Name: Ottimizzazione, Test e diagnostica di propulsori a effetto Hall miniaturizzato (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-02-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 22 s
Description: Scopri l'ottimizzazione e il testing di propulsori a effetto Hall miniaturizzati con sistemi automatizzati per diagnostica remota. Questo metodo integra hardware e software per valutare le prestazioni in ambienti simulati dello spazio.

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Questo lavoro è stato sostenuto in parte da OSTIn-SRP/EDB, National Research Foundation (Singapore), Academic Research Fund AcRF Tier 1 RP 6/16 (Singapore) e George Washington Institute per la nanotecnologia (USA). I. L. riconosce il sostegno dalla scuola di chimica, fisica e ingegneria meccanica, scienza e facoltà di ingegneria, Queensland University of Technology.

Qui presentiamo i protocolli per la valutazione di prestazioni e procedura di calibrazione di Spinta, Spinta indipendente verifica tramite profilometria null misura e plume attraverso il rilevamento di dati spaziali in situ.
1. valutazione di prestazioni di procedura e Spinta di calibrazione di Spinta
<ol><li>Assicurarsi che tutti i componenti siano installati nell'alloggiamento come mostrato nella Figura 5.</li>
	<li>Verificare la connettività degli strumenti diagnostici esternamente prima della camera di tenuta.</li>
	<li>Utilizzare il controllo di impianto integrato per sigillare la camera.</li>
	<li>Accendere le pompe a vuoto in ordine di cascata a partire da pompe a secco (fino a quando non raggiunge la camera 1 Pa), pompe turbo-molecolari (fino a ~ 5 x 10-4 Pa) e poi le pompe criogeniche. Nota: PSAC è lasciato alla pompa per alto vuoto (< ~ 10-5 Pa) per simulare l'ambiente spaziale. Il protocollo può essere messo in pausa qui.</li>
	<li>Utilizzare le applicazioni sviluppate per sincronizzare i dispositivi con il transponder wireless nella camera. Il processo di sincronizzazione è completo quando il diodo luminoso (LED) sul transponder smette di lampeggiare.</li>
	<li>Una volta ottenuto il vuoto desiderato, prendere una lettura iniziale (tensione analogica) fuori il sensore di spostamento laser come una linea di base.</li>
	<li>Utilizzare l'app sviluppata per attivare l'abbassamento di un peso (di una massa precisamente noto e calibrato di anello in rame) per la traduzione di forza sul palco quadfilar. Nota: La massa di ogni ciclo del rame dipende dalla sensibilità prevista della fase quadfilar utilizzata. In questo caso, la massa di ogni ciclo del rame era nell'ordine di 100 mg per il regime di taratura estesa e 10 mg per il regime di taratura fine. Vedere i risultati rappresentativi per ulteriori informazioni.</li>
	<li>Registrare lo spostamento (tensione analogica) dal sensore di spostamento laser quando viene attivato dopo che la massa è completamente abbassata e il suo peso si traduce in una forza orizzontale.</li>
	<li>Ripetere il processo (punti 1.7 e 1.8) di abbassare i pesi e la registrazione dello spostamento della fase quadfilar fino a quando vengono espansi tutti i pesi di calibrazione. Tutti i pesi automaticamente tornerà alla posizione di equilibrio dall'unità di calibrazione al termine della sequenza, per consentire la fase di quadfilar raggiungere una posizione di equilibrio prima dell'elica può essere licenziato. Salvare il fattore di calibrazione ( File | Salvare come | "Factor.txt").</li>
	<li>Disegnare una curva di calibrazione per ottenere il fattore di taratura per il sistema installato sul palco quadfilar, dove il fattore di taratura (in mN/V) è la pendenza del grafico forza/tensione.</li>
	<li>Registrare una tensione analogica della linea di base dal sensore di spostamento laser nuovamente prima di sparare il propulsore.</li>
	<li>Attivare in situ programma MATLAB per il calcolo di Spinta istantaneamente usando l'equazione 3 (Vedi i risultati rappresentativi) e il fattore di calibrazione derivato nel passaggio 1,9 di input ( File | Aperto | "Factor.txt").</li>
	<li>I propulsori possono essere poi sparò di nuovo. Catturare i parametri desiderati in tempo reale utilizzando il programma di acquisizione dei dati interni. Nota: In alternativa, un'app integrata può essere utilizzata per automatizzare completamente il processo di calibrazione durante la sincronizzazione la sequenza di azionamento dai motori e acquisizione dati da sensori di conseguenza.</li>
</ol>2. protocollo di misurazione per la verifica indipendente Spinta null
<ol><li>In primo luogo, prendere una lettura basale (tensione analogica) (dal sensore di spostamento laser) del propulsore in posizione di equilibrio.</li>
	<li>Attivare o disattivare parametri operativi ai valori desiderati dal pannello di controllo del propulsore e fuoco del propulsore.</li>
	<li>Una volta che il propulsore è licenziato, attendere che le oscillazioni sul pendolo di quadfilar per stabilizzare.</li>
	<li>Dopo la quadfilar si stabilizza a uno stato stazionario, è possibile utilizzare l'app di controllo per il sistema di misura null per innescare l'abbassamento dei pesi. Letture dal sensore di spostamento laser sono controllate simultaneamente. I pesi sono abbassati continuamente fino a quando la fase di quadfilar viene azionata nuovamente dentro equilibrio.</li>
	<li>Una volta raggiunta la posizione di equilibrio, terminare la sequenza di azionamento e determinare la forza necessaria per riportare il sistema quadfilar in equilibrio.</li>
	<li>Attivare un blocco del fermo per interrompere la fase di quadfilar di muoversi.</li>
	<li>Calcolare la massa corrispondente alla forza orizzontale necessaria per tirare il sistema torna in equilibrio.</li>
</ol>3. l'azionamento del robot torrette per dati spaziali in situ sensing e pennacchio profilometria
Nota: Durante il funzionamento del propulsore, un operatore può scegliere di azionare il sistema manualmente agli angoli desiderati per ottenere caratteristiche di pennacchio a determinate posizioni o innescare una sequenza automatizzata.
<ol><li>Montare l'elica su una fase commovente (come nel caso di PSAC) prima di iniziare l'esperimento.</li>
	<li>Attivare il meccanismo di barre di arresto per impedire che la fase di azionamento durante l'esperimento.</li>
	<li>Attivare il protocollo di misurazione e servo motore per azionare la sonda in posizione 0°.</li>
	<li>Acquisire una misura dalla sonda. Nota: A seconda del tipo di sonde installato, i processi di misura possono essere variati secondo la sequenza programmabile per ottenere profili di pennacchio spaziale completa dello scarico. (a) se è montata una sonda di Faraday, una lettura fuori un metro di fonte è preso (dove una polarizzazione di -30 V è continuamente applicata agli anelli di guardia). (b) se è montata una sonda di Langmuir, una forma d'onda di tensione a dente di sega è fornita alla sonda e le caratteristiche I-V sono ottenute e interpretate. (c) se è montato un RPA, una forma d'onda a dente di sega tensione è applicata alla griglia discriminante, e le caratteristiche I-V sono ottenute e interpretate.</li>
	<li>Innescare il servomotore utilizzando il microcontrollore, per spostarsi alla successiva posizione angolare dove la sequenza sonda viene attivata per effettuare una misura di nuovo.</li>
	<li>Salvare le misurazioni in singolarmente contrassegnate matrici in una matrice di dati.</li>
	<li>Ripetere i passaggi da 3.5 e 3.6 finché un pieno spazzare fino a 180° è stato eseguito, e la sonda è portata di nuovo a 0°.</li>
	<li>Analizzare i dati salvati.</li>
</ol>

