Electrospray Micropropulsion for Small Spacecraft - Micromilled Porous Emitter Studies

Abstract

Electrospray propulsion (ESP) is emerging as a promising variant of electric spacecraft micropropulsion noted for its high thrust precision, excellent efficiency, inherent scalability and ample opportunity for system simplification. Moreover, the porous emitter subgroup within ESP lever ages passive capillary flow to not only enhance efficiency but further simplify and scale down the overall system. In the current stage of research, ESP faces challenges related to complex development, short operational lifespans, and low throttleability. Conventional machining of porous emitters have demonstrated potential in enabling rapid prototyping and increased access to re search, though micro-machining strategies to produce samples optimized for ESP experimentation are often omitted. This thesis seeks to explore thrust range limitations, as well as to contribute to literature concerning the micromilling of porous glass emitters intended for use in ESP. A crescent wedge emitter design is proposed enabling two distinct operational thrust modes at separate high voltage set points. The crescent emitter is micro-milled out of porous glass, and the machining strategies used to fabricate samples with ideal qualities are detailed. To validate the micromilling process and assess variable thrust operation, a simplified linear wedge design establishes a baseline throttle range for comparison. The design process for each was aided by electrostatic and charged particle tracing modelling to minimize required operational voltages and predict thruster performance. Both emitter designs undergo testing in high vacuum with a specific focus on characterizing the emitted current with applied voltage. Ultimately, the crescent wedge design displayed a stepped emission behaviour not observed in the linear wedge that can be attributed to a primary, low thrust mode of operation at low voltage that transitions into a secondary, higher thrust range at higher voltages.

La propulsion par électropulverisation (ESP) apparaît comme une variante prometteuse du micro-engin spatial électrique. Propulsion connue pour sa grande précision de poussée, son efficacité et son évolutivité inhérente. De plus, le sous-groupe d’émetteurs poreux au sein de l’ESP exploite le flux de propulseur liquide capillaire passif, non seulement pour améliorer l’efficacité, mais potentiellement permettrait de réduire l’ensemble du système. Au stade actuel de la recherche, l’ESP est confronté à des défis liés à un développement complexe, à des durées de vie opérationnelles courtes et à une faible accélération. L’usinage conventionnel d’émetteurs poreux a démontré son potentiel en permettant un prototypage rapide et un accès accru à la recherche. Cette thèse cherche à explorer les limites de la plage de poussée, ainsi qu’à contribuer au pont de connaissances concernant le microfraisage des émetteurs en verre poreux. Une conception d’émetteur en forme de croissant est proposé d’activer deux modes de poussée opérationnels distincts à des points de consigne haute tension distincts. Pour valider le processus de microfraisage et évaluer le fonctionnement à poussée variable, une conception de coin linéaire simplifiée aux des fins de comparaison. Le processus de conception de chacun a été facilité par une modélisation de particules électrostatiques et chargées afin de minimiser les tensions de fonctionnement requises et de prédire les performances du propulseur. Les deux modèles d’émetteur sont soumis à des tests sous vide avec un accent particulier sur la caractérisation du courant émis avec la tension appliquée. La conception en croissant a demontré un comportement d’émission échelonné non observé dans le coin linéaire qui peut être attribué à un mode de fonctionnement primaire (à faible poussée à basse tension) qui passe ensuite à une plage de poussée secondaire (plus élevée à des tensions plus élevées).