Parametric study of electrodes geometries for atmospheric EHD propulsion

Electrohydrodynamic (EHD) propulsion represents a valid alternative for what concerns thrust generation techniques in the world of aerospace. Such technique creates a net thrust force through ions generation and their motion inside a flow, thanks to electrostatic forces. This technology, known from more than a century, shows many advantages, like its high reliability, its low-noise characteristics and the absence of moving parts and combustion products. However, in the last few decades, the implementations studied were mainly focused on spatial applications, where ions are generated by ad hoc instruments and accelerated in vacuum conditions. Important results about in-atmosphere flying applications have been obtained only during last few years. Starting from these ones, the main objective of this thesis is to provide an exhaustive performances analysis about electrodes shape and thruster arrangement. A parametric study of collectors shape is performed, trying to balance electrical and aerodynamic effects. In order to make this study, a modular setup, able to accommodate different thruster configurations, has been used. In addition, support structure adopted is compatible with dimensions of the vacuum vessel, which is already available in aerodynamics laboratory of Politecnico di Milano. Consequently, this chamber could be used for future tests with different atmospheres and pressures. Electrodes shapes studied do not consider the most common geometries developed for EHD technology like cylinder or foil shapes. NACA symmetric airfoil shapes have been investigated, along with drop-shaped collectors, with semi-cylindrical leading edges and triangular trailing edges: these geometries were inspired by results obtained by principal research groups on EHD technology. Achieved results appear comparable, for what concerns thruster performances, with other state-of-the-art devices. The proposed parametric analysis provides interesting results and a good exhaustive picture, absent until now in literature. Through a comparison between thruster efficiency and weight, its better configuration has been chosen for a preliminary sizing of a demonstrator airship moved by an EHD thruster. In conclusion some eventual future developments of research work are reported such as the study of new geometries and the analysis of thruster performances in rarefied atmospheric conditions.

La propulsione elettroidrodinamica (EHD) rappresenta un'alternativa per quanto riguarda le tecniche di generazione di spinta all'interno del mondo aerospaziale. Essa infatti crea una forza motrice attraverso la generazione di ioni e il loro moto all'interno di un fluido grazie a forze elettrostatiche. Questa tecnologia, nota ormai da piu di un secolo, offre molti vantaggi quali l'elevata affidabilità, la scarsa rumorosità, l'assenza di parti mobili e di prodotti di combustione. Tuttavia, negli ultimi decenni le applicazioni sono state prevalentemente studiate in campo spaziale, dove gli ioni sono generati a partire da un mezzo ad hoc ed accelerati nel vuoto. Solamente durante gli ultimi anni sono stati ottenuti i primi risultati in campo aeronautico in atmosfera. Partendo da questi, la tesi si propone come obiettivo principale quello di fornire un'analisi di prestazioni per quanto riguarda forma e configurazione del propulsore ionico, studiando parametricamente la forma degli elettrodi collettori e cercando il bilanciamento tra forme che favoriscono il campo elettrico ma frenano il fluido e forme più aerodinamiche con prestazioni elettriche inferiori. Per poter effettuare quest'analisi è stato utilizzato un setup modulare capace di alloggiare diverse configurazioni del propulsore. La struttura utilizzata ha inoltre il vantaggio di essere compatibile con le dimensioni della camera a vuoto gia' presente all'interno del laboratorio aerodinamico del Politecnico di Milano. Ciò garantisce la possibilita' di effettuare test a diverse pressioni ed atmosfere in futuro. Le forme degli elettrodi studiate differiscono da quelle dei primi studi, che erano semplici cilindri o fogli piani: in particolare sono stati considerati elettrodi collettori a forma di profilo simmetrico NACA e a goccia, con testa semicilindrica e coda triangolare, ispirandosi ai risultati dei principali gruppi di ricerca nel campo. I dati ottenuti appaiono in linea, in termini di prestazioni, con i dispositivi presenti allo stato dell'arte. Contemporaneamente identificano la migliore forma per gli elettrodi collettori in un interessante campo di parametri, e conducono a risultati originali non presenti finora in letteratura. Tenendo conto di efficienza e peso è stata poi selezionata la migliore configurazione per un dimensionamento preliminare di un modello dimostratore di dirigibile a propulsione EHD. Infine sono riportati, i possibili futuri sviluppi del lavoro di ricerca, che comprendono lo studio di nuove geometrie, e le indagini in atmosfera rarefatta.