Name: Optimalisatie-, Test- en diagnostiek van verkleinde Hall Thrusters (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-02-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 22 s
Description: Leer geautomatiseerde diagnostiek van elektrische Hall-thrusters met hardware-software integratie. Deze methode optimaliseert prestatietests in gesimuleerde ruimteomgevingen voor efficiëntere voortstuwing.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit werk werd ondersteund in deel door OSTIn-SRP/EDB, de National Research Foundation (Singapore), academisch onderzoek Fonds AcRF Tier 1 RP 6/16 (Singapore) en de George Washington Instituut voor nanotechnologie (USA). I. L. erkent de steun van de School voor chemie, fysica en Werktuigbouwkunde, Science en Engineering faculteit, Queensland University of Technology.

Hier presenteren we de protocollen voor het evalueren van stuwkracht kalibratie procedure en prestaties, de stuwkracht van de onafhankelijke verificatie via null meting en pluim profilometry via ruimtelijke in-situgegevens sensing.
1. thrust kalibratie procedure en stuwkracht evaluatie van de prestaties
<ol><li>Zorg ervoor dat alle onderdelen in de zaal zijn geïnstalleerd, zoals afgebeeld in Figuur 5.</li>
	<li>Test de connectiviteit van de diagnostische hulpprogramma's extern voordat het afdichten van de kamer.</li>
	<li>Gebruik het besturingselement geïntegreerde faciliteit voor het afdichten van de kamer.</li>
	<li>Inschakelen van de vacuümpompen in trapsgewijze volgorde vanaf de droge pompen (totdat de kamer 1 bereikt Pa), turbo-moleculaire pompen (totdat zij tot ~ 5 x 10-4 Pa), waarna de cryogene pompen. Opmerking: PSAC wordt overgelaten aan pomp tot hoog vacuüm (< ~ 10-5 Pa) te simuleren ruimteomgeving. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.</li>
	<li>Ontwikkelde apps gebruiken om te synchroniseren van de apparaten met de draadloze transponder in de zaal. Het synchronisatieproces is voltooid wanneer het licht afgevende diodes (LED) op de transponder stopt met knipperen.</li>
	<li>Zodra de gewenste vacuüm heeft verkregen, neem een eerste lezing (analoge spanning) uit de sensor van de verplaatsing van de laser als een basislijn.</li>
	<li>Ontwikkelde app gebruiken om te activeren de verlaging met een gewicht (van een juist bekend en gekalibreerde massa van koper lus) op het quadfilar podium vertaaldienst kracht. Opmerking: De massa van elke koper lus is afhankelijk van de beoogde gevoeligheid van de fase van de quadfilar wordt gebruikt. In dit geval, was de massa van elke koper lus in de orde van 100 mg voor het regime uitgebreid kalibreren en 10 mg voor het fijne kalibratie-regime. Zie de representatieve resultaten voor meer informatie.</li>
	<li>Record de verplaatsing (analoge spanning) uit de lasersensor verplaatsing, wanneer het wordt geactiveerd nadat de massa volledig is verlaagd en zijn gewicht is vertaald in een horizontale werking.</li>
	<li>Herhaal dit proces (stap 1.7 en 1.8) van verlaging van de gewichten en opname van de verplaatsing van de quadfilar fase totdat alle gewichten van de kalibraties worden uitgevouwen. Het gewicht van alle objecten wordt automatisch teruggeleid naar de positie van het evenwicht door de kalibratie-eenheid nadat de sequentie is voltooid zodat de quadfilar fase te bereiken van een evenwicht positie voordat boegschroef kan worden ontslagen. De kalibratiefactor opslaan ( bestand | Opslaan als | "Factor.txt").</li>
	<li>Tekenen van een ijkcurve om te verkrijgen van de kalibratiefactor voor het systeem geïnstalleerd op het quadfilar podium, waar de kalibratiefactor (in mN/V) is het verloop van de grafiek van kracht/spanning.</li>
	<li>Opnemen van een analoge spanning van de basislijn van de verplaatsing van de lasersensor opnieuw voor de ontploffing van de Boegschroef.</li>
