Design of a propellant delivery system for porous electrospray thrusters

Porous electrospray thrusters are a leading contender for a high performance propulsion system for CubeSats and micro-satellites, offering high specific impulse without a significant loss in the overall efficiency of the propulsion system. The University of Southampton has successfully developed a porous electrospray thruster, with good performance demonstrated. One of the problems though with electrospray thrusters is that the propellant is stored within the porous structure of the electrospray thruster, meaning that the total amount of propellant available, and therefore the total impulse is limited. To alleviate this issue, this project works to develop a pressurized propellant delivery system that is compatible with the Southampton porous electrospray thruster. The design of a propellant delivery system is carried out considering the properties of the ionic propellants that will be used with the system: 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (EMI-BF4) and FAM-110A. The research starts with the development of the different components necessary to guarantee the required mass flow rate. Furthermore, an investigation on the techniques to control the pressure is carried out. Once the delivery system is designed, some tests are performed. First, the stability of the pressure is tested and controlled with a closed-loop control system, using LabView. Then, the propellant delivery system is tested to evaluate the propellant mass flow rate and the possible presence of leakages, with different tubes and pressures.

I propulsori elettrospray a struttura porosa sono uno dei principali contendenti tra i sistemi di propulsione ad alte prestazioni per Cubesats e micro-satelliti. Essi offrono un elevato impulso specifico senza una perdita significativa dell’efficienza complessiva del sistema di propulsione. L’Università di Southampton ha sviluppato con successo un propulsore elettrospray poroso, dimostrando la capacità di fornire ottime prestazioni. Uno dei problemi però con gli elettrospray è che il propellente è immagazzinato all’interno della struttura porosa del propulsore, il che significa che la quantità totale di propellente disponibile, e quindi l’impulso totale, è limitata. Per risolvere questo problema, questo progetto ha l’obiettivo di sviluppare un sistema pressurizzato di delivery del propellente che sia compatibile con l’elettrospray poroso di Southampton. La progettazione di questo sistema è effettuata considerando le proprietà dei propellenti ionici che verranno utilizzati con esso: 1-etil-3-metilimidazolo tetrafluoroborato (EMI-BF4) e FAM-110A. L’attività di ricerca inizia dallo sviluppo dei diversi componenti necessari a garantire la pressione richiesta. Inoltre, è condotta un’indagine sulle tecniche di controllo della pressione. Una volta progettato il sistema di delivery, alcuni test sono eseguiti. Innanzitutto, la stabilità della pressione viene testata e controllata con un sistema di controllo ad anello chiuso, utilizzando LabView. Successivamente, il sistema di delivery del propellente viene testato per valutare la portata in massa del propellente e l’eventuale presenza di perdite, con tubi e pressioni differenti.