Design and testing of a laboratory setup for EHD propulsion studies

Electrohydrodynamic propulsion, which produces thrust by means of accelerating ions in a fluid thanks to electrical forces, can provide an alternative low-noise aircraft propulsion method without moving parts and combustion products. In the last few years, several research groups obtained remarkable results in this area. The objectives of this work are the design and construction of a multipurpose test rig for solid-state electrohydrodynamic (EHD) thrusters testing, and the execution of a first measurement campaign. The product of this design process is a flexible and modular experimental setup, able to accommodate several electrodes geometries in both an array and multistage configuration. Moreover, the overall dimensions of the setup have been designed to be compatible with the vacuum vessel available in the Politecnico di Milano aerodynamic laboratory in order to perform tests in different atmospheres. In this thesis, the electrode configuration used in MIT for the first flight of a solid-state aeroplane is reproduced and its performances characterized for different geometric configuration. Results are promising, PoliMi EHD thruster performances are calculated and in line with other state of the art devices, and preliminary calculations show that applications to low-speed, low-size unmanned flying vehicles can be feasible. In conclusion, future developments of the research work are presented, including the possibility to perform tests with different power supplies, electrodes geometries or even gas pressures and compositions.

La propulsione elettroidrodinamica si basa sulla produzione di spinta accelerando ioni in un fluido grazie all'azione di forze elettrostatiche. Questo può essere un efficace metodo propulsivo alternativo grazie alle favorevoli caratteristiche di bassa rumorosità, assenza di parti mobili e prodotti di combustione. Negli ultimi anni, diversi gruppi di ricerca hanno ottenuto risultati promettenti in questo campo. Gli obiettivi della tesi presentata sono la progettazione e la costruzione di un banco di prova per propulsori elettroidrodinamici e lo svolgimento di una prima campagna di misure. Il risultato del lavoro di progettazione è un setup sperimentale modulare e adattabile, capace di alloggiare diverse geometrie di elettrodi in configurazione singola o parallela. In aggiunta, gli ingombri del sistema sono stati dimensionati per essere compatibili con le dimensioni della camera a vuoto disponibile presso il laboratorio aerodinamico del Politecnico di Milano, con lo scopo di poter effettuare prove in diverse atmosfere. I test effettuati nel corso della tesi hanno riprodotto la configurazione di elettrodi utilizzata dal gruppo di ricerca del MIT per il primo prototipo di velivolo a stato solido e la hanno caratterizzata in termini di prestazioni. I risultati si sono rivelati promettenti, le prestazioni del propulsore costruito nei laboratori del Politecnico di Milano si sono dimostrate in linea con quelle di altri dispositivi allo stato dell'arte. Un dimensionamento preliminare ha dimostrato che l'applicazione a piccoli velivoli senza pilota è possibile. Sono infine presentati possibili sviluppi futuri del lavoro di ricerca, includendo la possibilità di effettuare prove con diversi tipi di alimentatori, geometrie di elettrodi e differenti atmosfere in termini di composizione di gas e pressione.