o f e ac h t h r u s t e r / p o w e r

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p r oc e s so r u n i t . Two a pp ro ac he s w e re t a k e n t o i n c r e a s e t h e e n g in e t h r u s tl e v e l . F i r s t , w i t h 30cm d i a m e te r t h r u s t e r s , t h e beam c u r r e n t an d v o l t a g ew er e i nc r ea s ed . T o t a l t h r u s t e r po we r l e v e l s o f u p t o 17 kW w e red em on st ra te d w i t h no s i g n i f i c a n t l o s s i n t h r u s t - t o - p o w e r r a t i o . 4 0 N e x t ,l a r g e 50cm d i a m e t e r t h r u s t e r s w er e b u i l t a nd e v a l u a t e d o v e r s i m i l a r p ow err a n g e s .4 0 - 4 2 Two t h r u s t e r m ag ne t i c f i e l d c o n f i g u r a t i o n s w e r e a l s oe v a lu a te d and , a s d i s c u s s e d b e lo w , o ne was s e l e c t e d o n t h e b a s i s o f l i f e t i m ec o n s i d e r a t i o n s .D i v e r s e n t m a qn e t i c f i e l d - F i g u r e 4 s ho ws a c r o s s - s e c t i o n o f t h e SEPS, o rJ -S er ie s , x en on i o n t h r u s t e r t e s t e d a t NASA LeRC an d JPL i n t h e l o w t h r u s tp r i m a r y p r o p u l s i o n p ro gr am s . 2 3 , 2 4 N o t a b l e f e a t u r e s a r e t h e a x i a l a n dr a d i a l r od -s ha pe d p er ma ne nt ma gn et s u s ed t o g e n e r a t e a m i l d l y d i v e r g e n tm ag ne ti c f i e l d b e tw ee n t h e c a t ho d e an d s c re e n g r i d p o l e p i e c e s , a nd t h e u s eo f a p h y s i c a l b a f f l e b et we en t h e c a th o d e a nd a no de t o b o o s t t h e d i s c h a r g eimpedance and, t h e r e f o r e , t h e e f f i c i e n c y o f i o n g e n e r a t i o n .A f t e r t h e p er fo rm a nc e o f t h e J -S e r ie s x en on i o n t h r u s t e r was c h a r a c t e r i z e d ,i t was s u b j e c t e d t o e x te n de d t e s t s a t t h e 1 0 kW i n p u t p ow er l e v e 1 4 3 t ov e r i f y s o l u t i o n s t o known l i f e - l i m i t i n g m echa n ism s . 4 4- 4 8 D u r i n g t h ed ev el op me nt o f t h e SEPS t h r u s t e r , t w o m a j o r l i f e - l i m i t i n g m ec ha ni sm s w e r ei d e n t i f i e d . One was s p u t t e r e r o s i o n , b y i o n s , o f d i s c h a r g e c ha mb ercomponen ts , s uc h a s t h e c a t h o d e o r i f i c e p l a t e , t h e d i s c h a r g e b a f f l e , a nd t h es c r ee n g r i d . The o t h e r was s p a l l i n g of t h i s s p u t t e r e d m a t e r i a l w h i c h wasd e po s it e d a t o t h e r d i s c h a rg e ch a mb e r l o c a t i o n s . I n g e n e r a l , t h e e r o s i o nr a t e s o f d i s c h a r g e c ha mb er c om po ne nt s w e r e f o u nd t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s e si n t h e d i sc h a rg e v o l t a g e a nd c u r r e n t , a n d beam c u r r e n t . T h e r e fo r e , i n o r d e rt o o f f s e t a n t i c i p a t e d i n c r e a s e s o f e r o s i o n r a t e s i n t h e 1 0 kW xe n o nt h r u s t e r , t h e d i s c h a r g e v o l t a g e was r e d uc e d f r o m 32 v o l t s (SEPS c o n d i t i o n )t o 28 v o l t s b y r e d u c i n g t h e d i s c h a r g e b a f f l e d i a m e te r 2 3 a s t h e b eamc u r r e n t was i n c r e a s ed f r o m 2 t o 5 a mp er es . F u r th e rm o r e , t h e c a t h o d e o r i f i c ed ia m et e r u a s i n c re a s e d f r o m 0. 7 6 mm t o 1 .4 7 mm t o a v o i d e x c e s s i v e o r i f i c ep l a t e e r o s i o n e x p e c t e d a t a c a t h o d e e m i s s i o n c u r r e n t o f 3 2 am pe re s c om pa re dt o 1 3 amperes f o r t h e SEPS t h r u s t e r . W i t h t h e e x c e p t i o n o f o ne a r ea , t h ee r o s i o n r a t e s o f t h e k now n e r o d i b l e d i s c h a r g e c h a mb er c om po ne nt s w er es u c c e s s f u l l y c o n t r o l l e d t h r o u g h t h e s e c a th o d e a nd b a f f l e ge o me t r yi mp ro ve m en ts a nd a d j u s t e d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . H ow e ve r, t h e m ax im ume r o s i o n r a t e o f t h e u p s t r e a m s i d e o f t h e b a f f l e i n c r e a s e d f r o m t h e 9 x10 -9m / hr o b s er v e d i n SEPS t e s t s 4 4 t o b e t w ee n 66 0 an d 90 0x 10 -9 m / h r d u r i n gt h e 10 kl d x e n o n t e ~ t s . ~ 3h i s was c l e a r l y u n a cc e p t a b le b ec au se a t t h i sh i g h r a t e , t h e b a f f l e wo u ld b e e ro de d c o m p l e t e l y t h r o u g h i n l e s s t h a n 2000h ou rs . I n a d d i t i o n , t h e l i f e - l i m i t i n g m ec h a n i s m o f s p a l l i n g d e p o s i t e ds p u t t e re d m a t e r i a l was e x a c e r ba t e d b y t h e i n c r e a s e d e r o s i o n r a t e s o b s er v e dw i t h xenon . E l i m i n a t i o n o f t h e b a f f l e a nd b a f f l e m o un t in g s t r u c t u r e t oa v o i d e r o s i o n and s u bs e q ue n t d e p o s i t i o n o f s p u t t e r e d m a t e r i a l r e s u l t e d i ns e ve re pe r f o rm a nc e d e g r a d a t i o n a s t h e i o n p r o d u c t i o n c o s t n e a r l y d o ub l ed . 4 0The mechan ism c au s i n g t h e o b s e r v ed b a f f l e e r o s i o n was i n v e s t i g a t e d w i t h ar e t a r d i n g p o t e n t i a l a n a l y ze r . 4 9 T h a t e f f o r t d e t e c t e d e n e r g e t i c i o n se ma na tin g f r o m t h e h o l l o w c a t h o de p la sm a w h i c h r e q u i r e d r e t a r d i n g p o t e n t i a l so f o ve r 50 v o l t s t o p r e v e n t t h e i r c o l l e c t i o n . P o t e n t i a l s o f t h i s m a g n i t ud ew ere s e ve r a l t i m e s a n y e l e c t r o d e p o t e n t i a l . B e s id e s p o s s e s s in g e n e r g i e ss u f f i c i e n t t o do s p u t t e r damage, t h e c u r r e n t d e n s i t y o f t h e s e " j e t " i o n s wasf ou nd t o i n c r e a s e d r a m a t i c a l l y w i t h i n c r e a s i n g c a t ho d e e m i s s i o n c u r r e n t .