	<li>Activeer de in situ MATLAB programma voor de berekening van stuwkracht ogenblikkelijk met behulp van vergelijking 3 (Zie de representatieve resultaten) en input van de kalibratiefactor afgeleid in stap 1.9 ( bestand | Open | "Factor.txt").</li>
	<li>De stuwraketten kunnen vervolgens weer worden afgevuurd. Het vastleggen van de gewenste parameters in real time via de interne data acquisitie programma. Opmerking: U kunt ook een geïntegreerde app kan worden gebruikt voor het volledig automatiseren van het kalibratieproces wijl synchroniseren de volgorde van de aandrijving van de motoren, en data-acquisitie van de sensoren dienovereenkomstig.</li>
</ol>2. null meting protocol voor de stuwkracht van de onafhankelijke verificatie
<ol><li>Neem eerst een lezing van de basislijn (analoge spanning) (van de sensor van de verplaatsing van de laser) van de Boegschroef in evenwicht positie.</li>
	<li>Operationele parameters aan de gewenste waarden schakelen vanuit naar de bedieningspaneel boegschroef en vuur de Boegschroef.</li>
	<li>Zodra de Boegschroef wordt afgevuurd, wachten op de trillingen van de slinger van de quadfilar te stabiliseren.</li>
	<li>Nadat het quadfilar een stationaire toestand stabiliseert, gebruik de control app voor het null meetsysteem om te activeren de verlaging van de gewichten. Lezingen van de verplaatsing van de lasersensor worden gelijktijdig gecontroleerd. De gewichten zijn voortdurend verlaagd tot de fase van de quadfilar in werking wordt gesteld terug in evenwicht.</li>
	<li>Zodra de positie van het evenwicht wordt bereikt, het beëindigen van de volgorde van bediening en bepalen de kracht die nodig is om het systeem van de quadfilar terug naar evenwicht.</li>
	<li>Leiden tot een blok stop om te stoppen met de quadfilar fase verplaatsen.</li>
	<li>Berekenen massa overeenkomen met de horizontale kracht die nodig is om te trekken van het systeem terug in evenwicht.</li>
</ol>3. bediening van robotic torentjes voor ruimtelijke in-situgegevens sensing en pluim profilometry
Opmerking: Tijdens de werking van de Boegschroef, kan de exploitant te bedienen van het systeem handmatig aan gewenste hoeken te verkrijgen pluim kenmerken op bepaalde locaties of leiden tot een automatische opeenvolging kiezen.
<ol><li>Monteer de Boegschroef op een bewegend podium (zoals in het geval van PSAC) voordat het experiment.</li>
	<li>Activeren van het stop-bar mechanisme om te voorkomen dat de fase bedieningsrichting tijdens het experiment.</li>
	<li>Leiden tot het protocol van de meting en de servo motor te bedienen van de sonde naar de 0° positie.</li>
	<li>Verwerven van een meting van de sonde. Opmerking: Afhankelijk van het soort sondes geïnstalleerd, de meting processen kunnen variëren volgens de programmeerbare volgorde voor het verkrijgen van volledige ruimtelijke pluim profielen van de kwijting. (a) indien een Faraday sonde wordt gemonteerd, wordt een lezing uit een bron meter genomen (waar een vooroordeel van -30 V is continu toegepast op de bewaker ringen). (b) indien een Langmuir sonde is gemonteerd, een zaagtand spanning-stroom wordt geleverd aan de sonde en de I-V kenmerken zijn verkregen en geïnterpreteerd. (c) indien een RPA is gemonteerd, een zaagtand spanning golfvorm wordt toegepast op het discriminerende raster, en de I-V kenmerken zijn verkregen en geïnterpreteerd.</li>
	<li>De servomotor met behulp van de microcontroller, verplaatsen naar de volgende hoekige positie waar de sonde volgorde getriggerd wordt om te maken een meting weer te activeren.</li>
	<li>Sla de metingen in afzonderlijk gemarkeerd matrices in een matrix met gegevens.</li>
	<li>Herhaal de stappen 3.5 en 3.6 totdat een volledige vegen tot 180° is verricht en de sonde is teruggebracht tot 0°.</li>
	<li>De opgeslagen gegevens analyseren.</li>
</ol>

De auteurs verklaren geen concurrerende financiële of andere belangen.

