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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-300970 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Bek, Jeremy |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2021:340 |
Page generated in 0.0022 seconds