Effects of the anodic density on the performance of an atmospheric ionic thruster

This work presents a laboratory study of corona thrusters performance as function of the electrodes geometry, focusing on the emitter electrodes. The setup consists in parallel arrays of emitting and collecting electrodes with independently adjustable spacings. This propulsion system is tested with the same power supply in two different benchs, for output velocity and direct thrust measurements. The downstream velocity field is characterized in detail and also used to determine thrust by momentum balance, comparing it with the direct readings. The above data, together with electric measurements, lead to determine thrust-to-power ratio and thrust density as performance parameters. By comparing the different geometries, it is found that the ratio between emitters spacing and collector spacing has optimal values, indicating that performance degrades both when emitters are too numerous compared to the collectors and when they are too few.

Questo lavoro presenta uno studio sperimentale sulle prestazioni dei propulsori a effetto corona e i loro effetti al variare delle geometrie degli elettrodi, con particolare attenzione agli emettitori. Il setup consiste in una serie di emettitori e collettori posti parallelamente con spaziature variabili in modo indipendente. Questo sistema propulsivo viene testato su due apparati differenti, uno per la misura della distribuzione di velocità del flusso in uscita dal motore e uno per la misura diretta della spinta tramite celle di carico; entrambi i setup utilizzano lo stesso generatore di tensione. Il flusso di velocità a valle del propulsore è studiato nel dettaglio e viene anche impiegato per determinare la spinta del dispositivo stesso tramite leggi di conservazione, comparando i risultati con la misura diretta derivante dalle celle di carico. I dati ottenuti, insieme a misurazioni delle grandezze elettriche, hanno portato a determinare i valori dei parametri di controllo per l’efficienza del propulsore, come il rapporto Spinta/Potenza elettrica e il valore della densità geometrica di spinta. Comparando le differenti geometrie, è stato scoperto che il rapporto tra numero di emettitori e collettori possiede un valore ottimo, indicando che le prestazioni del propulsore ionico calano anche se gli emettitori diventano troppo numerosi rispetto ai collettori.