Typical Hall-achtige stuwraketten44 zijn relatief eenvoudige, goedkope en zeer efficiënte apparaten die een ion-flux tot de snelheden van enkele tientallen km/s versnellen kon, leveren stuwkracht nodig voor versnelde satellieten en ruimtevaartuigen, alsmede voor manoeuvreren, afdrukstand, positie en houding de controle, en -baan aan het einde van de levensduur van hun werking. Toepassing van Hall stuwraketten op satellieten en andere orbitale payloads missie levensduur verbeteren, kunnen orbitale ...

Hernieuwde belangstelling voor de ruimtevaartindustrie heeft gedeeltelijk gekatalyseerd door zeer efficiënte elektrische aandrijfsystemen dat leveren verbeterd missie mogelijkheden bij steeds lagere lancering kost1,2,3. Veel verschillende soorten ruimte elektrische voortstuwing apparaten hebben onlangs voorgesteld en geteste4,5,,6,,7,8 ondersteund door de huidige belangstelling voor ruimte exploratie9,10. Onder hen zijn gerasterde ion11,12 en13,14 van de stuwraketten van de HAL-type van primair belang vanwege hun vermogen om het bereiken van zeer hoog rendement van ongeveer 80%, meer dan die van elke chemische boegschroef, met inbegrip van de meest efficiënte systemen van de zuurstof-waterstof, de efficiëntie van die is beperkt tot ongeveer 5000 m/s door de principaal fysieke wetten15,16,17,18.
Uitgebreide, betrouwbare testen van verkleinde ruimte stuwraketten meestal vereist een groot complex van testfaciliteiten, waaronder testkamers, vacuüm voorzieningen (pompen), controle en diagnose-instrumenten, een systeem voor het meten van plasma parameters 19, en een brede waaier van hulpapparatuur die ondersteunen de werking van de Boegschroef, zoals een elektrische energievoorzieningssysteem, drijfgas regelapparaat, stuwkracht meting stand en vele anderen20,21. Bovendien, een typische ruimte voortstuwing boegschroef bestaat uit verschillende eenheden die afzonderlijk invloed hebben op de efficiëntie en levensduur van de hele stuwkracht systeem, en daarom zou kunnen worden getest zowel afzonderlijk als als onderdeel van de Boegschroef vergadering22, 23. Dit aanzienlijk bemoeilijkt testprocedures en houdt lange proef perioden24,25. Betrouwbaarheid van een boegschroef de kathode eenheid, alsmede de werking van stuwraketten wanneer verschillende drijfgassen worden gebruikt ook vereist speciale aandacht26,27.
Kwantificeren van prestaties van het systeem van een elektrische aandrijving, en om te kwalificeren modules voor operationele inzet in missies, gemalen beproevingsinstallaties waarmee simulatie van realistische ruimte zijn omgevingen nodig voor het testen van multi-scaled voortstuwing eenheden28,29,30. Een voorbeeld van een dergelijk systeem is een grote schaal ruimte milieu simulatie kamer gelegen in de ruimte voortstuwing centrum-Singapore (SPC-S, Figuur 1a, b)31. Bij het ontwikkelen van dergelijke simulatie omgeving, moeten de volgende primaire en secundaire overwegingen in aanmerking worden genomen. Primaire zorgen zijn dat de aldus gecreëerde ruimte milieu nauwkeurig en betrouwbaar een realistische ruimteomgeving simuleren moet en de ingebouwde diagnostische systemen precieze en accurate diagnose tijdens de evaluatie van de prestaties van een systeem dient. Secundaire zorgen zijn dat de gesimuleerde ruimte omgevingen hoogst klantgerichte moet om snelle installatie en testen van verschillende voortstuwing en diagnostische modules en het milieu kundig voor geschikt voor hoge doorvoer testen zitten moet te optimaliseren geen kwijting en operationele omstandigheden van meerdere units tegelijk.