Gli autori non dichiarano interessi finanziari o di altri concorrenti.

Typical Hall-tipo propulsori44 sono relativamente semplici, economici e dispositivi altamente efficienti che potrebbero accelerare un flusso di ioni per le velocità di alcune decine di km/s, fornendo la spinta necessaria per accelerare satelliti e veicoli spaziali, nonché per manovra, orientamento, posizione e atteggiamento di controllo e de-orbitare intorno alla fine del loro ciclo di vita di funzionamento. Applicazione di Hall thruster su satelliti e altri carichi orbitale che permettono di migl...

Rinnovato interesse per l'industria spaziale ha in parte stata catalizzata da sistemi di propulsione elettrica altamente efficiente che trasporta avanzata capacità di missione al lancio sempre più ridotto costo di1,2,3. Recentemente sono stati proposti diversi tipi di dispositivi di propulsione elettrica spazio e testata4,5,6,7,8 supportate dall'attuale interesse nello spazio l'esplorazione9,10. Fra loro, dello ione di gridded11,12 e Hall-tipo propulsori13,14 sono di primario interesse grazie alla loro capacità di raggiungere un'efficienza molto alta di circa l'80%, superiore a quella di qualsiasi elica di chimica, compresi i più efficienti sistemi di ossigeno-idrogeno, l'efficienza di cui è limitata a circa 5000 m/s dall'entità fisica Leggi15,16,17,18.
Completa, affidabile test di propulsori spazio miniaturizzati in genere richiede un grande complesso di strutture di test che includono camere di prova, sottovuoto strutture (pompe), strumenti di controllo e diagnostica, un sistema per la misurazione di parametri del plasma 19e una vasta gamma di attrezzature ausiliarie che sostengono il funzionamento del propulsore, come un sistema elettrico di alimentazione, unità di alimentazione propellente, Spinta misura stand e molti altri20,21. Inoltre, un'elica di propulsione spazio tipico è costituito da diverse unità che separatamente influenzano l'efficienza e durata dell'intero sistema di spinta e di conseguenza, potrebbe essere testato sia separatamente che come parte del propulsore Assemblea22, 23. Questo notevolmente complica le procedure di prova e implica test lungo periodi24,25. Affidabilità delle unità catodo di un propulsore, nonché il funzionamento dei propulsori quando vengono utilizzati diversi propellenti richiede anche la considerazione speciale26,27.
Per quantificare le prestazioni di un sistema di propulsione elettrica e per qualificarsi moduli per spiegamento operativo in missioni spaziali, terra prova impianti che consentono la simulazione dello spazio realistico ambienti sono necessari per il collaudo di propulsione multi-scala unità28,29,30. Un esempio di tale sistema è una camera di simulazione di ambiente ampio spazio in scala situata presso il Space Propulsion Centre-Singapore (SPC-S, Figura 1a, b)31. Durante lo sviluppo di un ambiente di simulazione, le seguenti considerazioni primarie e secondarie devono essere presi in considerazione. Obiettivi primari sono l'ambiente dello spazio così creato deve simulare esattamente ed attendibilmente un ambiente spaziale realistico, che i sistemi diagnostici in costruzione devono fornire diagnostica precisa e accurata durante la valutazione delle prestazioni di un sistema. Secondarie preoccupazioni sono che gli ambienti spazio simulato devono essere altamente personalizzabili per consentire la rapida installazione e collaudo di propulsione differenti moduli diagnostici e l'ambiente deve essere in grado di ospitare elevato throughput test per ottimizzare scarico e condizioni operative di più unità contemporaneamente.
Spazio ambiente simulatori e impianti di pompaggio
Qui, vi illustriamo due simulazione Servizi SPC-S che sono stati implementati per la sperimentazione di sistemi di propulsione elettrica miniaturizzata, così come integrati moduli. Queste due strutture sono di diverse scale e soprattutto hanno ruoli diversi nel processo di valutazione delle prestazioni, come descritto di seguito.
Camera di plasma grande spazio azionamento (PSAC)
Il PSAC ha dimensioni di 4,75 m (lunghezza) x 2,3 m (diametro) e ha un vuoto di pompaggio suite che comprende numerose pompe ad alta capacità, lavorando in tandem. È in grado di raggiungere una pressione di base inferiore ai 10-6 PA. Ha un sistema di attivazione/spurgo integrato controllo del vuoto della lettura e pompa per evacuazione e l'eliminazione della camera. È dotato di numerose flange personalizzabile, passacavi elettrici e oblò diagnostica visiva per fornire linea prova impianto. Questo, insieme con un pacchetto completo di funzionalità di diagnostica montati internamente, permette di essere rapidamente modificate per diagnostica multi-modale. La scala di PSAC permette anche per il test di moduli completamente integrati per applicazioni in un ambiente simulato.
