Experimental investigation of a three-electrode configuration for high altitude ion thruster applications

This thesis presents the design and experimental characterization of a three-electrode electroaerodynamic (EAD) thruster for low-pressure operation. The architecture decouples ion production from ion acceleration: a glow-discharge ionization stage is sustained between two upstream electrodes, while an independently biased downstream grid extracts and accelerates ions, producing thrust through ion-neutral momentum transfer. Multiple ionization geometries (needle needle, dome-needle, dome-dome and needle-ring) were investigated across a range of electrode gaps and chamber pressures in a low-pressure chamber under both DC and AC ionization. Results show that negative grid polarity is required to preserve decoupling, whereas positive polarity promotes unwanted discharge to the grid. Thrust is measurable only within a stable extraction regime and it collapses when a glow transition de velops toward the grid. Thrust increases with pressure and becomes undetectable below about 10 kPa with the present metrology. The acceleration current shows weak sensitivity to ionization current, and thrust scales approximately with the square of the accelerating field. AC ionization provides thrust comparable to DC while reducing ionization power, improving thrust-to-power under matched con ditions. Overall, the findings define the operating boundaries of the decoupled glow-based concept and point to targeted improvements to extend stable extraction and thrust generation at lower pressure.

Questa tesi presenta la progettazione e la caratterizzazione sperimentale di un propulsore elettroaerodinamico (EAD) a tre elettrodi per il funzionamento a bassa pressione. L’architettura disaccoppia la produzione di ioni dalla loro accelerazione: uno stadio di ionizzazione in regime di scarica a bagliore è sostenuto tra due elettrodi a monte, mentre una griglia a valle, polarizzata in modo indipendente, estrae e accelera gli ioni generando spinta tramite trasferimento di quantità di moto agli atomi neutri. Diverse geometrie di ionizzazione (ago-ago, cupola-ago, cupola-cupola, ago-anello) sono state investigate in una camera a bassa pressione, al variare dei gap elettrodici e della pressione di camera, in condizioni di ionizzazione sia DC sia AC. I risultati mostrano che la polarità negativa della griglia è necessaria per mantenere il disaccoppiamento, mentre la polarità positiva favorisce una scarica indesiderata alla griglia. La spinta è misurabile solo entro un regime di estrazione stabile e collassa quando si innesca una transizione a una scarica a bagliore verso la griglia. La spinta cresce con la pressione e sotto circa 10 kPa non risulta rilevabile con la metrologia adottata. La corrente di accelerazione mostra una debole sensibilità alla corrente di ionizzazione, e la spinta scala approssimativamente con il quadrato del campo di accelerazione. La ionizzazione AC fornisce spinta comparabile alla DC riducendo la potenza di ionizzazione, migliorando il rapporto spinta-potenza a parità di condizioni. Nel complesso, i risultati definiscono i limiti operativi del propulsore disaccoppiato basato sulla scarica a bagliore e indicano miglioramenti mirati per estendere l’estrazione stabile e la generazione di spinta a pressioni più basse.