An electrospray thruster is an electrostatic propulsion system that employs ionic liquids as propellant. The ionic liquid ion beam comprises single ions and ion clusters, with each cluster consisting of a single ion attached to one or more neutral ionic liquid molecules. Due to its meta-stability, the ion cluster can fragment into a less massive ion and neutral molecules during emission. This fragmentation can alter the overall plume composition and the thrusters clustering based on geometrical arrangement might also alter it. This significantly impacts the ion oscillation, which is responsible for achieving plume neutralization. The objective of this study is to analyze changes in ion oscillation due to fragmentation as well as thruster clustering and the investigation of neutralization based on ion oscillation. Plume simulations are conducted for nine cases using the Particle-in-Cell (PIC)–Monte Carlo Fragmentation (MCF) hybrid method, including cases with and without fragmentation as well as varying current density ratios of monomers to dimers. The results indicate that oscillations primarily occur near the center of the plume, while ions that do not oscillate tend to diffuse toward the boundary. The oscillation frequency of primary monomers increases due to the presence of secondary monomers generated by fragmentation, contributing to the overall ion oscillation frequency. Additionally, the oscillation frequency further increases as the proportion of dimers in the entire plume rises, leading to a greater number of fragmented secondary monomers. These oscillations, further intensified by the increased frequency resulting from fragmentation, reduce the spatial separation between cations and anions, leading to more effective neutralization near the center of the plume compared to the boundary. In terms of clustering, it is also found that arranging one polarity of thruster to enclose the other polarity is more advantageous for achieving neutralization than alternating the arrangement of cation and anion thrusters.

정전분무 추력기는 이온성 액체를 추진제로 사용하는 정전기 추진 시스템이다. 이온성 액체의 이온 빔에는 단일 이온(단량체)과 적어도 한 개 이상의 중성 분자가 단일 이온에 결합된 이온 클러스터로 이루어져 있다. 이온 클러스터는 준안정(meta-stable)상태로 존재하므로 방출 도중에 더 작은 질량의 이온과 중성 분자로 분해될 수 있다. 이러한 분해 현상을 파편화(fragmentation)라고 하며 이는 플룸의 전체 조성을 변화시킬 수 있으며 이는 정전분무 추력기의 플룸 중화 달성 과정인 이온 진동을 변화시킬 수 있다. 또한 추력기의 기하학적 배열에 따른 클러스터링을 통해서도 배기 플룸의 조성이 변화될 수 있다. 본 연구의 목적은 파편화 현상과 추력기 클러스터링에 따른 이온 진동을 특성화 하고 이온 진동에 기반한 중화 과정을 분석하는 것이다. 이를 위해 플룸 해석을 Particle-in-Cell (PIC) - Monte Carlo Fragmentation (MCF) 하이브리드 방법을 사용하여 아홉 가지 계산 케이스에 대해 수행하였다. 계산 케이스는 단량체와 이합체의 전류 밀도 비율과 파편화 고려 여부에 따라 구분하였다. 이온의 진동은 주로 플룸 중심부에서 발생하며, 진동하지 않는 이온은 플룸 경계로 확산하는 것을 확인하였다. 1차 단량체의 진동수는 파편화로 인해 생성된 2차 단량체의 존재로 인해 증가하며, 이는 전체 이온 진동수 증가에 기여한다. 또한, 플룸 내 이합체의 비율이 증가함에 따라 더 많은 2차 단량체가 생성되어 진동수가 추가로 증가하게 된다. 파편화로 인해 증가된 진동수 양이온과 음이온 사이의 공간적 분리를 줄이며, 플룸 중심부의 중화가 경계부보다 중화가 더 잘 일어남을 확인하였다. 클러스터링 측면에서는 한 극성의 추력기로 다른 극성을 둘러싸는 배열이 양이온과 음이온 추력기를 교대로 배치하는 방식보다 중화를 달성하는 데 더 유리한 것으로 나타났다.