PSAC è il SPC-S ammiraglia spazio ambiente simulazione impianto (Figura 1 c, d). Sue dimensioni consentono di test di moduli completi di fino a un paio di U montato su un palco di quadfilar. Il vantaggio di questo metodo sarebbe nella visualizzazione in tempo reale di come i moduli di propulsione come montato su diversi payload possono influenzare la manovra in situ di payload nello spazio. Questa situazione viene simulata attraverso il montaggio e sospensione del payload intero su un proprietario quadfilar Spinta piattaforma di misurazione. Il propulsore può quindi essere licenziato, e la piattaforma sospesa con il propulsore e il carico utile sarebbe stata testata secondo le condizioni di spazio. Materie prime di gas propellente che entrano nell'ambiente di test tramite i moduli di propulsione elettrica sono pompati fuori in modo efficiente dalla suite sottovuoto per garantire che pressione complessiva della camera non è alterata, così, mantenendo un ambiente spaziale realistico32 ,33,34. Inoltre, sistemi di propulsione elettrica tipicamente coinvolgono la produzione dei plasmi e sfruttano la manipolazione delle traiettorie delle particelle cariche, uscire dal sistema al fine di generare Spinta35. Negli ambienti di simulazione più piccoli, l'accumulo di carica o plasma guaine sul muro potrebbe influire sulle prestazioni di scarico attraverso interazioni di plasma a parete grazie alla vicinanza con il sistema di propulsione, soprattutto per micropropulsion dove tipico di Spinta i valori sono in ordine di millinewtons. Di conseguenza, enfasi e attenzione speciale deve avvenire a contabilizzare e marginalizzare i contributi di tali fattori36. Le grandi dimensioni di PSAC minimizza interazioni del plasma a parete, rendendoli trascurabile, dando una rappresentazione più accurata dei parametri di scarico e consentendo il monitoraggio dei profili di pennacchio in moduli di propulsione elettrica. Il PSAC viene in genere utilizzato in completo modulo valutazione e sistemi di integrazione/processi di ottimizzazione che permette per la traduzione rapida di prototipi di propulsore nei sistemi funzionalmente pronti per test in preparazione per la qualificazione di spazio a terra.
Simulatore di ambiente spaziale al plasma in scala (PSEC)
Il PSEC ha dimensioni di cm 65 x 40 x 100 cm e dispone di una suite di pompaggio sottovuoto che si compone di sei pompe ad alta capacità, lavorando in tandem (pompa per vuoto a secco, pompe per vuoto turbomolecolare e cryo). È in grado di raggiungere una pressione di base inferiore a 10-5 Pa quando l'intero sistema di pompaggio è in funzione (tutte le pompe sono in uso). Pressione e propellente flussi vengono monitorati in tempo reale attraverso il flusso di massa integrato lettura caselle e manometri. Il PSEC è impiegato principalmente nelle endurance test di propulsori. I propulsori sono licenziati per lunghi periodi di tempo per valutare gli effetti del danno al plasma su canali di scarico e il suo ciclo di vita. Come illustrato nella Figura 2, una rete di regolatore di flusso gas complessi in questa struttura consente inoltre collegamento veloce di altri propellenti di materie prime al catodo e anodi per testare la compatibilità dei propulsori con nuovi propellenti e gli effetti della quest'ultimo sulle prestazioni del propulsore. Questo è di maggiore interesse per gruppi di ricerca lavorando su "aria-respirazione" thruster elettrici che utilizzano propellenti romanzo durante il funzionamento.
Strutture diagnostiche integrate (multi-modale diagnostica)
Diverse strutture di diagnostiche integrati, dotati di sistemi robotici integrato automatizzato (ventila-µS)19,23, sono stati sviluppati per i due sistemi in PSEC e PSAC per soddisfare per la diagnostica presso diverse scale e scopi.
Diagnostica integrata nel PSEC
Gli strumenti diagnostici in PSEC cerniera essenzialmente il monitoraggio in tempo reale di scarico attraverso le operazioni estese. Il sistema di gestione qualità monitora gas residuo nella struttura per specie contaminante che derivano da sputtering di materiale durante uno scarico. Queste tracce sono quantitativamente monitorati nel tempo per valutare i tassi di erosione del canale di scarico e gli elettrodi del propulsore per stimare la durata del propulsore. Lo spettrometro di emissione ottica (OES) integra questa procedura di monitoraggio linee spettrali corrispondenti alle transizioni elettroniche di specie contaminanti a causa dell'erosione, come il rame dall'elettronica. OES consente inoltre di diagnostica non invasiva del plasma e monitoraggio attivo del profilo di pennacchio che qualitativamente valuta le prestazioni del propulsore. Infine, una sonda robotica di Faraday che può essere controllata in remoto, o impostata in modalità completamente autonoma, viene utilizzata per derivare rapido sweep del profilo pennacchio per ottimizzare la collimazione del fascio attraverso parametricamente diverse condizioni di scarico (Figura 3).
