Performance of grid collectors for air-breathing ion thrusters

The growing interest in electrical propulsion, driven by the progressive decline of fossil fuel usage and advancements in battery technology, has reignited exploration into Electrohydrodynamic (EHD) thrusters. Recent EHD thrusters employ airfoil-shaped electrodes to collect ions and generate thrust, but this configuration presents limitations in terms of thrust-to-power ratio, thrust-to-weight ratio and thrust density. This work investigates the potential of grid structures as an alternative collector electrode to enhance thruster performance. A comprehensive experimental campaign was conducted with the primary objective of identifying how performance parameters vary with different grid configurations and mesh spacings in order to determine the optimal region. Preliminary results indicate a substantial improvement, specially in thrust density, compared to conventional airfoil collectors, suggesting that grid-based EHD thrusters have the potential to revolutionize the field through simpler, lighter, and more efficient designs.

Il crescente interesse per la propulsione elettrica, alimentato dal progressivo declino dell'uso dei combustibili fossili e dai progressi nella tecnologia delle batterie, ha riacceso l'esplorazione dei propulsori elettroidrodinamici (EHD). I recenti propulsori EHD utilizzano elettrodi a forma di profilo alare per raccogliere ioni e generare spinta, ma questa configurazione presenta limitazioni in termini di rapporto spinta/potenza, rapporto spinta/peso e densità di spinta. Questa tesi indaga il potenziale delle strutture a griglia come elettrodi collettori alternativi per migliorare le prestazioni del propulsore. È stata condotta una vasta campagna sperimentale, con l'obiettivo principale di identificare come i parametri di prestazione variano al variare delle configurazioni di griglia e delle spaziature della maglia, al fine di determinare la regione ottimale. I risultati preliminari indicano un sostanziale miglioramento, specialmente nella densità di spinta, rispetto ai collettori a profilo alare convenzionali, suggerendo che i propulsori EHD basati su griglia hanno il potenziale di rivoluzionare il settore attraverso design più semplici, più leggeri e più efficienti.