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R es ea r c h o n b a f f l e e r o s i o n i n J - S e r ie s x en o n i o n t h r u s t e r s h as a l s o b ee nc o n du c t ed a t J P L . ~ O , ~ ~ s i n g h i g h l y p o l i s h e d s a m pl e b a f f l e p l a t e s a n d as e n s i t i v e p r o f i l o m e t e r , t h i s e f f o r t r e s u l t e d i n m e a s u r e m e n ts o f e x t r e m e l yh i g h e r o s i o n r a t e s o f t h e u p s t r ea m s i d e o f t h e b a f f l e i n s h o r t t e r m t e s t s o fa b o u t 24 h o u r s . It h as be en shown t h a t some t h r u s t e r i n t e r n a l e r o s i o n c anbe s i g n i f i c a n t l y r e du c ed b y a d d i n g s m a l l am ou nt s o f r e a c t i v e g as es , s u ch a sn i t r o g e n , t o t h e d i s c h a r g e c ha mb er p r o p e l l a n t .50-53 U s i n g t h i s t e c h n i q u e ,JPL r e du ce d t h e u p s t re a m b a f f l e e r o s i o n b y f a c t o r s o f u p t o 1 8 .5 u n d er SEPSo p e r a t i n g condition^.^^ Ho we ve r , s uc h r e d u c t i o n s a r e l i k e l y t o b ei n a d eq u at e f o r h i g h po we r t h r u s t e r s , e s p e c i a l l y when r e d e p o s i t i o n i sc o n s i d e r e d .Because o f t h e h i g h e r o s i o n a nd s u bs e qu en t r e d e p o s i t i o n r a t e s o b s e r v ed w i t ht h e J - Se r i es d i v e r g e n t m a g ne t i c f i e l d t h r u s t e r s , r e s e a r c h o n d i v e r g e n t f i e l dt h r u s t e r s w as t e r m i n a t e d a t L eRC.R in q- cu sp m a q n e t i c f i e l d - The m a g n e t i c f i e l d c o n f i g u r a t i o n o f t h e p r e s e n tb a s e l i n e 30 a nd 50cm d i a m e t e r t h r u s t e r s i s t h e r i n g - c u s p d e s i g n s hown i nF i g u r e 2 . S t r o n g b o un d ar y m a g n e t i c f i e l d s f o r p la sm a c o n t a i nm e n t e l i m i n a t et h e n eed f o r p o l e p i e c e s o r b a f f l e s n e a r t h e c a t ho d e .T h r u s te r s w i t h t h i s g eo me tr y h av e be en t e s t e d w i t h m e r c u r y an d i n e r t g asp r o p e l l a n t s o v e r a w i d e r an g e o f p ow er l e v e l s a n d f o r p e r i o d s o f t i m e u p t o4 3 5 0 h o u r s2 6 ,4 0 ,4 1 9 5 4 - 6 0 .P e r f o r m a n c e - The p e r f o rm a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f s e v e r a l t w o - g r i d , r i n g - c u s px en on i o n t h r u s t e r s a r e shown i n F i g u r e s 5 a nd 6 . T he se d a t a w e re t a k e nf r o m n um er ou s s t u d i e s . 4 1 v 5 * g a n d 60 F i g u r e 5 p l o t s c a l c u l a t e d t h r u s t a s af u n c t i o n o f t h r u s t e r i n p u t po we r f o r t w o - g r i d 25 , 30 , a nd 50cm d i a m e t e rt h r u s t e r s . The d a t a show t h a t t h e t h r u s t i n c r e a s e d n e a r l y l i n e a r l y f r o m0 . 0 7 t o 0 . 5N a s t h e t h r u s t e r i n p u t p ow er was i n c r e a s e d f r o m 1 .4 t o 1 5 kW.l h i s t r e n d was i n d e p e n d e n t o f t h r u s t e r s i z e . F o r t h e d a t a shown, t h et h r u s t - t o - p o w e r r a t i o s v a r i e d f r o m 0 .0 46 t o 0 . 03 2 N/kW, d e c r e a s i n g a t t h eh i g h e r p ok 1e r l e v e l s , a s d i s c h a r g e c ham be r c o n d i t i o n s a nd g r i d v o l t a g e s w e r ev a r i e d o v e r w i de ra ng e s . The t h r u s t - t o - p o w e r r a t i o i s r e l a t i v e l yi n s e n s i t i v e t o l a r g e v a r i a t i o n s i n i n p u t p ow er b ec a us e t h e b eam v o l t a g e i smuch g r e a t e r t h a n t h e i o n p r o d u c t i o n c o s t . I n t h i s c a se , t h e r a t i o v a r i e sn e a r l y i n v e r s e l y w i t h t h e s q u a r e r o o t o f t h e beam v o l t a g e . F o r t h e d a t a o fF i g u r e 5 , t h e beam v o l t a g e was i n c r e a s e d f r o m a b o u t 9 0 0 t o 2 20 0 v o l t s ,e x p l a i n i n g t h e a p p r o x im a t e l y 3 0 p e r c e n t d e c re a se o b s e r ve d i n t h et h r u s t - t o - p o w e r r a t i o .F i g u r e 6 p l o t s i o n t h r u s t e r e f f i c i e n c y , c a l c u l a t e d f r o m t h e d a t a o f F i g u r e5 , a s a f u n c t i o n o f s p e c i f i c i m p u ls e . T h r u s t e r e f f i c i e n c y i s g i v e n b y :

Eq. 1w h e r e T i s t h r u s t i n N, Isps s p e c i f i c i m p u l s e i n s , g i s a c c e l e r a t i o ndue t o g r a v i t y ( 9 .8 1 m / s2 ), a nd P i s t h r u s t e r i n p u t p ow e r i n w a t t s . Thef i g u r e s hows t h a t t h r u s t e r e f f i c i e n c y i n c r e a s e d f r o m a b o u t 0 .5 t o 0 . 8 a s t h e

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s p e c i f i c i m p u l s e was i n c r e a s e d f r o m 2 20 0 t o 50 00 s . E q u a t i o n 1 may b er e w r i t t e n a p p r o x i m a t e l y as :N T 3 2 N U Gn Eq. 2+ \ N U 2 2e ( E V )mw h e r e 3 i s a t h r u s t l o s s f a c t o r a c c o u n t i n g f o r b eam i o n s w h ic h a r e m u l t i p l y

c ha rg ed o r ha v e n o n a x i a l t r a j e c t o r i e s . Th e t e r m Nu i s t h e m ea su re dp r o p e l l a n t e f f i c i e n c y an d i s d e f i n e d a s i o n beam c u r r e n t d i v i d e d b yp r o p e l l a n t f l o w r a t e e x p r es se d a s a c u r r e n t o f s i n g l y c ha r g e d i o n s . The e/mt e r m i s t h e c ha rg e -to -m as s r a t i o f o r a xe no n i o n . The E V t e r m i s t h e i o np r o d u c t i o n c o s t i n w a t t s p e r beam a mpe re . E q u a t i o n 2 shows t h a t t h r u s t e re f f i c i e n c y i s a p p r o x i m a te l y p r o p o r t i o n a l t o t h e s q ua re o f t h e s p e c i f i ci m pu l s e d i v i d e d b y t h e sum o f t h e s q ua r e o f t h e s p e c i f i c i m p u l s e a nd an e a r l y c o n s t a n t t e r m r e l a t e d t o t h e i o n p r o d u c t i o n c o s t . T h u s , t h r u s t e re f f i c i e n c y w o u ld b e e x p ec t e d t o i n c r e a s e a nd a p pr o ac h a c o n s t a n t v a l u e( a p p r o x i m a te l y t h e p r o p e l l a n t e f f i c i e n c y ) a s t h e s p e c i f i c i m p u l s e t e r mbecomes l a r g e w i t h r e s p e c t t o t h e i o n p r o d u c t i o n c o s t t e r m . The d a t a o fF i g u r e 6 s ho x t h e i n c r e a s i n g p o r t i o n o f t h i s r e l a t i o n s h i p .P r o p e l l a n t t y p e - F i g u r e s 5 a nd 6 a l s o s ho w t h e p e r f o rm a n c e o f t h e 3 0cmd i a m e t e r t h r u s t e r 6 0 o p e r a t e d w i t h k r y p t o n p r o p e l l a n t . F o r a g i v e n p ow erl e v e l t h e t h r u s t o b t a i n e d u s i n g k r y p t o n was l o w e r t h a n t h a t w i t h xe n on , a se xp ec te d, b y a p p r o x i m a t e l y t h e s q ua r e r o o t o f t h e a t o m i c mass r a t i o .I h r u s t e r e f f i c i e n c i e s c om pa ra bl e t o t h o s e o b t a i n e d w i t h x e n o n a r ea c h i e v a b l e , b u t a t s p e c i f i c i m pu l s e va l u e s h i g h e r b y t h e i n v e r s e o f t h es qu ar e r o o t o f t h e a t o m ic mass r a t i o , a s i n d i c a t e d b y E q u a t i o n 2 . It wa sa l s o f o un d t h a t t h e d i s c h a r g e v o l t a g e r e q u i r e d t o r e a c h t h e x e n o ne f f i c i e n c i e s was much h i g h e r w i t h k r y p t o n t h a n w i t h x en on ( 4 0 vs 2 7 v o l t s ) .T h i s wo u l d s e v e r e l y l i m i t s c r e en g r i d l i f e t i m e o f t h e t h r u s t e r w i t h k r y p t o np r o p e l l a n t , j u s t a s i t d i d i n t h e J - S er ie s t h r u s t e r . 2 3 It i s e xp ec te dt h a t a t h r u s t e r r e d e s i g n w i l l b e r e q u i r e d t o o b t a i n k r y p t o n i o n t h r u s t e rl i f e t i m e s o f i n t e r e s t .Mass - A p r o p u l s i o n s y s t e m mass m ode161 h a s b e e n d e r i v e d f r o m am e t ho d o lo g y p r e v i o u s l y p r e s en t e d . 6 2 T he m o de l us e d t h e p r o p u l s i o n s y s t e mc om po ne nt s show n i n T a b l e 1 . E s t i m a t e s o f t h e m as se s o f a d v a nc e dt h r u s t e r s 6 2 n e a r l y a g r e e w i t h t h e m e as ur ed m as se s o f t h e I AP S a nd SEPSt h r u s t e r s . R i n g - c u s p t h r u s t e r s b u i l t a n d t e ~ t e d ~ ~ v ~ oa v e ma ss es o f 1 2 . 7an d 1 2. 5 k g , r e s p e c t i v e l y , a l s o i n c l o s e ag re em en t w i t h t h e mo de lp r e d i c t i o n s .L i f e t i m e - SEPS, 30cm d i a m e t e r , m e r c u r y i o n t h r u s t e r s a c c u m u l a t e d 3 0 0 0 0h o u rs o f o p e r a t i o n o v e r a w i d e r a n g e o f o p e r a t i n g c o n d i t i o n s .4 5,4 69 52Th e se e x p er ie n ce s l e d t o a r e l a t i v e l y c o m p l e t e u n d e r s t a n d i n g o fl i f e - l i m i t i n g mechanisms i n 3 kW c l a s s i o n t h r u s t e r s . As m e n t i o n ed e a r l i e r ,t h i s u n d e r s ta n d i n g was t h e b a s i s f o r c a t ho d e an d b a f f l e ge om e t ryi mp ro ve m en ts and a d j u s t e d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . T he se a l t e r a t i o n s p r o v i d e ds u c c e s s fu l s o l u t i o n s t o a n t i c i p a t e d p ro b l em s i n an e x te n d ed t e s t o f t h e 1 0kW xenon J -S e r i e s t h r ~ s t e r . ~ 3 ow ever , a s d i sc u s se d e a r l i e r , a n i n c r e a s e dc u r r e n t o f e n e r g e t i c i o n s f r o m t h e h o l l o w c a t ho d e d i s c h a r g e ca us edu ne xp ec te d an d i n t o l e r a b l e u p s t re a m e r o s i o n o f t h e d i s c h a r g e b a f f l e .T h er e f o r e , b a f f l e l e s s r i n g -c u s p t h r u s t e r s a r e n ow t h e b a s e l i n e ge om e t ry .Two ex t en de d t e s t s o f b a f f l e l e s s r i n g - c u s p i o n t h r u s t e r s h av e b ee n c o n du c t eda nd a r e d i s c u s s e d b e l o w .