Diagnostica integrata nel PSAC
Il lusso dello spazio fisico nel PSAC consente l'installazione di più sistemi di propulsore in varie località grazie al suo design modulare, che consente per l'installazione di plug-e-gioco-come per i vari sistemi diagnostici contemporaneamente. La figura 4 Mostra la sezione trasversale interna del PSAC in varie configurazioni, con la piattaforma di misurazione di spinta completamente sospesa quadfilar essendo il suo punto di fissaggio più notevole e permanente. Sistemi di torretta, controllato in modo autonomo o in modalità wireless tramite App Android di microcontrollori e moduli Bluetooth, quindi può essere montato in maniera modulare il propulsore per ottenere caratteristiche del pennacchio attraverso l'installazione di varie sonde di fronte come Faraday, Langmuir e ritardando potenziali Analyzer (RPA). Anche illustrato nella Figura 4 è la capacità del PSAC per consentire montaggio configurabile di sistemi elica per rapida diagnostica simultaneo di vari parametri del plasma. I propulsori possono essere montati verticalmente in una singola colonna e testato rapidamente, uno dopo l'altro per evitare interazioni tra i sistemi differenti dell'elica. Si è accertato che un'efficiente valutazione di fino a 3 diversi moduli in una singola istanza è possibile, così notevolmente riducendo i tempi morti durante l'evacuazione e l'eliminazione di processi richiesti altrimenti quando sistemi di prova singolarmente. D'altra parte, questo sistema è una preziosa occasione per testare gli assembly di propulsore che dovrebbero operare in un mazzo, sullo stesso satellite. I propulsori possono essere montati verticalmente in una singola colonna e testato rapidamente, uno dopo l'altro per evitare interazioni tra i sistemi differenti dell'elica. È stato testato per essere efficace nella valutazione di fino a 3 diversi moduli in una singola istanza, significativamente riducendo i tempi di inattività durante l'evacuazione e l'eliminazione di processi necessari altrimenti quando sistemi di prova singolarmente.
È fondamentale per determinare la Spinta nei sistemi micropropulsion con precisione così che i parametri quali efficienza, ηeff e l'impulso specifico hosp, sono accurate, così, dando una rappresentazione affidabile della dipendenza del prestazioni del propulsore su vari parametri di input come il flusso di propellente e la potenza fornita ai diversi terminali dei propulsori, come indicato nelle equazioni 1 e 2. In modo esplicito, valutazione delle prestazioni dei sistemi di micropropulsion in genere ruota attorno la misura della spinta generata dal sistema a vari parametri di funzionamento. Di conseguenza, sistemi di valutazione delle prestazioni devono essere calibrate secondo un insieme di standard prima di essere installato nell'ambiente di spazio per l'uso nella diagnostica e collaudo per garantirne l'affidabilità e precisione19.
<img alt="Equazione dell'efficienza quantistica, ηeff=T²/2mP, rappresentazione della formula per l'analisi dei sistemi ottici." src="/files/ftp_upload/58466/58466eq1.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Equation 1">
<img alt="Equazione dell'impulso specifico \( I_{sp} = \frac{T}{mg} \) formula, diagramma di analisi della propulsione." src="/files/ftp_upload/58466/58466eq2.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Equation 2">
Tipici sistemi impiegano forza calibrazione esternamente prima unità di misura di Spinta siano installati in ambiente test38. Tuttavia, tali sistemi non tengono conto per gli ambienti di spazio che influenzano le proprietà del materiale di standard di calibrazione e per impianti elettrico, vuoto e thermal influenze sul degrado degli standard calibrati nel corso dinamico di valutazione delle prestazioni dei propulsori. L'unità di calibrazione automatica wireless illustrato nella Figura 5, consente d'altra parte, per la taratura in situ del sistema in ambiente simulato prima che l'elica sia operativo. Questo rappresenta gli effetti dinamici dell'ambiente di test sulla fase di misurazione e permette per rapida ri-calibrazione del sistema prima della cottura dei propulsori. Il sistema dispone anche di un gruppo di verifica di reggispinta null modulare simmetrica che verifica la spinta in modo indipendente. È funzionato mentre il propulsore è operativo per l'analisi in situ della derivata spinte da determinato condizioni di scarico. L'intero processo avviene tramite MATLAB applicazioni, consentendo agli utenti di concentrarsi sull'ottimizzazione dell'hardware e progettazione di sistemi di propulsione e accelera la sperimentazione di tali sistemi. Dettagli di questo metodo sarebbero essere elaborati nella sottosezione seguente.