Ruimte milieu simulatoren en pompen faciliteiten
Hier, illustreren we twee simulatie voorzieningen bij SPC-S die zijn doorgevoerd voor het testen van verkleinde elektrische aandrijfsystemen, zo goed als geïntegreerde modules. Deze twee faciliteiten van verschillende schalen, en vooral hebben verschillende rollen in het proces van evaluatie van de prestaties, zoals hieronder beschreven.
Grote plasma ruimte bediening kamer (PSAC)
De PSAC heeft afmetingen van 4.75 m (lengte) x 2,3 m (Diameter) en heeft een vacuüm pompen suite die bestaat uit vele hoge capaciteit pompen werken in tandem. Het is in staat om een basis druk lager dan 10-6 Pa. Het heeft een geïntegreerde vacuüm controle uitlezing en pomp activering/ontlaadsysteem voor evacuatie en zuiveren van de kamer. Het is uitgerust met tal van aanpasbare flenzen, elektrische feedthroughs en visuele diagnostische patrijspoorten om lijn testfaciliteit. Dit, kan samen met een volledige-suite van diagnostische mogelijkheden intern, gemonteerd hij snel worden aangepast voor multimodale diagnostiek. De omvang van de PSAC staat ook voor het testen van volledig geïntegreerde modules voor toepassingen in een gesimuleerde omgeving.
PSAC is de SPC-S vlaggenschip space environment simulatie facility (Figuur 1 c, d). Zijn enorme omvang maakt het mogelijk voor het testen van de volledige modules van tot een paar U's gemonteerd op een quadfilar stadium. Het voordeel van deze methode zou worden in de visualisatie in real time van hoe de voortstuwing modules zoals gemonteerd op verschillende payloads kunnen beïnvloeden in situ manoeuvreren van de lading in de ruimte. Dit wordt gesimuleerd door de montage en ophanging van de hele lading op een merkgebonden quadfilar stuwkracht meting platform. De Boegschroef kan vervolgens worden ontslagen en de geschorste platform met de boegschroef en de lading zou worden getest volgens de voorwaarden van de ruimte. Drijfgas gas grondstoffen die de testomgeving via de elektrische aandrijving modules invoeren worden efficiënt weggepompt door het vacuüm suite om ervoor te zorgen dat de totale druk van de kamer is niet veranderd, dus handhaving van een realistische ruimteomgeving32 3433, ,. Bovendien elektrische aandrijfsystemen meestal betrekking hebben op de productie van plasma's en exploiteren van de manipulatie van de trajecten van geladen deeltjes afsluiten van het systeem om te genereren stuwkracht35. In kleinere omgevingen van de simulatie, de opbouw van aanklacht of plasma omhulsels op de muur kan de prestaties nadelig beïnvloeden geen kwijting door middel van plasma-muur interacties te wijten aan de nabijheid van het aandrijfsysteem, met name voor micropropulsion waar typische stuwkracht waarden zijn in de volgorde van millinewtons. Daarom dient speciale aandacht en de nadruk te gebeuren vertegenwoordigen en bijdragen van dergelijke factoren36marginaliseren. De grote omvang van het PSAC minimaliseert plasma-muur interacties, waardoor ze te verwaarlozen, geven een meer accurate weergave van geen kwijting parameters en controle voor pluim profiles in elektrische voortstuwing modules inschakelen. De PSAC wordt meestal gebruikt in volledige module systemen voor evaluatie en integratie/optimalisatie processen, die het mogelijk maakt voor snelle vertaling van boegschroef prototypes in operationeel klaar systemen voor grond testen in voorbereiding voor de kwalificatie van de ruimte.