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A 1 . 3 kW r i n g- c u s p x en on t h r u s t e r , d e v e lo p e d f o r NSSK a p p l i c a t i o n s 2 5 wast e s t e d b y HR L w i t h xe no n p r o p e l l a n t i n a c y c l i c mode f o r 435 0 t h r u s t i n ghour s w i t h 3850 on-o ff ~ ~ c l e s . 2 6 he 25cm d i a m e t e r t h r u s t e r u s e d S EPSg eo me try c a t ho d e s and t h r e e - g r i d i o n o p t i c s . D ur in g t h e f i r s t s e v e r a lh u nd re d h o u r s , t h r e e w e a r m ec ha nis ms w e r e o b s e r v e d . The f i r s t was s p u t t e re r o si o n of t h e d i s c h a r g e c at h o d e o r i f i c e p l a t e . A new cathode w i t h a l a r g e rd i a m e t e r o r i f i c e ( 1.27mm c om pa re d t o 0.76mm f o r t h e o r i g i n a l c a t h o d e ) , w ast e s t e d f o r 3600 a d d i t i o n a l h o u r s an d showed no s i g n i f i c a n t e r o s i o n . Thesecond w ea r mechan i sm w as e l onga t i on o f edge ape r t u r e s i n t h e d e c e l e r a t o re l e c t r o d e . A p p a r en t ly , b e am le t d i v e r g e n c e a t t h e t h r u s t e r p e r i m e t e r , w h er et h e i o n c u r r e n t d e n s i t y was much l o w e r t h a n a t s m a l l e r r a d i i , was l a r g eenough t o c a u se d i r e c t d e c e l e r a t o r e l e c t r o d e i m pi ng em en t. T h i s e r o s i o n wasm in im iz ed by r e d u c in g t h e d i a m e t e r of t h e s c r e e n g r i d p e r i m e t e r h o l e s . Thet h i r d w ea r m ec ha nis m o b s e rv e d was e n l a r g e m e n t of a c c e l e r a t o r g r i d a p e r t u r e sd ue t o c h a r g e e xc h an g e i o n i mp in ge me nt on t h e a p e r t u r e w a l l s . T h i s c a u s edl on g -t er m p e r fo rm a nc e l o s s e s du e t o r ed u ce d p r o p e l l a n t u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c i e s .Low e n er g y i o n s a r e f o rm ed when an e l e c t r o n t r a n s f e r s f r o m a n e u t r a lp r o p e l l a n t a to m t o a n e n e r g e t i c beam When c r e a t e d aw ay f r om t h et h r u s t e r t h e s e c h a rg e ex ch an ge i o n s a r e h a r ml es s t o t h e t h r u s t e r . Whenformed i n t h e i n t e r e l e c t r o d e s pa c e , t h e a c c e l e r a t o r g r i d h o l e , o ri m m ed i at el y d o wn st re am of t h e a c c e l e r a t o r g r i d , h o w ev er , t h e s e i o n s c an f a l lback t o t h e a c c e l e r a t o r g r i d t o c a u se s p u t t e r dam ag e. W i t h t w o-g r i d i ono p t i c s , m os t of t h i s d am age o c c u r s on t h e do w ns tr ea m s i d e of t h e a c c e l e r a t o rg r i d . W ith t h r e e - g r i d o p t i c s n e a r l y a l l of t h e damage o c c u r s ona c c e l e r a t o r g r i d h o l e w a l l s . 6 4 E r os io n of a c c e l e r a t o r g r i d a p e r t u r e sd u r i n g a H R L w ea r m ec ha nis m t e s t o f t h e XIPS t h r u s t e r l e d t o a g r a d u a lr e d u c t i o n i n b e a m c u r r e n t ( a b o u t 4 p e r c e n t p e r th o us a nd h o u r s ) .A pp ro xi ma te ly h a l f of t h e e r o s i o n was a t t r i b u t e d t o n e u t r a l p r o p e l l a n t andh a lf t o in c r e a s e d c h a rg e e xc ha ng e io n p ro d u c t i o n r e s u l t i n g fr om f a c i l i t yin du ce d i n c r e a s e s i n t h e n e u t r a l d e n s i t y .F i g u r e 7 i l l u s t r a t e s t h e e f f e c t of f a c i l i t y p r e s su r e. S 8 T h e f a c i l i t yp u m p i n g s pe ed f o r x enon was b r i e f l y i n c r e a s ed a t c o n s t a n t t h r u s t e rc o n d i t i o n s by i n c r e a s i n g t h e cryo pum ped s u r f a c e a r e a . T h i s re d uc e d t h en e u t r a l d e n s i t y and f a c i l i t y in d u ce d c h a r g e e xc ha ng e p o r t i o n of t h ea c c e l e r a t o r im p in ge me nt c u r r e n t . The w e ar m ec ha nis m t e s t d e m o n s t r a t e d t h a ti n e r t gas t h r u s t e r s t e s t e d i n i n a d e q u a t e ly pumped f a c i l i t i e s w i l l e x p e r i e n c es i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d c h a r g e e x ch an ge i o n e r o s i o n , w hic h c an s u b s t a n t i a l l yr ed uc e and p r e v e n t a c c u r a t e d et e r m i n a t i o n of a c c e l e r a t o r g r i d l i f e t i m e .A se co nd e xt en d ed t e s t of a b a f f l e l e s s , r i n g- c u sp t h r u s t e r was c on d u ct ed a tLeRC and was r e c e n t l y t e r m i n a t e d a f t e r a c c u m u l a t i n g 9 00 h o u r s of c o n t i n u o u so p e r at i on a t an i n p u t power of 5.7 ~ w . ~ Oh e t h r u s t l e v e l w a s 0 . 2 N . Thet h r u s t e r had a nomina l d i a me t e r o f 30cm and employed tw o-g r i d i on op t i c s .The i o n beam v o l t a g e a nd c u r r e n t o f 1 5 00 v o l t s a nd 3 . 2 a m p e r e s ,r e s p e c t i v e l y , w er e b o th a p p r o x i m a t e l y d o u b l e t h o s e u s ed i n t h e H R L t e s t .L i ke t he 10 kW J - S e r i es xenon i o n t h r u s t e r t e s t and t h e 1 . 3 kW X I P S t e s t , n om e a su r ab l e s c r e e n g r i d e r o s i o n was o b s e r v e d i n t h e r e c e n t LeRC t e s t .C o n si d er in g u n c e r t a i n t i e s i n t h e m e a su re m en t, t h e t i m e t o w ea r h a l f wat h ro u g h t h e s c r e e n g r i d was e s t i m a t e d t o be i n e x c e s s o f 3 0 , 0 0 0 h o u r s . i 0T he se r e s u l t s c o n f ir m t h a t r e d u c in g t h e d i s c h a r g e v o l t a g e fr om 32 v o l t s t o28 v o l t s i n h i gh power xenon t h r u s t e r s h a s e f f e c t i v e l y e l im i n a t e d s c r e e ng r i d e r o s io n a s a t h r u s t e r l i f e - l i m i t i n g m ech an ism .