<table><tbody><tr><td>Arduino Microcontrollore</td><td>Arduino Arduino</td><td>Uno Rev 3</td><td></td></tr><tr><td>Dispositivo di comunicazione Bluetooth</td><td>SG Botic</td><td>WIR-02471</td><td></td></tr><tr><td>Pompa criogenica</td><td>ULVAC</td><td>CRYO-U12HLE&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Oscilloscopio digitale</td><td>Yokogawa</td><td>DLM 2054</td><td></td></tr><tr><td>Pompa a secco</td><td>Agilent</td><td>Triscroll-600</td><td></td></tr><tr><td>Sensore di spostamento laser ad alta risoluzione</td><td>Micro-Epsilon</td><td>optoNCDT ILD-1420-50</td><td></td></tr><tr><td>Regolatore di flusso di massa</td><td>MKS</td><td>MKS M100B</td><td></td></tr><tr><td>Spettrometro a emissione ottica</td><td>Avantes</td><td>AvaSpec-ULS2048XL-EVO</td><td></td></tr><tr><td>Servomotore</td><td>Tower Pro</td><td>Servomotore SG90</td><td></td></tr><tr><td>Motore passo-passo</td><td>Motore orientale</td><td>PKP213D05A</td><td></td></tr><tr><td>pompa turbomolecolare</td><td>Pfeiffer</td><td>ATH-500M</td><td></td></tr></tbody></table>

