Orbit relative control by means of electrospray propulsion

The present work has the aim to characterise an electrospray thruster in study at the University of Southampton and then to perform a feasibility study on a formation flying mission application. The first part of the study was performed at the University of Southampton, the second part at Politecnico di Milano. The thruster in study is an electrospray and it is suited for a category of small satellites called CubeSat. In the latter years, this kind of satellites, become very popular rising the interest of many people. The reason is that they represent an easy and cheap way to go into space, to test new technology and for scientific purpose. An interesting possibility for the CubeSats is to work in formation, this allows to expand the possibility of a CubeSat-based mission because the constraint of power and space can be extended by placing different instrument on different CubeSat. An electrospray thruster electrostatically accelerates charged droplets and/or ions, producing small thrusts a high specific impulse. In this thesis the fundamental principle at the basis of electrospray thrusters are presented. Then some experiments have been performed at the University of Southampton to characterize the thruster. The last part of this work is a feasibility study on the use of these thrusters to perform a station keeping of a CubeSat in formation flying, using an optimal controller linear quadratic regulator.

Il presente lavoro di tesi è finalizzato alla caratterizzazione sperimentale di un propulsore di tipo electrospray in studio alla University of Southampton ed al successivo studio di fattibilità di una missione in formation flying. La prima parte di questo lavoro é stata svolta alla University of Southampton,la seconda parte al Politecnico di Milano. Il propulsore in studio è di tipo electrospray e serve una categoria di piccoli satelliti chiamati CubeSat. Questo tipo di satelliti, negli ultimi anni, hanno subito una forte espansione e molti si sono interessati alla loro progettazione e realizzazione. Il motivo è che rappresentano un modo economico e semplice di accedere allo spazio, sia per testare nuove tecnologie che per studi scientifici. Una importante possibilità per i CubeSat è di lavorare in formazione, questo permette di ampliare le possibilità di missione in quanto non si è vincolati allo spazio e potenza ridotto presente su un CubeSat, ma si possono montare strumenti diversi su satelliti diversi. Un propulsore di tipo electrospray accelera mediante un campo elettrostatico uno spray di particelle liquide e/o di ioni, al fine di creare piccoli valori di spinta a valori di impulso specifico elevati. In questa tesi sono presentati i principi di funzionamento dell’electrospray. Sono poi stati effettuati degli esperimenti per la caratterizzazione del propulsore alla University of Southampton. Nella parte finale viene analizzata la fattibilità di utilizzare questo tipo di motore per un mantenimento di orbita di un CubeSat in formazione, mediante una simulazione usando un controllore di tipo linear quadratic regulator.