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No m ea su ra bl e, i r r e v e r s i b l e t h r u s t e r p e r f o rm a n c e d e g r a d a t i o n was d e t e c t e do v er t h e co u r se o f t h e LeRC 5 kW l i f e t e s t , o t h e r t h a n t h a t a t t r i b u t a b l e t ou no p t im iz ed n e u t r a l i z e r 0 ~ e r a t i o n . 6 ~ c c e l e r a t o r g r i d a p e r t u r e s w e r ef ou nd t o b e e n la r g e d b y a n a v er a g e o f 2 p e r c e n t ( s i g n i f i c a n t l y b e l ow t h a to bs er ve d i n t h e HR L t e s t 2 6 ) . C ha rg e e xc ha ng e i o n e r o s i o n o f t h ed ow ns tre am s i d e o f t h e a c c e l e r a t o r g r i d o c c u r r e d ar o u nd e ac h a c c e l e r a t o rg r i d h o l e . The a c c e l e r a t o r g r i d was e r od ed e n t i r e l y t h r o u g h a t t h e c ha r g eexchange " p i t " s i t e s , f r o m t h e c e n t e r o f t h e g r i d o u t t o h a l f r a d i u s . B o tht h r u s t e r a nd f a c i l i t y p ro du ce d ch a rg e e xc ha ng e i o n s a r e b e l i e v e dr e s po n s ib l e . An e s t i m a te d in - s p ac e e r o s i o n r a t e l e a d s t o a n a c c e l e r a t o rg r i d l i f e t i m e o f a b o u t 11 ,5 00 h o ur s .6 0 P u r s u i t o f a co m p l e t eu n d er s t an d in g o f t h e c h a rg e e xc ha ng e i o n p r o d u c t i o n a nd s p u t t e r i n gp r o c e s s e s , i n c l u d i n g t h e e f f e c t s o f f a c i l i t y p r e s su r e , i s i n p r o g r e s s .E x te nd e d t e s t d a t a a c q u i r e d t o d a t e , h o we ve r , s t i l l s u p p o r t t h e s e l e c t i o n o ft w o -g r i d o p t i c s a s t h e b a s e l i n e i o n o p t i c s c o n f i g u r a t i o n f o r h i g h p o w erx en on i o n t h r u s t e r s .P ob de r P r o ce sso r sAn i o n t h r u s t e r r e q u i r e s a d e d i c a t e d p ow er p r o c e s s i n g u n i t (P PU ). T h i s PPUi s t h e mo s t m as s i v e ( o n e t o t w o t i m e s t h e p r o p e l l a n t r e s e r v o i r a nd t h r u s t e rc o m bi ne d ), a nd t h e m os t e x p e n s i v e ( 6 t o 10 t i m e s a s c o s t l y as t h e t h r u s t e r )sys te m co mp o n e n t .b 5 W i t h s t a t e o f t h e a r t e l e c t r o n i c c om po n en ts , t h e PPUb a s ep l a t e mu st b e m a i n t a i n e d o v e r a n a r ro w t e m p e r a tu r e r a ng e ( t y p i c a l l y-200C t o +500C) t o e n s u r e r e l i a b l e o p e r a t i o n an d a d e q u a t e p e r f o r m an c e .T h i s r an ge m u st be m a i n t a i n e d w h e t h e r t h e PPU i s o f f o r o n. When i t i s o n ,t h e b a s e p la t e m us t h a n d l e a b o u t 7 p e r c e n t o f t h e i n p u t p ow er f o rc o n te m p o ra r y h i g h e r p o we r ( >1 kW) t h r u s t e r s u b sy s t e ms . T he p e r f o r m a n c er e q ui r em e n ts a nd d e s i g n o f t h e PPU m us t , t h e r e f o r e , b e c a r e f u l l y s p e c i f i e d .B es id es t h e u s u a l n ee d f o r h i g h e f f i c i e n c y an d l o w c om po ne nt mass , t h ei m pa c t o f m i n i m i z i n g PPU p a r t s c o u n t o n s ub sy s t em c o s t , a nd r e l i a b i l i t y mu s tb e f u l l y c o ns i d e re d .P e r f o r m a n c e - E f f o r t s t o s i m l i f y t h e PPU f o r m e r cu r y i o n t h r u s t e r s y s t e m sbegan i n t h e l a t e 1 9 1 01 s . 66 - 19 Many o f t h e t e c h n i q u e s d e v e lo p e d h a vep ro ve n u s e f u l i n xe no n i o n t h r u s t e r p ow er electronic^.^^ R e d u c e d t h r u s t e rr e qu i re m e n ts , o p e n- lo o p r e g u l a t i o n t e c h n i qu e s , a nd new i n t e g r a t e d c o n t r o lc i r c u i t s h av e a l l r e d u c e d PPU p a r t s c o u n t a nd c o m p l e x i t y .The r e s u l t s o f t h e s e s i m p l i f i c a t i o n s a r e e v i d e n t i n t h e c om p a r i so n o f t h eI A P S , SER7 11 , SEPS , a n d X I PS P P U ' s. T a b l e T I s um m ar iz es t h e i rc h a r a c t e r i s t i c s t o g e t h e r w i t h e s t i m a t e s f o r b o t h 5 kW a nd 1 0 kW xe no nt h r u s t e r PPU 's . I n p u t p ow er l e v e l , p o we r e f f i c i e n c y , s p e c i f i c m ass , a ndp a r t s c o u n t a r e c o m pa re d.

Mass - PPU s p e c i f i c m as s e s t i m a t e s f o r t h e 5 kW a n d 1 0 kW x en o n s y s t e m s w e r eo b t a i n ed f r o m m od el s. 73 PPU s p e c i f i c mas ses a r e p l o t t e d i n F i g u r e 8 a s af u n c t i o n o f i n p u t po we r l e v e l . F o r t h e 5 a n d 10 kW PPU 's l i s t e d i n T a b l e11, t h e p ow er e f f i c i e n c y an d p a r t s c o u n t e s t im a t e s a r e b as ed o n d a t a f o r a 5kW a r c e t f u l 1 b r i d g e b r e a d b o ar d po w er s u p p l y 7 4 a n d t h e X I P S b r e a d b o a r dp o w e r s u p p l y . * 4D e s i g n - The a r c j e t PPU i s a v a l i d r e f e r e n c e f o r h i g h p ow er x en on P PU'sb e ca u se t h e b eam s u p p l y f o r t h e l a t t e r ca n u t i l i z e t h e same b a s i c