ottimizzazione, test e diagnostica di propulsori a effetto hall miniaturizzato

Optimization, Test and Diagnostics of Miniaturized Hall Thrusters

Satelliti artificiali e sonde miniaturizzate richiedono poca spinta propulsori intelligenti, altamente efficienti e durevoli, capaci di funzionamento esteso e affidabile senza la partecipazione e la regolazione. Propulsori termochimici che utilizzano le proprietà termodinamiche dei gas come mezzo di accelerazione hanno limitazioni fisiche sulla loro velocità del gas di scarico, con conseguente bassa efficienza. Inoltre, questi motori dimostrano estremamente bassa efficienza alle piccole spinte e potrebbero non essere adatti per continuamente i sistemi operativi che forniscono in tempo reale controllo adattativo di orientamento spaziale, la velocità e la posizione. Al contrario, i sistemi di propulsione elettrica che utilizzano campi elettromagnetici per accelerare i gas ionizzati (cioè, plasmi) non hanno alcuna limitazione fisica in termini di velocità di scarico, che permette praticamente ogni massa efficienza e impulso specifico. Propulsori a effetto Hall di bassa Spinta hanno una durata di parecchie migliaia di ore. Loro intervalli di tensione di scarico tra 100 e 300 V, operante a una potenza nominale di < 1 kW. Essi variano da 20 a 100 mm di dimensione. Propulsori a effetto Hall di grandi dimensioni in grado di fornire le frazioni di millinewton di Spinta. Negli ultimi decenni, c'è stato un crescente interesse in piccola massa, basso consumo e sistemi di propulsione ad alta efficienza ai satelliti di unità di 50-200 kg. In questo lavoro, dimostreremo come costruire, testare e ottimizzare un piccolo (30 mm) propulsore a effetto Hall in grado di spingere un piccolo satellite che pesano circa 50 kg. Mostreremo il propulsore operanti in un simulatore di ambiente ampio spazio e descrivere come viene misurata la spinta e parametri elettrici, comprese le caratteristiche del plasma, sono raccolti e trattati per valutare i parametri chiave dell'elica. Inoltre dimostriamo come l'elica è ottimizzato per renderlo uno dei più efficienti propulsori piccoli mai costruiti. Si affronterà anche le sfide e le opportunità offerte dai nuovi materiali di propulsore.

Procedura di calibrazione di spinta e valutazione delle prestazioni di Spinta
Valutazione dei valori di spinta dalla fase di misurazione quadfilar di Spinta avviene in due fasi. La prima fase è attraverso ottenere fattori di calibrazione dall'unità di calibrazione automatica wireless mostrata a destra della Figura 5. In questo processo di calibrazione, bene pesi sono abbassati attra...

Qui, presentiamo un protocollo per testare e ottimizzare i sistemi di propulsione spaziale basati su propulsori Hall-tipo miniaturizzati.

Ottimizzazione, Test e diagnostica di propulsori a effetto Hall miniaturizzato

Miniaturized spacecraft and satellites require smart, highly efficient and durable low-thrust thrusters, capable of extended, reliable operation without ...

