ETD

• electric propulsion
• faraday cup
• hall thruster
• thrust balance

The thesis addresses two main topics. The first concerns the characterization of a thrust balance for applications with electric propulsion systems. The balance adopts a folded pendulum configuration, and a dynamic model of the system was developed to study its behavior under different configurations. The model was subsequently calibrated through experimental measurements. Based on this, a detailed study of the balance behavior was conducted under various operating conditions representative of actual testing environments.
The second part of the thesis focuses on the design and optimization of a Faraday cup to measure the ion current produced by an iodine-fed Hall thruster. The design process was supported by PIC simulations, which guided the main design choices. The probe was developed with a modular architecture to allow the investigation of different geometric configurations. Experimental campaigns were then carried out using the various Faraday cup configurations as well as other plasma probes, enabling both a comparison between different diagnostic techniques and a deeper understanding of the plasma behavior inside the designed probe. The experimental results were compared with the simulation results used during the design phase. Finally, the Hall thruster plume was characterized in detail through the experimental measurements.

La tesi affronta due temi principali. Il primo riguarda la caratterizzazione di una bilancia di spinta per applicazioni con propulsori elettrici. La bilancia adotta una configurazione folded pendulum ed è stato sviluppato un modello dinamico del sistema per analizzarne il comportamento in diverse configurazioni operative. Il modello è stato successivamente calibrato sperimentalmente. Sulla base di questo, è stato condotto uno studio approfondito del comportamento della bilancia in varie condizioni operative rappresentative delle reali condizioni di test.
La seconda parte della tesi riguarda il design e l’ottimizzazione di una Faraday cup per la misura della corrente ionica prodotta da un Hall thruster alimentato a iodio. Il processo di progettazione è stato supportato da simulazioni PIC, che hanno guidato le principali scelte di design. La sonda è stata progettata con una configurazione modulare, così da permettere lo studio di diverse configurazioni geometriche. Sono stati quindi eseguiti esperimenti con le diverse configurazioni della Faraday cup e con altre plasma probes, al fine di confrontare tecnologie differenti e ottenere una comprensione più approfondita del comportamento del plasma all’interno della sonda. I risultati sperimentali sono stati confrontati con quelli delle simulazioni utilizzate in fase di progettazione. Infine, la plume del Hall thruster è stata caratterizzata in dettaglio attraverso le campagne sperimentali.