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a r c h i t e c t u r e as t h a t o f t h e 5 kW a r c j e t s u p p l y . O n l y a s i n g l e p ow er s t a g eo f 5 o r 1 0 kW i s a ssum ed i n t h e T a b l e I 1 x e no n s y s t e m e s t i m a t e s . T h e r e m ay ,ho wev er , b e ad v an ta g es t o c o m b i n i n g t w o o r mo re p o we r s t a g e s i n o r d e r t or e j e c t w a s te h e a t o v e r a w i d e r a r e a a n d, t h e r e b y , r e d u c e maxim um co mp on en tt e m p e r a t u r e s .E f f o r t s a r e p r e s e n t l y u nd er wa y a t NASA LeRC t o d e t e r m i n e a n o p t i m a l c o n t r o lp h i l o s o p h y a nd t o d e s i g n , f a b r i c a t e a n d t e s t b r ea d bo a rd p ow er e l e c t r o n i c sf o r 5-10 kW c l a s s l a b o r a t o r y x en on i o n t h r u s t e r s . It i s e x p e c t e d t h a t manyo f t h e p r e v i o u s l y r e p o r t e d po we r s u p p l y s i m p l i f i c a t i o n s c an b e us ed . It i sa l s o a n t i c i p a t e d t h a t , f o r t h r u s t e r c o n t r o l , s i m p l e a n a l o g schemes, s uc h a st h o s e u se d i n t h e SERT a n d SERT 1112 s p a c e t e s t s , w i l l p r o v es u p e r i o r t o c o m pl e x d i g i t a l c o n t r o l . Th e i n i t i a l d e s i g n s o f h i g h po w er beamand d i s c h a r g e po we r e l e c t r o n i c s w i l l b e ba se d o n t h e s u c c e s s f u l 5 kW a r c j e tb r e a d b o a r d s u p p l y . 7 4 T h i s same b a s i c p ow er c i r c u i t h a s be en i n d e e n d e n t l ys e l e c te d a s a c a n d i d a t e f o r f u r t h e r d e ve lo pm en t i n o t h e r p ro gr am s5F o r t h e f i r s t beam s u p p l y b re a db o ar d d e s i g n , t h e o u t p u t b eam v o l t a g e w i l l b ep r o p o r t i o n a l t o s o l a r a r r a y i n p u t v o l t a g e u p t o a maximum p r e s e t b eamv o l t a g e . C l o s ed - l o o p v o l t a g e r e g u l a t i o n w i l l o c c u r when t h i s p r e d e te r m in e dbeam v c l t a g e i s r e a ch ed . B o t h a beam c u r r e n t l i m i t a nd r e c y c l e f u n c t i o n sw i l l b e i n c o r p o r a t e d i n t h e s u p p ly .I t may be ad v an ta g eo us , f o r c e r t a i n m i s s i o n s , t o e x t r a c t maximum po we r f r o mt h e s o l a r a r r a y s a s t h e s o l a r a r r a y p ow er v a r i e s w i t h a r r a y t e m p er a t u r e ,i n s o l a t i o n a n d d e g r a d a t i o n . T h i s f e a t u r e ca n b e a c co m p l i s h ed i n a s t a b l emode when t h e beam s u p p l y i s o p e r a t i n g w i t h b eam v o l t a g e p r o p o r t i o n a l t oi n p u t s o l a r a r r a y v o l t a g e . Beam c u r r e n t c a n b e a d j u s t e d b y c l o s e dl o o p - c o n t r o l o f t h e d i s c h a rg e c u r r e n t u n t i l t h e maximum a r r a y p ow er i sa t t a i n e d . I m p l e m e n t a t i o n o f t h i s t e c h n i q u e w i l l r e q u i r e t h e a d d i t i o n o f ac o n t r o l c i r c u i t c o m p r i s i n g a b o u t 1 0 i n t e g r a t e d c i r c u i t s w i t h a s s o c i a t e dcom p o ne n ts mo u n te d on a s m a l l p r i n t e d c i r c u i t ~ a r d . 7 ~ p o t e n t i a ld r a w b a c k o f t h i s t e c h n i q u e i s t h a t b o t h t h e t h r u s t a nd s p e c i f i c i m p u l s e w i l lv a r y w i t h t h e s o l a r a r r a y p ow er , s i n c e t h e beam v o l t a g e i s p r o p o r t i o n a l t ot h e s o l a r a r r a y v o l t a g e . T he s e v a r y i n g t h r u s t e r p a ra m et e r s may c o m p l i c a t en e a r - E a r th m i s s i o n p l a n n i n g , b u t ca n r ed u ce t h e t i m e s p e n t a t l o wa l t i t u d e s . I n a d d i t i o n , a s o l a r a r r a y s i m u l a t o r w i l l b e n e c e s s a r y f o rt e s t i n g . A s i m i l a r maximum po w er t r a c k i n g schem e was u s ed i n t h e S k y l a bp o w e r ~ ~ s t e m . 7 7L i f e t i m e - O v e r 1 11 ,0 0 0 h o u r s o f o p e r a t i o n h a v e be e n a c c u m u l a t e d b e t w ee nSERT 1 1, SEPS, I AP S, a n d X IP S b r e a d b o a r d ( o r h i g h e r l e v e l ) p o w e rp r o c e s s o r s . T a b l e 111 l i s t s t h e l o n g e s t an d m os t s i g n i f i c a n t t e s t s , g i v i n gt h e t h r u s t e r , t h e i n p u t p o w er l e v e l , t h e PPU t y p e o r t e s t l o c a t i o n , t h e t e s tt i m e an d e n v i r o n m e n t , a n d a r e f e r e n c e . Two SERT I 1 p o w e r p r o c e s s o r s w e r ef l o w n , p e r f o r m i n g w i t h o u t p r o b l em s f o r mo re t h a n 1 0 y e a r s . T he l o n g t e r mr e l i a b i l i t y o f P PU 's i s , t h e r e f o r e , w e l l e s t a b l i s h e d .7he SERT 11 PPU 's o p e r a t e d m e r cu r y i o n t h r u s t e r s w i t h v o l t a g e s a s h i g h a s+3000 v a nd -20 00 v . The d e s i g n o f h i g h p ow er f l i g h t P PU 's f o r i n e r t g asi o n t h r u s t e r s i s s i m p l e r a nd s h o u l d b e m o r e r e l i a b l e f o r n e a r - E a r t h m i s s i o n sb e c a u s e : 1 ) n o t h r o t t l i n g i s r e q u i r e d ; 2 ) f e w er p o w er o u t p u t s , h en ce , p a r t sa r e n e ce s sa r y w i t h t h e n o n c o n de n s ib l e i n e r t ga s p r o p e l l a n t ; 3 ) t h e y