L'obiettivo generale di questa presentazione, è quello di presentare la metodologia coinvolta nel collaudo di propulsori di propulsione elettrica specializzati in un impianto di simulazione dell'ambiente spaziale a terra. I metodi coinvolti sono dotati di sistemi automatizzati che incorporano l'integrazione hardware-software per realizzare sistemi intelligenti per la diagnostica automatizzata o remota e la valutazione delle prestazioni dei moduli di propulsione e di altri carichi utili nello spazio. Lo space propulsion center, Singapore, è un centro di ricerca del National Institute of Education, Nanyang Technological University, Singapore.Gli ambienti di prova qui sviluppati includono due strutture di simulazione dell'ambiente spaziale per scopi diversi. Il simulatore di ambiente spaziale in scala è utilizzato primalmente nei test a vita dei propulsori. I propulsori vengono sparati per lunghi periodi di tempo in questa struttura per valutare gli effetti dei danni al plasma sui canali di soccorso.e successivamente per dedurre la durata dei propulsori. Lo stadio sospeso quadfilare consente una corretta visualizzazione di come i moduli di propulsione montati su diversi carichi utili possono influenzare la manovra in situ nello spazio. Questo viene simulato attraverso il montaggio e la sospensione dell'intero carico utile sul sistema sospeso.I propulsori possono quindi essere azionati e la piattaforma sospesa su cui sono montati i moduli viene azionata in base alle condizioni dello spazio. Il pendolo quadfilare accelera anche il processo di livellamento, calibrazione e installazione di propulsori e moduli per il collaudo nell'ambiente spaziale. Con questa configurazione è necessario un solo operatore nell'impianto di prova per utilizzare la modulazione di frequenza sui fili torsionale, per livellare e calibrare l'intero sistema.Nel simulatore di ambiente spaziale su larga scala oltre allo stadio di spinta sospesa quadfilare che consente la derivazione in situ della spinta, le sonde robotiche modulari azionate spazialmente possono anche essere personalizzate per il montaggio tramite unità di fissaggio configurabili. Vale anche la pena notare che il grande Space Environment Facility dispone di numerosi punti di montaggio e filtri elettronici di presa sottovuoto per consentire l'installazione di più propulsori e apparecchiature diagnostiche per la valutazione simultanea delle prestazioni. Ciò riduce i tempi di inattività sostenuti quando la camera viene evacuata e pompata durante i processi di installazione e riconfigurazione dell'accesso se il test dovesse essere eseguito singolarmente.Ora passaremo attraverso le procedure per l'installazione e la calibrazione del pendolo quadfilare prima di testare le unità di propulsione. In primo luogo, assicurarsi che tutti i componenti siano installati nella camera come richiesto per i test successivi. Testare esternamente la connettività degli strumenti diagnostici prima di sigillare la camera.Utilizzare il controllo integrato dell'impianto per sigillare la camera. Accendere le pompe per vuoto in ordine a cascata a partire dalle pompe a secco, dalle pompe turbo molecolari e quindi dalle pompe criogeniche. Usa le app sviluppate per sincronizzare i tuoi dispositivi con i transponder wireless nella camera.Il processo di sincronizzazione è completo, quando il LED lampeggiante sui transponder smette di lampeggiare. Una volta ottenuto il vuoto desiderato e tolto la lettura iniziale dal sensore di spostamento laser come linea di base. Usa l'app sviluppata per attivare l'abbassamento di un peso calibrato per la traduzione della forza sullo stadio quadfilare.Registrare lo spostamento dal sensore di spostamento laser. Ripetere il processo di abbassamento dei pesi e registrazione dello stadio quadfilare di spostamento fino a quando non vengono spesi tutti i pesi di calibrazione. Disegnare una curva di calibrazione per ottenere il fattore di calibrazione per il sistema installato sullo stadio quadfilare.I propulsori possono quindi essere sparati e i parametri desiderati possono essere catturati in tempo reale dal programma di acquisizione dei dati scritto dai ricercatori in house. In alternativa, un'app integrata può essere utilizzata per automatizzare completamente il processo di calibrazione sincronizzando di conseguenza la sequenza di azionamento dai motori e l'acquisizione dei dati dai sensori. Ora passaremo attraverso le procedure per verificare in modo indipendente i parametri di spinta ottenuti a una misurazione nulla e come un proxy azionato spazialmente può essere attivato per ottenere profili di pennacchio dopo che sono state effettuate le misurazioni della spinta.Per prima cosa, prendi una lettura di base del pendolo quadrifilare nella posizione di equilibrio. Attiva/disattiva i parametri operativi sui valori desiderati dal pannello di controllo del propulsore e attiva il propulsore. Una volta che la fiducia è stata sparata, attendere che le oscillazioni sul pendolo quadfilare si stabilizzino.Dopo la stabilizzazione, usa l'app di controllo per il sistema di misurazione null per attivare l'abbassamento dei pesi. I pesi vengono continuamente abbassati fino a quando lo stadio quadrifilare non viene attuato di nuovo in equilibrio. Una volta raggiunta la posizione di equilibrio, la sequenza di azionamento viene terminata e viene determinata la forza necessaria per riportare il sistema quadrifilare all'equilibrio.Viene