In general, electric propulsion offers very high efficiency but relatively low thrust. To remedy this, several ion engines can be assembled in a clustered configuration and operated in parallel. This requires the careful design of a frame to accommodate the individual propulsion systems. This frame must be modular to be used in different cluster sizes, and verify thermal and mechanical requirements to ensure the nominal operation of the thrusters. The present report aims to show the design process of such a frame, from preliminary modelling to the experimental study of a prototype. This document features an overview of the iterative design process driven by thermal simulations rendered on COMSOL Multiphysics. This process led to the conception of a 2-thruster and 4-thruster cluster frame. A lumped-parameter model of the electric propulsion system was also created to model its complex thermal behaviour. In addition, the 2-thruster frame was studied mechanically with analytical calculations and simulations of simple load cases on SolidWorks. Lastly, a prototype based on the 2-thruster frame model was assembled. The prototype was used to conduct temperature measurements while hosting two operating thrusters inside a vacuum chamber. The temperature distribution in the cluster was measured, and compared to simulation results. Thermal simulations of the 2-thruster and 4-thruster frame showed promising results, while mechanical simulations of the 2-thruster version met all requirements. Moreover, experimental results largely agreed with thermal simulations of the prototype. Finally, the lumped-element model proved instrumental in calibrating the models, with its high flexibility and quick computation time. / Generellt erbjuder elektrisk framdrivning hög verkningsgrad men relativt låg dragkraft. För att avhjälpa detta kan flera jonmotorer sättas samman i en klusterkonfiguration och drivs parallellt. Detta kräver en noggrann utformning av en ram för att rymma de enskilda framdrivningssystemen. Denna ram måste vara modulär för att kunna användas i olika klusterstorlekar och verifiera termiska och mekaniska krav för att säkerställa den nominella driften av motorerna. Föreliggande rapport syftar till att visa designprocessen för en sådan ram, från preliminär modellering till experimentell studie av en prototyp. Detta dokument innehåller en översikt över den iterativa designprocessen, driven av termiska simuleringar gjorda med COMSOL Multiphysics, som ledde till uppfattningen av en 2 motorer och 4 motorer ram. En klumpelementmodell av jonmotorn skapades också för att modellera dess komplexa termiska beteende. Dessutom var den 2 motorer ram studeras mekaniskt med analytiska beräkningar och simuleringar av enkla laddafall med SolidWorks. Slutligen monterades en prototyp baserad på den 2 motorer rammodellen. Prototypen användes för att göra temperaturmätningar medan den är värd för 2 jonmotorer i en vakuumkammare. Temperaturfördelningen i klustret mättes och jämfördes med simuleringsresultat. Termiska simuleringar av den 2 motorer och 4 motorer ramen visade lovande resultat, medan mekaniska simuleringar av den 2 motorer versionen klarade alla krav. Dessutom överensstämde experimentella resultat till stor del med termiska simuleringar av prototypen. Slutligen var klumpelementmodellen mycket användbar för att kalibrera de andra modellerna med sin höga flexibilitet och snabba beräkningstid.

Electric Propulsion (EP) is widely acknowledged as a crucial technology for future space missions, offering significant propellant savings and enabling exploration of planetary missions with smaller spacecraft (s/c). For precise attitude control of these smaller spacecraft, Field Emission Electric Propulsion (FEEP) has emerged as a favorable option due to its exceptional thrust controllability. However, the successful operation of FEEP, as well as most other EP systems, relies on an electron source, typically a Hollow Cathode (HC), to neutralize the ion beam. This cathode’s behavior must be characterized through ground testing before being integrated with the thruster. Once integrated, the whole thruster undergoes further testing. While the testing phase plays an essential role in achieving mission objectives, there is a scarcity of comprehensive papers describing the design of test setups for cathodes, such as Heaterless Hollow Cathode (HHC), or EP thrusters like FEEP. The lack of detailed information makes it challenging for those not well-versed in this particular testing methodology to effectively replicate the tests. In an effort to address this issue, this thesis utilizes literature studies and thermal analyses to propose a HHC test setup by focusing on the anode configuration and the electrical interface; Subsequently, parts of this HHC test setup are reused in a conceptual vacuum chamber adaptation, facilitating testing of FEEP. Specifically, for the HHC setup, two stainless steel plate-shaped anodes are manufactured, and an accompanying electrical schematic diagram is presented to demonstrate the proper connection of power supplies and other necessary equipment. For the FEEP setup, a chevron beam target, an aluminum shield to protect the pump, and a heat-dissipating stand are introduced. These two test setups, along with the underlying motivation, can ideally simplify future cathode and thruster testing processes, especially for those having limited familiarity with this subject matter. / Elektrisk framdrivning är allmänt erkänt som en avgörande teknologi för framtida rymduppdrag eftersom elektrisk framdrivning erbjuder betydande bränslebesparingar och möjliggör utforskning av planetära uppdrag med mindre rymdfarkoster. För exakt styrning av dessa mindre rymdfarkoster har fältjonisationsframdrivning framträtt som ett fördelaktigt alternativ på grund av sin exceptionellt styrbara drivkraft. Dock är den framgångsrika driften av fältjonisationsframdrivning, liksom de flesta andra elektriska framdrivningssystem, beroende av en elektronkälla, vanligtvis en hålkatod, för att neutralisera jonstrålen. Denna katods beteende måste karakteriseras genom marktester innan den integreras med drivsystemet. Efter integrationen genomgår hela drivsystemet ytterligare tester. Trots att testfasen spelar en avgörande roll för att uppnå uppdragsmålen finns det en brist på omfattande rapporter som beskriver utformningen av testupplägg för katoder, såsom värmelösa hålkatoder, eller elektriska framdrivningssystem så som fältjonisationsframdrivning. Den bristfälliga informationen gör det svårt för dem som inte är insatta i denna specifika testmetodik att effektivt replikera testerna. I ett försök att lösa detta problem använder denna avhandling litteraturstudier och termiska analyser för att föreslå en testuppsättning för en värmelös hålkatod genom att fokusera på anodkonfigurationen och det elektriska gränssnittet; Därefter återanvänds delar av denna värmelösa hålkatods-testuppsättning i en konceptuell vakuumkammar-anpassning för att underlätta testning av fältjonisationsframdrivning. Specifikt för den värmelösa hålkatods-uppsättningen tillverkas två platta anoder av rostfritt stål, och ett tillhörande schematiskt diagram över det elektriska gränssnittet presenteras för att demonstrera korrekt anslutning av strömförsörjning och annan nödvändig utrustning. För fältjonisationsframdrivnings-uppsättningen introduceras ett chevron-mönstrat jonstråle-mål, ett aluminiumskydd för pumpen och ett värmeavledande stativ. Dessa två testuppsättningar, tillsammans med den underliggande motiveringen, kan i bästa fall förenkla framtida testprocesser för katoder och drivsystem, särskilt för dem som har begränsad kännedom om ämnet.