PRELIMINARY DESIGN OF A NITROMETHANE MEMS THRUSTER

The advent of a new generation of miniaturized spacecraft with masses in the range of 1-100 kg, commonly referred as 'nano/microsats', led to the need of developing new micro-propulsion concepts. These micro-propulsion systems must be able to satisfy reduced thrust and impulse requirements for purposes of spacecraft attitude control and maneuvering, while also meet the stringent constraints on size, mass, power consumption and costs. In this work is proposed a preliminary design of a MEMS thruster operating with nitromethane as mono-propellant, capable of delivering a 0.1 N thrust with a 25 bar operative pressure. Microelectromechanical systems (MEMS) techniques offer great potential in satisfying the mission requirements for micro and nano satellites. The present work features also an overview on microelectromechanical system technology and its characteristics, with the presentation of various examples of devices and thrusters developed for space and terrestrial applications. Following a panoramic on various propellants considered, an introduction on the propellant chosen for the project (i.e., nitromethane) is discussed. Finally, this paper submits the equations used and the considerations made to achieve the preliminary design of the thruster, the results, 3-D models and the technical drawings.

L'avvento di una nuova generazione di satelliti miniaturizzati con masse nel range di 1-100 kg, comunemente chiamati nano/micro-satelliti, ha portato alla necessità di sviluppare nuovi concetti sulla micro-propulsione. Questi sistemi di micro-propulsione devono essere contemporaneamente in grado di soddisfare la richiesta di spinte e impulsi di bassa intensità finalizzati al controllo d'assetto e delle manovre dei suddetti satelliti, e di incontrare gli stringenti vincoli sulla dimensione, la massa, il consumo di potenza e i costi. In questo lavoro viene proposto un design preliminare di un sistema propulsivo MEMS operante con nitrometano come monopropellente, in grado di erogare una spinta di 0.1 N con una pressione operativa di 25 bar. I sistemi micro-elettro-meccanici offrono un gran potenziale nel soddisfare i requisiti di missione di micro/nano-satelliti. Il presente lavoro contiene inoltre una panoramica sulla tecnologia dei sistemi micro-elettro-meccanici e le loro caratteristiche, con la presentazione di vari esempi di dispositivi ad uso spaziale e terrestre. Dopo una panoramica sui vari propellenti considerati, viene introdotto il propellente scelto per questo progetto, vale a dire il nitrometano. Infine, sono presenti le equazioni usate e le considerazioni fatte per ottenere il design preliminare del propulsore, i risultati, i modelli 3-D e i disegni tecnici.