quindi attivato un blocco di arresto per impedire lo spostamento dello stadio quadfilare. Una sequenza di spazzamento viene quindi eseguita sul supporto della sonda di misura spaziale. Una sequenza sincronizzata viene in ciclo per acquisire dati dalla sonda in ogni posizione spaziale e memorizzata in un array da analizzare di conseguenza.Altre sonde possono essere personalizzate per essere montate sull'attacco modulare per utilizzare informazioni spaziali sui profili del pennacchio. In questa sezione andremo attraverso i risultati tipici ottenuti da una sequenza di calibrazione, così come i tipici profili di pennacchio ottenuti attraverso uno sweep di sonda faraday. La calibrazione della spinta quadfilare allo stadio di misurazione avviene attraverso l'impiego di quel motore a sonda guidato per il sistema di traslazione.Al fine di ricavare i fattori di taratura necessari per la derivazione della spinta durante il tasking sperimentale. Sequenza attivata da un operatore di un programma automatizzato per abbassare i pesi di calibrazione fine che agiscono verticalmente e si traduce orizzontalmente per simulare l'azionamento quando il propulsore viene sparato. Le letture da un sensore di spostamento laser ad alta risoluzione vengono effettuate ad ogni intervallo e viene quindi disegnata una curva di calibrazione per ottenere il fattore di calibrazione per le misurazioni successive sul sistema.In questa figura, vediamo una tipica curva di calibrazione disegnata durante un singolo processo di calibrazione automatizzato. Come si può vedere, il corretto allineamento e configurazione dello stadio quadfilare si traduce in un grafico di taratura molto lineare che produce un fattore di calibrazione di 27,65 milli newton per volt. In un set standardizzato per le misurazioni della spinta su un'ampia gamma di forze.La configurazione può anche essere modificata per adattarsi ai pesi di calibrazione per regimi estesi, come mostrato in questo grafico di calibrazione. I fili torsionale sono regolati per la sensibilità e i pesi di calibrazione sia fini che di rotta sono inclusi per produrre un grafico di calibrazione lineare in entrambi i regimi. Un campione delle misurazioni in situ per la spinta derivata è mostrato in questa figura.Questa figura mostra come un operatore è in grado di monitorare la dipendenza della spinta dalla tensione di scarica. Nel corso dell'esperimento, fino a quando lo scarico non viene spento. Utilizzando lo stadio di misurazione della spinta quadfilare, siamo stati in grado di misurare la spinta prodotta dall'intero propulsore a vari livelli di potenza di ingresso dati dalla corrente di scarica e dalla tensione applicata.Attraverso queste informazioni, è possibile ottenere la variazione di efficienza e impulso specifico rispetto alla potenza di ingresso. Queste cifre mostrano come la spinta e l'impulso specifico varino con la potenza di ingresso a quattro diverse portate di massa. E questa figura mostra come l'efficienza dipenda dalla potenza di ingresso.I risultati mostrano che il propulsore è stato ottimizzato per funzionare alla potenza di ingresso è inferiore a 100 watt, dove basse portate hanno portato a efficienze di quasi il 30%Dopo che il propulsore è stato sparato viene attivata una sequenza di misurazione nulla per verificare in modo indipendente la fiducia ottenuta dal sistema. Quando la spinta viene sparata, lo stadio si sposta in base alla grandezza della propulsione derivata dal sistema. L'unità di misura null è un sistema simmetrico montato di fronte all'unità di calibrazione, che utilizza un sistema di traslazione di forza simile per azionamento dello stadio in equilibrio.Un sensore di spostamento laser monitora attivamente lo spostamento durante la misurazione e attiva il sistema di attivazione per attivare una sequenza che termina solo quando si raggiunge l'equilibrio di base. Un operatore è anche in grado di visualizzare i profili di pennacchio in situ come mostrato in questa figura. Questa figura mostra come la potenza di scarica influenzi di conseguenza la grandezza della densità di corrente di ferro di picco e l'intera larghezza a metà massima.I processi fisici intrinseci al plasma sono noti per guidare e controllare l'auto-organizzazione e l'auto-assemblaggio durante la sintesi dei materiali. in QUT in collaborazione con fonti plasmatiche e centro applicativo, studiamo come questi elementi costitutivi vengono formati, modellati e consegnati alle superfici sulle diverse condizioni plasmatiche. Speriamo che comprendendo come si comportano queste nano strutture di forma plasmatica saremo in grado di progettare processi che garantiscano la consegna e l'incorporazione tempestive ed efficienti solo per aggiungere il sito in cui la riparazione è effettivamente necessaria.Fornendoci un sistema di propulsione al plasma che è più lungo e più efficiente. In questa presentazione abbiamo presentato una panoramica delle considerazioni fatte durante la progettazione di una struttura per il test di sistemi di propulsione e moduli dispiegabili in un ambiente spaziale simulato. Inoltre, abbiamo dimostrato la versatilità e i punti di forza dell'utilizzo di sistemi basati su microcontrollore per l'acquisizione e l'analisi dei dati in situ, che possono essere rapidamente adattati per eseguire altre modalità di valutazione a seconda delle esigenze della missione operativa di conseguenza.

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