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i n c o r p o r a t e i mp ro ve d p o we r e l e c t r o n i c s ; 4 ) t h e y o p e r a t e o n h i g h e r s o l a ra r r a y i n p u t v o l t a g e s ; 5 ) t h e y w i l l p r o d uc e l o w e r o u t p u t v o l t a g e s .T h r u s t V e c t o r C o n t r o lT h ru s t v e c t o r c o n t r o l (TVC) i s r e q u i r e d t o accommoda te i n i t i a l o f f s e t s o ft h e t h r u s t v e c t o r d ue t o a ss em b l y t o l e r a n c e s a n d t o a c c o m p l is h r e q u i r e dt h r u s t v e c t o r ch an ge s d u r i n g a m i s s i o n . T he se l a t t e r ch an ge s c o u l d b e ar e s u l t o f v a r i a t i o n i n t h e nu m be r a n d l o c a t i o n o f o p e r a t i n g t h r u s t e r s , i nt h e l o c a t i o n o f t h e s p a c e c r a f t c e n t e r o f mass , o r i n a t t i t u d e c o n t r o lr e q u i r em e n t s. TVC f o r i o n t h r u s t e r s ha s u s u a l l y b ee n a c c om p l is h e d w i t hm e c h an i c al g i m b a l s . T he ATS-6 c e s i u m t h r u s t e r s em p lo y ed a c c e l e r a t o r g r i dd i s p l a ce m e n t t o a c h i e v e TVC b y s t e e r i n g t h e i o n b e am l e ts f r o m t h e s c r e e ng r i d h o l es t h r o u g h t h e a c c e l e r a t o r g r i d . 1 6 T h i s t e c h n i q u e p r o du c e d 5 3d eg re es o f m o t i o n i n e a ch o r t h o g o n a l a x i s .The w or s t c a se i n i t i a l g r i d a l i g n m e n t e r r o r f o r SERT I 1 was e s t i m a t e d t o b e+ 0 .2 5 d eg r e cs . 13 The p o s t u l a t e d t o t a l u n c e r t a i n t y ( d ue t o o t h e r r ea s on ss uc h as c e n t e r o f mass v a r i a t i o n s ) i n t h e t h r u s t v e c t o r , h ow ev er , was a b o u t5 d eg re es .1 3 The s p a c e c r a f t g r a v i t y g r a d i e n t r e s t o r i n g f o r c e s , w h i c h w e r eu sed f o r p r i m a r y s p a c e c r a f t a t t i t u d e c o n t r o l , a l l o w e d a maximum m i s a l i g n m e n to f t h e f u l l 2 8 mN t h r u s t v e c t o r o f t h e t h r u s t e r s a t s t a r t u p o f 4 . 0 d e g r e esi n o r d e r t o m a i n t a i n a t t i t u d e c o n t r o l . T h e re f o r e , e a ch t h r u s t e r was m o un te don a c o n s e r v a t i v e l y d e s ig n ed g i mb a l t o p r o v i d e u p t o 2 1 0 d eg re es o f t h r u s tv e c to r c o r r e c t i o n i n e ac h o f t w o o r t h o g o n a l ax es . T he f l i g h t d a t a i n d i c a t e dmaximum t h r u s t v e c t o r m i s a l ig n m e n t s f r o m a l l s o u r c es o f 0 . 53 d e g re e i n t h er o l l d i r e c t i o n f o r o ne t h r u s t e r a nd 0 . 2 4 d eg r e e i n t h e p i t c h d i r e c t i o n f o rt h e o t h e r t h r u s t e r . 1 3 A c c u r a t e yaw m e as ur em en t w e r e n o t o b t a i n a b l e .Because o f t h e v e r y s m a l l t h r u s t v e c t o r m i s a l i g n m e n t s , t h r u s t v e c t o rc o r r e c t i o n s b y t h e SERT I 1 g i m ba l s we re n e v e r r e q u i r e d d u r i n g t h e p r i m a r yp ha se s o f t h e e x p e r i m e n t .T a b l e I V d e s c r i b e s t h e m e c h a n ic a l t h r u s t v e c t o r c o n t r o l s ys te ms b u i l t a ndd e mo n st ra te d i n t h r u s t e r d e ve lo pm e n t p ro gr am s t o d a t e a nd g i v e s t h e m aximumd e f l e c t i o n a n g l e e ac h p r o v i d e s i n t w o o r t h o g o n a l a x e s. M asses o f m e c h a ni c a lT V C a ss em b l ie s f o r p r i m a r y p r o p u l s i o n i o n t h r u s t e r s h av e b ee n e s t i m a te d t ob e t h e same as t h a t b u i l t f o r SEPS, a b o u t 3 4 p e r c e n t o f t h e t h r u s t e rm a s s . 6 2 F i g u r e s 9 ( a ) a n d ( b ) a r e p h o t o g r a p h s o f t h e SERT I 1 a nd t h e SEPSg im b a l s ys te ms , r e s p e c t i v e l y . M e ch a ni ca l t h r u s t v e c t o r c o n t r o l i sc o ns i d e r e d t o b e a m a tu r e t e c h n o lo g y f o r f u t u r e m i s s i o n p l a n n i n g .P r o p e l l a n t S t o ra q e a nd D i s t r i b u t i o nFor SERT 11, IAPS, a nd SEPS, l i q u i d m e rc u r y p r o p e l l a n t was s t o r e d i n as p h e r i c a l t a n k a nd f l o w t o t h e t h r u s t e r s w as m a i n t a i n e d b y a p a s s i v en i t r o g e n g a s bl ow d ow n s y s t e m . l , 20 ,78 T he m e rc u r y p r o p e l l a n t t a nk a g ef r a c t i o n s r an ge d f r o m 0 .1 3 f o r I A P S ~ ~o 0 . 0 2 f o r SEPS . *OF o r m os t p r e s e n t l y p l a nn e d m i s s i o n s x e n on p r o p e l l a n t w i l l b e s t o r e d a t h i g h( 6 ~ 1 0 ~ - 2 9 x 1 0 ~a ) p r e s s u r e s a s a c om p r e ss e d g a s 2 6 , 3 0 9 3 4 , 7 9 - 8 1 L i q u i ds t o r a g e o f i n e r t ga se s a t c r y o g e n i c t e m p e r a tu r e s h as a l s o b ee n su gg e st e d,e s p e c i a l l y f o r a rg on .Z 2 As a g as , x en on t a n k a g e f r a c t i o n s o f 0 . 1 t o 0 .2h av e b ee n e s t i m a t e d . T he m e t h o d o l og y o f r e f e r e n c e 8 0 was u s ed t o c a l c u l a t e

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r e l a t i v e p r o p e l l a n t t a nk a g e c h a r a c t e r i s t i c s f o r xe n o n , k r y p t o n , a nd a r go n .I t was f o u n d , a s s ho wn i n T a b l e V , t h a t a t a s t o r a g e p r e s s u r e o f 2 . 0 3 ~ 1 0 ~Pa ( 2 0 0 a t m os p h er e s ) an d a t e m p e r a t u r e o f 21C, t a n k a g e f r a c t i o n s f o rk r y p t o n a nd a r g on a r e a p p r o x i m a t e l y 2 t i m e s an d 5 t i m e s , r e s p e c t i v e l y ,g r e a t e r t h a n t h a t n ee de d f o r xe no n. T he s e i n c r e a s e s m i r r o r d e c r e a se s i nc o m p r e s s i b i l i t y a n d d e n s i t y o f t h e i n e r t ga s es w i t h d e c r e a s i n g a to m icm as se E2 U s in g t h e t a n k ag e f r a c t i o n s g i v e n i n T a b l e V f o r k r y p t o n an da rg on , r e l a t i v e t o xe no n , t h e mass o f t h e EOTV d e s c r i b e d i n r e f e r e n c e 79w o ul d i n c r e a s e b y 5 o r 1 7 p e r c e n t i f k r y p t o n o r a r g o n w er e u se d,r e s p e c t i v e l y . Changes n e c e ss a ry t o t h e t a n k ag e s u p p o r t i n g s t r u c t u r e f o r t h el i g h t e r ga s e s w er e n o t c o n s i d e r e d i n t h e s e c a l c u l a t i o n s . A p r o p e l l a n t masso f 1 04 1 k g w o u ld r e q u i r e s p h e r i c a l t i t a n i u m a l l o y t a n k s o f 0 .4 9, 0 .6 2, o r0 .82m d i a m e t e r f o r x en on , k r y p t o n , o r a r go n , r e s p e c t i v e l y . S t o r a g ep r e s s u re s o t h e r t h a n 2 0 0 a tm o s ph er es may b e o p t i m a l f o r t h e d i f f e r e n t g a se sa nd R o u ld y i e l d somewhat d i f f e r e n t r e s u l t s .F i g u r e 10 shows o ne t y p e o f p r o p e l l a n t s t o r a g e an d d i s t r i b u t i o n s ys te m f o rx en on w h i c h h as b e en p r op o s ed f o r s t a t i o n k e e p i n g 2 6 a n d O T Va p p l i c a t i o n s '9 It u se s s y s t em e l e m en t s w h i c h a r e m o s t l y a v a i l a b l e asf l i g h t - q u a l i f i e d , c om m er ci a l h ar d w a re . Two p r o p e l l a n t t a n k s s t o r e x en on a sa gas a t h i g h p r e s su r e . The p r o p e l l a n t f l o w t o t h e t h r u s t e r s i s c o n t r o l l e db y r e d un d an t p r e s s u r e r e g u l a t o r s an d f l o w i mp e da nc es a t t h e t h r u s t e r , i n ano p en - lo o p s y st em . T h i s p r o p e l l a n t f l o w c o n t r o l a p p ro a c h h as b ee nd e m o ns t ra t e d i n ex t e nd e d t e s t s o f l o w po we r, c y c l i c 2 6 a nd h i g h po we r ,c o n t i n uo us 60 x en on i o n t h r u s t e r s .C r y og e n ic s t o r a g e o f i n e r t ga s p r o p e l l a n t s h as b ee n c o n s i d e r e d . 2 2 S u c hs t o r a g e r e q u i r e s t e c h n o l o g i e s s i m i l a r t o t h o s e de ve lo pe d f o r s t o r a g e o fl i q u i d h y d rc g e n a nd o xy ge n. I t h a s b ee n e s t i m a t e d t h a t t h e r a t i o o fp r o p e l l a n t t a nk a ge mass t o p r o p e l l a n t mass, f o r a r g o n , i s a b o u t eq u al t o t h em a g n i tu de o f t h e i n v e r s e o f t h e c ub e r o o t o f t h e p r o p e l l a n t mass i nk i l 0 ~ r a m s . 2 2 Th u s , f o r t h e e xa mp le g i v e n a b o v e , t h e t a n ka g e f r a c t i o n f o rc r y o g e n ic s t o r a g e o f 1 04 1 k g o f a r g o n w o u ld b e e x p e c te d t o b e n e a r l y 0 . 10 .C r yo g e n ic t a n k a ge f r a c t i o n s f o r k r y p t o n an d xe n on a r e r e d u ce d f r o m t h a t o fa r g o n by t h e r a t i o s o f t h e l i q u i d d e n ~ i t i e s . ~ 2 i r e c t co m pa r i so n s o fp r o p e l l a n t t a n k a g e mass f r a c t i o n s f o r d i f f e r e n t s t o r a g e c o n c e p t s w o u l dr e q u i r e s p e c i f i c d e t a i l e d a n a ly s e s an d a r e b ey on d t h e s c op e o f t h i s p a p e r .I o n P r o p u l s i o n Sy st em E f f l u e n t sE f f l u e n t s f r o m i o n p r o p u l s i o n sy st em s c o n s i s t o f p a r t i c l e s a n d f i e l d s . 8 3The e m i t t e d p a r t i c l e s a r e b o t h c h a rg e d a nd u nc h ar ge d . T he c h a rg e d p a r t i c l e sc o n s i s t o f e n e r g e t i c beam i o n s an d l o w e n er g y i o n s a n d e l e c t r o n s , w h i l e t h en e u t r a l p a r t i c l e s a r e e i t h e r p r o p e l l a n t ato m s o r s p u t t e r e d t h r u s t e rm a t e r i a l s . The f i e l d s i n c l u d e s t a t i c a nd d yn am ic ma g ne t i c f i e l d s a nd l o w t ov e r y h i g h f r e q u e n cy e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s . T h e s e p a r t i c l e s an d f i e l d s mayi n t e r a c t w i t h o t h e r s p a c e c r a f t s ys te ms ( s u ch as s o l a r a r r a y s , s t r u c t u r e s ,t h e r m a l c o n t r o l s u r fa c e s , a nd o p t i c a l s e n s o r s ) o r s p a c e c r a f t f u n c t i o n s ( s u cha s c o mm u ni ca t io ns , s c ie n c e , a n d s p a c e c r a f t p o t e n t i a l c o n t r o l ) . T a b l e V I ,t a k e n f r o m r e f e r e n c e 83, shows t h e p o t e n t i a l i n t e r a c t i o n s r e v i e w e d t h e r e i n .T h a t p a pe r c o l l a t e d a nd s u m ma r i z ed i n f o r m a t i o n f r o m 7 6 r e p o r t s d e s c r i b i n ga n a l y t i c a l a nd e x p e r i m e n t a l i m p a c t as s es s me n ts o b t a i n e d f r o m g r o u nd a nds pa ce t e s t s . S i n c e t h e n , a d d i t i o n a l r e s u l t s f r o m g r o u nd t e s ts 1 8 ,8 4 a n d