Geschaalde plasma ruimte milieu simulator (PSEC)
De PSEC heeft afmetingen van 65 x 40 cm x 100 cm en heeft een vacuüm pompen suite die bestaat uit zes hoge capaciteit pompen werken in tandem (droge vacuümpomp, turbomoleculaire en cryo vacuümpompen). Is het kundig voor een basis druk lager dan 10-5 Pa bereiken wanneer de hele pompen functioneert (alle pompen worden gebruikt). Druk en drijfgas stromen worden gecontroleerd real-time via geïntegreerde massastroom uitlezing dozen en manometers. De PSEC is voornamelijk werkzaam in het uithoudingsvermogen testen van thrusters. Thrusters zijn ontslagen voor langere tijd om te evalueren van de gevolgen van plasma schade op geen kwijting kanalen en de levensduur. Daarnaast, zoals weergegeven in Figuur 2, een complexe gas flow controller netwerk in deze faciliteit maakt snelle verbinding voor andere grondstoffen drijfgassen naar de kathode en de anoden voor het testen van de compatibiliteit van thrusters met roman drijfgassen en de gevolgen van de laatstgenoemde over boegschroef prestaties. Dit is van toegenomen belangstelling voor onderzoeksgroepen die werken aan elektrische thrusters "lucht-ademhaling" met behulp van roman drijfgassen tijdens operatie.
Geïntegreerde diagnosefaciliteiten (multimodale diagnostics)
Verschillende geïntegreerde diagnostische faciliteiten, voorzien van geautomatiseerde geïntegreerde robotic systemen (AIRS-µS)19,23, zijn ontwikkeld voor de twee systemen in PSEC en PSAC om te voorzien in diagnostiek op verschillende schalen en doeleinden.
Geïntegreerde diagnose in PSEC
De diagnostische hulpprogramma's in PSEC scharnier in wezen op real-time bewaking van kwijting door middel van uitgebreide activiteiten. De kwaliteit managementsysteem controleert residuele gas in de faciliteit voor verontreinigingen soorten die voortvloeien uit het sputteren van materiaal tijdens een kwijting. Deze bedragen op te sporen zijn kwantitatief trendmatige erosie tarieven van het kanaal van de geen kwijting en de elektroden van de Boegschroef te schatten van de Boegschroef levensduur te evalueren. De optische emissies spectrometer (OES) vormt een aanvulling op deze procedure door het toezicht van spectrale lijnen overeenkomt met elektronische overgangen van soorten van de verontreiniging als gevolg van erosie, zoals koper uit de elektronica. OES kan ook niet-invasieve plasma diagnostiek en actieve monitoring van pluim-profiel dat prestaties van de Boegschroef kwalitatief worden beoordeeld. Tot slot wordt een robotachtige Faraday sonde die kan worden gecontroleerd op afstand, of ingesteld op de modus volledig autonoom, gebruikt voor het afleiden van snelle veegt van de pluim-profiel te optimaliseren collimatie van lichtbundel door versterkten variërend geen kwijting voorwaarden (Figuur 3).
Geïntegreerde diagnose in PSAC
Installatie van meerdere boegschroef-systemen op verschillende locaties te wijten aan haar modulaire vormgeving, zodat voor de plug-en-play-achtige installatie voor verschillende diagnostische gegevens tegelijkertijd kan worden de luxe van fysieke ruimte in de PSAC. Figuur 4 toont de interne doorsnede van de PSAC in verschillende configuraties, met het volledig zwevende quadfilar stuwkracht meting platform wordt het meest opmerkelijke en permanente competitieprogramma. Torentje systemen, autonoom gecontroleerd of draadloos via Android apps gebruik van microcontrollers en Bluetooth modules, kan vervolgens worden gemonteerd in een modulaire wijze geconfronteerd met de Boegschroef om te verkrijgen van de kenmerken van de rookpluim door de installatie van verschillende sondes zoals Faraday, Langmuir en vertragen potentiële Analyzer (RPA). Ook te zien in Figuur 4 is de mogelijkheid van de PSAC tot configureerbare montage van boegschroef-systemen voor snelle gelijktijdige diagnose van verschillende parameters van het plasma. De thrusters in een enkele kolom verticaal kunnen worden gemonteerd en getest snel een na de andere om te voorkomen dat de interacties tussen de verschillende boegschroef-systemen. Het is geverifieerd dat efficiënte evaluatie van maximaal 3 verschillende modules op een enkel exemplaar mogelijk is, dus aanzienlijk verminderen de downtime tijdens de evacuatie en processen die anders nodig zijn bij het testen van systemen individueel purgeren. Aan de andere kant, is dit systeem een waardevolle gelegenheid voor het testen van de Boegschroef-assemblages die moeten werken in een bos, op de zelfde satelliet. De thrusters in een enkele kolom verticaal kunnen worden gemonteerd en getest snel een na de andere om te voorkomen dat de interacties tussen de verschillende boegschroef-systemen. Het is getest om te worden effectief in de evaluatie van maximaal 3 verschillende modules op een enkel exemplaar, aanzienlijk verminderen van downtime tijdens de evacuatie en processen die anders nodig zijn bij het testen van systemen individueel purgeren.
