Design and optimization of an EAD multistage ducted thruster

This work presents an experimental and analytical investigation of a Multistage Ducted (MSD) electro-aerodynamic thruster for atmospheric flight. The study aims to overcome the thrust density limitations of single-stage devices by optimizing both electrostatic topology and aerodynamic integration. Static bench testing is initially conducted to evaluate an alternating-polarity architecture. By comparing different configurations, it is found that employing 200 µm wires for the negative-stage collectors optimally increases grid density, approximating a flat-plate effect that successfully suppresses reverse corona emission. Following the identification of the optimal inter-stage spacings, a physics-based predictive model is formulated to extrapolate the static performance up to a standard potential of 20 kV. Subsequently, the optimized propulsion core is characterized in a wind tunnel. Results indicate that a specialized duct with an inlet area ratio of 0.8 effectively mitigates viscous losses and wake re-ingestion. Finally, an investigation into ground-effect phenomena reveals a global aerodynamic optimum at a clearance of 60 mm, where ground proximity suppresses vortex shedding, significantly reducing pressure drag and maximizing the net electromechanical efficiency.

Questo lavoro presenta un'indagine sperimentale e analitica di un propulsore elettro-aerodinamico intubato multistadio (MSD) per il volo atmosferico. Lo studio mira a superare le limitazioni di densità di spinta dei propulsori a singolo stadio ottimizzando sia la topologia elettrostatica che l'integrazione aerodinamica. Inizialmente sono stati condotti test statici al banco per valutare un'architettura a polarità alternata. Confrontando diverse configurazioni, è emerso che l'impiego di fili da 200 µm per i collettori degli stadi negativi incrementa in modo ottimale la densità della griglia, approssimando un effetto di piastra piana che sopprime con successo l'emissione di corona inverso (reverse corona). A seguito dell'identificazione delle distanze ottimali tra gli stadi, è stato formulato un modello predittivo basato su leggi di scala quadratiche per estrapolare le prestazioni statiche fino a un potenziale standard di 20 kV. Successivamente, il nucleo propulsivo ottimizzato è stato caratterizzato in galleria del vento. I risultati indicano che un condotto specializzato con un rapporto d'area in ingresso pari a 0.8 mitiga efficacemente le perdite viscose e la re-ingestione della scia. Infine, l'analisi dei fenomeni di effetto suolo rivela una condizione di ottimo aerodinamico globale ad una distanza dal suolo di 60 mm, dove la prossimità del terreno sopprime il meccanismo di vortex shedding, riducendo significativamente la resistenza di pressione e massimizzando l'efficienza elettromeccanica netta.