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f l i g h t t e s t s 2 7 ~ ~ ~ 9 8 6a v e b e c o m e a v a i l a b l e . A r e c e n t s u r v ey 8 7s um ma riz es co m m un i ca t io n s an d e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r a c t i o n s o f i o n a nd o t h e rt yp e s o f e l e c t r i c p r o p u l s i o n s ys te ms w i t h s p a c e c r a f t , as o b se r ve d i n b o t hf l i g h t a nd g ro un d t e s t s .S i x f l i g h t s o f i o n t h r u s t e r s o r i o n s o ur c es u s i n g m e rc u ry , c es iu m, o r xenonp r o p e l l a n t s ha ve ge ne ra te d s u f f i c i e n t d e t a i l t o as se ss t h e i m p a c t s o f t h ev ar io us i o n t h r u s t e r e f f l u e n t s o n t h e i r h o s t ~ ~ a c e c r a f t . 8 3 1 8 7 he r e s u l t sagreed, f o r t h e m os t p a r t , w i t h t h o s e o f g ro un d t e s t s a nd v e r i f i e d mo de ls o ft h e m a j o r e f f l u e n t p r o d u c t i o n a nd t r a n s p o r t p r oc e ss e s t h a t h a ve be eni d e n t i f i e d .The e f f e c t s o f t h e p r o p e l l a n t s e l e c te d f o r i o n p r o p u l s i o n on s p a c e c r a f t f o rdeep space m i s s i o n s and on t h e i r s c i e n t i f i c o b s e r v a t i o n s h av e b ee na d d r e sse d .** T h i s o ve r v ie w o f t h r u s t e r / s p a c e c r a f t i n t e r a c t i o n s i n c l u d e sb o th e x pe r i me n t a l and a n a l y t i c a l e v a l u a t i o n s and s ee ks t o a s s i s t i n d e f i n i n gc r i t e r i a , beyond p r o p u l s i o n s ys te m p er fo rm a nc e , f o r p r o p e l l a n t s e l e c t i o n .I n summary, n o n e g a t i v e e f f e c t s o f i o n p r o p u l s i o n s y s te m o p e r a t i o n o ns p a ce c r a f t i n s u b o r b i t a l , 1 00 0 km p o l a r o r b i t a l o r ge os yn ch ro no us f l i g h t shave been o bs er ve d when d e t a i l e d p r e f l i g h t s y s te m i n t e g r a t i o n t e s t s h a veb ee n c o n du c t ed . T h i s i s u n d e r s t a n d a b l e b e ca u se , a s co m pa re d w i t h o t h e rt yp e s of p r o p u l s i o n , t h e r e i s l e s s p a r t i c l e e f f l u x f r o m l o w t h r u s t , h i g hs p e c i f i c i m pu ls e i o n t h r u s t e r s and n e a r l y a l l o f i t i s d i r e c t l y e x p e l l e d i ns t r a i g h t l i n e t r a j e c t o r i e s . I o n p r o p u l s i o n a l s o a l l o w s t h e us e o f b e n i g np r o p e l l a n t s and p r o v i d es t h e added b e n e f i t o f s p a c e c r a f t p o t e n t i a l c o n t r o l .I n a d d i t i o n , t h e l a r g e d a t a ba se on i o n t h r u s t e r / s p a c e c r a f t i n t e r a c t i o n s ,f r o m b o th g ro u nd an d sp ac e e x p e r i m e n t s , p r o v i d e s i o n p r o p u l s i o n / s p a c e c r a f ti n t e g r a t i o n c r i t e r i a .

C o n c l u s i o n sF o r m ore t h a n 3 0 y e a r s , NASA h as c o n d u c t e d a n i o n p r o p u l s i o n p r o g r a m w h i c hhas r e s u l t e d i n s e v e r a l e x p e r i m e n t a l s pa ce f l i g h t d e m o ns t ra t io n s a nd t h ed ev elo pm en t o f many s u p p o r t i n g t e c h n o l o g i e s . T e c h n o l o g ie s a p p r o p r i a t e f o rg eo sy nc hr on ou s s t a t i o n k e e p i n g , E a r t h o r b i t t r a n s f e r m i s s i o n s , a ndi n t e r p l a n e t a r y m i s s i o n s h av e b een d e f i n e d an d e v a l u a t e d . As a r e s u l t o f t h ei o n p r o p u l s i o n pr og ra m, u n i q u e a nd e x t e n s i v e i n- h ou s e, i n d u s t r i a l , a nda ca de mic c a p a b i l i t i e s h a ve b ee n d e v e l o p e d.The s t a t us o f s e v er a l n a t i o n a l i o n p r o p u l s i o n p ro gr a ms a nd c r i t i c a l i o np r o p u l s i o n sy st em e le me nt s was r e vi ew e d i n t h i s p a pe r . I o n t h r u s t e r s f o rp r im a r y p r o p u l s io n h av e ev o l ve d i n t h e U n i t e d S t a t e s o v e r t h e p a s t 30 y ea rs ,and c u r r e n t l y e m ph as is i s o n xe non a nd k r y p t o n i o n t h r u s t e r s w h i c h c a no p e r a t e f r o m 5 t o 1 0 kW. D r i v e n b y l i f e t i m e c o n s i d e r a t i o n s , t h e b a s e l i n et h r u s t e r s p r e s e n t l y u n d e r d e v e l o p m e n t b y NASA LeRC i n c l u d e r i n g - c u s pm ag ne ti c f i e l d pla sm a c o n t a in m e n t a nd d i s h e d , t w o - g r i d i o n o p t i c s .I o n t h r u s t e r e f f i c i e n c y a nd s p e c i f i c i m pu l s e v a l u e s a r e i n f l u e n c e d b yp r o p e l l a n t a to m ic mass. W i t h xenon , e f f i c i e n c i e s g r e a t e r t h a n 0 .7 a t as p e c i f i c i m pu ls e o f 4000 s ec ond s a r e a t t a i n a b l e . W i t h l i g h t e r k r y p t o n ,t h r u s t e r e f f i c i e n c y d ro ps t o 0 .6 a t s i m i l a r v a l ue s o f s p e c i f i c i m p u l se .When a v a i l a b l e d a t a a r e s c a l ed an e f f i c i e n c y o f 0 .7 i s e x pe c te d a t a

