微型霍尔推进器的优化、测试与诊断

本演示的总体目标是介绍在地面空间环境模拟设施中测试专用电推进器的方法学。相关方法采用自动化系统，结合软硬件集成，实现智能化系统，用于在轨推进模块及其他有效载荷的自动化或远程诊断与性能评估。新加坡空间推进中心是新加坡南洋理工大学国立教育学院下属的研究中心。

本文开发的测试环境包含两个用于不同目的的空间环境模拟装置。其中，缩比空间环境模拟器主要用于推进器的寿命测试。在此装置中，推进器被长时间点火运行，以评估等离子体损伤对遥测通道的影响。

并进而推断推进器的使用寿命。四丝悬挂平台可清晰展示推进模块在不同有效载荷上的安装方式对空间原位机动性能的影响。该过程通过将整个有效载荷安装并悬挂在悬挂系统上来模拟。

随后可以点火推进器，并根据空间环境条件驱动安装模块的悬浮平台。四线摆也加快了在空间环境下对推进器和模块进行调平、校准和安装的过程。通过该装置，测试设施中仅需一名操作人员即可利用扭转丝的频率调制，完成整个系统的调平与校准。

除了可实现原位推力测量的四臂悬挂式推力平台外，模块化空间驱动机器人探针还可通过可配置的连接单元进行定制化安装。此外，大型空间环境设施配备了大量安装接口以及真空吸附式电子滤波器，可同时安装多个推进器和诊断设备，实现性能的同步评估。这避免了单独测试时因腔室抽真空及在安装和重新配置过程中反复开启而造成的停机时间损失。

在测试推进装置之前，我们将介绍四线摆的安装与校准步骤。首先，确保所有组件均已按照后续测试要求安装到腔室内。在密封腔室前，先对外部诊断工具的连接性进行测试。

使用集成的设备控制功能密封腔室。按级联顺序开启真空泵，依次启动干泵、涡轮分子泵，然后启动低温泵。使用开发的应用程序将设备与腔室内的无线收发器同步。

当应答器上的闪烁LED停止闪烁时，同步过程即完成。一旦达到所需真空度，使用激光位移传感器获取初始读数作为基线。使用开发的应用程序触发校准质量块的下落，以在四丝悬挂平台上实现力的转换。

记录激光位移传感器的位移数据。重复降低砝码并记录四丝悬挂平台位移的过程，直至用完所有校准砝码。绘制校准曲线，以获得安装在四丝悬挂平台上的系统的校准因子。

随后可以点火推进器，并通过研究人员自行编写的数据采集程序实时捕获所需参数。或者，也可使用集成应用程序，以完全自动执行校准过程，同时相应地同步电机的驱动序列和传感器的数据采集。接下来，我们将介绍如何对获得的推力参数进行独立验证，以实现与零值测量的比对，以及在完成推力测量后，如何触发空间驱动的代理装置以获取羽流分布剖面。

首先，在平衡位置处获取四线摆的基线读数。从推进器控制面板将工作参数切换至所需值，并启动推进器。推进器点火后，等待四线摆的振荡稳定。

稳定后，使用零点测量系统的控制应用程序触发下降砝码。持续降低砝码，直至四丝悬挂系统被驱动重新回到平衡位置。一旦达到平衡位置，驱动程序即终止，并确定使四丝系统恢复平衡所需的力。

随后触发一个止动块，以阻止四螺旋天线平台继续移动。然后对空间测量探头支架执行扫描序列。通过循环同步序列，从探头在每个空间位置获取数据，并将数据存储在数组中以进行相应分析。

其他探针可定制安装在模块化附件上，以利用羽流剖面的空间信息。本节将介绍通过校准序列获得的典型结果，以及通过法拉第探针扫描获得的典型羽流剖面。四螺旋推力至测量平台的校准是通过使用由探针电机驱动的平移系统来完成的。

为了获得实验任务中推力计算所需的校准系数，操作员会启动一个自动化程序，该程序将释放精细校准砝码。这些砝码施加垂直方向的力，并通过水平平移来模拟推进器点火时的作动情况。在每个间隔点采集高分辨率激光位移传感器的读数，随后绘制校准曲线，以获得用于系统后续测量的校准系数。

在此图中，我们看到在一次自动校准过程中绘制的典型校准曲线。可以看出，四螺旋推进器平台的正确对准和设置可得到一条线性度极好的校准曲线，获得的校准系数为 27.65 毫牛顿每伏特。该设置已标准化，适用于在较宽力值范围内进行推力测量。

该装置还可进行改装，以适配扩展范围内的校准砝码，如本校准图所示。扭转丝已调整至适当灵敏度，并配备了精细和粗调校准砝码，从而在两个范围内均获得线性的校准曲线。本图展示了原位测量推力的示例结果。

该图展示了操作人员如何监测推力随放电电压的变化关系。在实验过程中，直至放电熄灭为止，利用四丝式推力测量平台，我们能够测量在不同输入功率（由放电电流和施加电压决定）下整个推进器所产生的推力。

通过这些信息，可以得到效率和比冲随输入功率的变化情况。这些图展示了在四种不同的质量流量下，推力和比冲随输入功率的变化关系。该图展示了效率如何依赖于输入功率。

结果显示，该推进器已优化为在输入功率低于100瓦的条件下工作，在低流量条件下其效率已达到近30%。推进器点火后，系统会触发一次零位测量序列，以独立验证所获得的推力。当推力启动时，平台会根据系统产生的推进力大小发生位移。零位测量单元是一个对称系统，安装在标定单元的对侧，其采用类似的力传递系统，将平台重新驱动至平衡位置。

激光位移传感器在整个测量过程中主动监测位移，并触发激活系统启动一个序列，该序列仅在达到基线平衡时终止。操作人员还能够可视化原位羽流轮廓，如本图所示。该图展示了放电功率如何相应地影响峰值铁电流密度的大小以及半高全宽。

等离子体固有的物理过程在材料合成过程中已知会驱动并控制自组织和自组装。在昆士兰科技大学（QUT），我们与等离子体源与应用中心合作，研究这些结构单元如何在不同等离子体条件下形成、塑形并输运到表面。我们希望，通过理解这些等离子体形成纳米结构的行为，能够设计出确保仅在实际需要修复的位点及时、高效地输送和整合这些单元的工艺过程。

为我们提供使用寿命更长、效率更高的等离子体推进系统。在本报告中，我们概述了在模拟空间环境中设计用于测试推进系统和可展开模块的设施时所需考虑的各项因素。此外，我们还展示了基于微控制器的系统在原位数据采集与分析方面的多功能性与优势，该系统可根据任务运行需求快速调整，以执行其他类型的评估模式。