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s p e c i f i c i m p u l s e o f a b o u t 5 000 se co nd s. Based o n a r e c e n t 90 0 h o u r t e s t a t5 . 7 kW , xenon t h r u s t e r l i f e t i m e i s g r e a t e r t h a n 30 ,000 h ou rs e x c ep t f o r t h a to f t h e a c c e l e r a t o r g r i d w h ic h i s s t r o n g l y i n f l u e n c e d b y f a c i l i t y e f f e c t s .Power p r o c e s s o r s f o r m e r c u ry i o n t h r u s t e r s h av e d em o n s tr a te d m ore t h a n1 00 ,0 00 h o u rs o f o p e r a t i o n i n gr o un d t e s t s a n d 64 00 h o u rs i n s pa ce ,i n t e r m i t t e n t l y o v e r a n e l e v e n y e a r p e r i o d . D ra wi ng on t h i s l o n g h e r i t a g eand de m on s tr a te d s i m p l i f i c a t i o n s , s p e c i f i c masses o f p o we r p r o c e s s i n g f o r5-10 kW c l a s s i n e r t gas i o n t h r u s t e r s w i l l l i k e l y f a l l i n t h e 7-4 kg/kWr an ge , r e s p e c t i v e l y , w i t h p a r t s c o u n t on t h e o r d e r o f 500, a nd po we re f f i c i e n c i e s n e a r 0 .9 4. T he y s h o u l d h av e a r e l i a b i l i t y c om p a r a b le t o t h o sep r e v i o u s l y d ev e l op ed f o r m e rc u r y t h r u s t e r s .I f r e q u i re d , t h r u s t v e c t o r c o n t r o l may be r e a d i l y im p le me nt e d v i a i n d i v i d u a lt h r u s t e r g i m ba l i n g . T h i s i s a m a t u r e t e c h no lo g y w i t h p r o v e n r e l i a b i l i t y .I n e r t gas p r o p e l l a n t s a r e g e n e r a l l y s t o r e d a s gase s a t h i g h p r e s s u re b u t maybe s to r e d as l i q u i d s a t c r y o g en i c t e m p e r a t u r e s . I n t h e ga se ous f o r m,p r o p e l l a n t t a nk a ge f r a c t i o n s r an ge f r o m 0 .1 t o 0 .2 f o r xen on and a r e h i g h e rb y f a c t o r s o f a b o ut 2 a nd 5 f o r k r y p t o n and a r go n , r e s p e c t i v e l y . T ec hn iq ue sf o r l o n g - t e rm c r y og e n ic s pa ce s t o r a g e o f t h e s e ga se s r e q u i r e a d d i t i o n a ld e ve lo pm en t b u t o f f e r t h e p ro m is e o f s i g n i f i c a n t l y l o w e r p r o p e l l a n t t a n k a gef r a c t i o n s , e s p e c i a l l y as p r o p e l l a n t q u a n t i t i e s a r e i n c r e a s ed .I o n p r o p u l s i o n s ys te m i n t e r a c t i o n s w i t h s p a c e c r a f t h a ve been e x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d . I n- s pa c e and g ro un d i n t e g r a t i o n t e s t i n g has d e mo n st ra te d t h a ti o n p r o p u l s i o n sys te m s c an be s u c c e s s f u l l y i n t e g r a t e d w i t h t h e i r h o s ts p a c e c r a f t . I o n p r o p u l s i o n sy s t em t e c h n o l o g i e s a r e ma t u re a nd c ans i g n i f i c a n t l y enhance a nd / o r e n a b le a v a r i e t y o f m i s s i o n s i n t h e n a t i o n ' ss pa ce p r o p u l s i o n p r o gr a m .

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R e f e r e n c e s1 . S p o n a b l e , J . M . , a nd Penn, J . P.: "An E l e c t r i c O r b i t a l T r a n s f e rV e h i c l e f o r D e l i v e r y o f NAVSTAR S a t e l l i t e s . " A IA A P a p e r 8 7- 09 85 , May1987.2 . D e i n i n g e r , W . D . , and Vond ra , R . J.: " E l e c t r i c P r o p u l s i o n f o r

C o n s t e l l a t i o n D e p lo y m en t a n d S p a c e c r a f t M a n e u v e r i n g . " A IA A P a p e r8 8 -2 8 33 , J u l y 1 9 8 8 .3. Rosen, S , and S lo an , J . : " E l e c t r i c O r b i t a l T r a n s f e r V e h i c l e - AM i l i t a r y P r o s p e c t i v e . " A IA A 8 9- 24 96 , J u l y 1 9 89 .4 . B e a t t i e , J . R . , a nd Penn, J . P . : " E l e c t r i c P r o p u l s i o n - A N a t i o n a lC a p a b i l i t y . " A IA A 8 9- 24 90 , J u l y 1 9 89 .5 . S t o n e , J . R . , a n d B e n n e t t , G . L . : " T he NASA Low T h r u s t P r o p u l s i o nProg ram . " A I A A 8 9- 24 9 2, J u l y 1 9 8 9 .6 . S c h m i d t , W . . Sanks , T . , and Andrews , J . C . : " T h e A s t r o n a u t i c s

L a b o r a t o ry o f t h e A i r F o rc e Sy s t em s AF AL ." A I AA 89 -2494 , J u l y 1989 .7 . A nd re ws , J . , a n d S an ks T .: " A r c j e t P r o p u l s i o n f o r E L I T E ." A IA A9 0- 25 26 , P a p e r p r o p o s e d f o r t h e 2 1 s t IE PC , J u l y 1 9 9 0 .8 . Space S ys te ms D i v i s i o n : " O p e r a t i o n a l S o l a r E l e c t r i c O r b i t a l T r a n s f e rV e h i c l e S t u d y . " S o l . PRDA N o. 9 0 - 1 2 . C om merce B u s i n e s s D a i l y , I s s u eNo. PSA-0059, March 2, 1 9 9 0 , p . 2 .9. NASA LeRC S t a f f : " A C ase H i s t o r y o f T e c h n o l o g y T r a n s f e r . " NASA TM82618 , Augu s t 1981 .

10 . Kau fm an , H a ro l d R . : " An I o n R o c ke t w i t h an E l e ct r on - B o m b ar d m e n t I o nS o u rc e ." NASA TN D-585, 19 61 .

1 1 . C y b u l s k i , R . J . , e t a l : " R e s u l t s f r o m SERT I o n R o ck e t F l i g h t T e s t . "NASA TN D-27 18 , 1965 .1 2 . K e r s l a k e , W . R . , Goldman, R . G . , a n d N i e b e r d i n g W . C . : "SERT1 1 - M is s io n T h r u s t e r P e rf or m an c e a nd I n - F l i g h t T h r u s t measurement^.^J o u r n a l o f S p a c e c r a f t a n d R o c k e t s , V o l . 8 , N o. 3 , M a r c h 1 9 7 1, p p .

2 1 3-224.1 3 . R u l i s , R . J . : " D es ig n C o n s i d e r a t i o n s a nd R e qu i r e me n ts f o r I n t e g r a t i n ga n E l e c t r i c P r o p u l s i o n S ys te m i n t o t h e SERT I 1 a nd F u t u r e S p a c e c r a f t . "

A I A A Pape r 70 -1123 , Aug us t 1970 .1 4 . K e r s l a k e , W . R . : "SERT 11 T h r u s t e r s - S t i l l T i c k i n g A f t e r E le ve nY e a r s . " A I A A Pape r 81 -1539, 1981 .1 5 . B e c h t e l , R . T . : " E f f e c t o f N e u t r a l i z e r P o s i t i o n o n A c c e l e r a t o r Wearf o r a 30 C e n t i m e t e r D i a m e t e r I o n B om ba rd me nt T h r u s t e r . " NASA TMX-67926, 1971.

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