Het is belangrijk om te bepalen de strekking in micropropulsion systemen nauwkeurig dus dat parameters zoals efficiëntie, ηEVF en de specifieke stoot iksp, kloppen, dus, waardoor een betrouwbare weergave van de afhankelijkheid van de prestaties van de Boegschroef op verschillende input parameters zoals de drijfgas stroom, en de macht aan de verschillende terminals van de stuwraketten geleverd zoals in vergelijkingen 1 en 2. Expliciet, draait evaluatie van de prestaties van micropropulsion systemen meestal rond de meting van de stuwdruk gegenereerd op basis van het systeem op verschillende operationele parameters. Performance evaluatiesystemen moeten worden gekalibreerd volgens een set van normen vóór worden geïnstalleerd in de ruimteomgeving voor gebruik in de diagnostiek en de testen om ervoor te zorgen hun betrouwbaarheid en nauwkeurigheid19.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58466/58466eq1.jpg">
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58466/58466eq2.jpg">
Typische systemen dienst kracht kalibratie extern voordat stuwkracht maateenheden worden geïnstalleerd in de test omgeving38. Echter, dergelijke systemen niet goed zijn voor de omgevingen van de ruimte op het gebied van de materiaaleigenschappen van de kalibratie-normen, en voor elektrische, vacuüm en thermische invloeden op de afbraak van de gekalibreerde normen in de dynamische loop van de evaluatie van de prestaties van de stuwraketten. De eenheid van de geautomatiseerde draadloze kalibratie afgebeeld in Figuur 5, aan de andere kant, zorgt voor in situ kalibratie van het systeem in een gesimuleerde omgeving voordat de Boegschroef operationeel is. Dit is goed voor de dynamische effecten van de testomgeving in het werkgebied van de meting en zorgt voor snelle re-kalibratie van het systeem voorafgaand aan het afvuren van thrusters. Het systeem is ook voorzien van een symmetrische modulaire null strekking controle eenheid die controleert onafhankelijk of de strekking. Het wordt bediend terwijl de Boegschroef operationeel voor in situ analyse van de afgeleide is speerpunten van bepaalde voorwaarden vervullen. Het hele proces wordt gedaan via apps in MATLAB, zodat gebruikers zich kunnen concentreren op optimalisatie van hardware en het ontwerp van aandrijfsystemen en versnelt testen van dergelijke systemen. Details van deze methode zou worden uitgewerkt in de volgende paragrafen.

<table><tbody><tr><td>Arduino Microcontroller</td><td>Arduino</td><td>Arduino Uno Rev 3</td><td></td></tr><tr><td>Bluetooth communicatieapparaat</td><td>SG Botic</td><td>WIR-02471</td><td></td></tr><tr><td>Cryogene Pomp</td><td>ULVAC</td><td>CRYO-U12HLE&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Digitaal oscilloscoop</td><td>Yokogawa</td><td>DLM 2054</td><td></td></tr><tr><td>Dry Pump</td><td>Agilent</td><td>Triscroll-600</td><td></td></tr><tr><td>Hoge resolutie laser verplaatsingssensor</td><td>Micro-Epsilon</td><td>optoNCDT ILD-1420-50</td><td></td></tr><tr><td>Massastroomregelaar</td><td>MKS</td><td>MKS M100B</td><td></td></tr><tr><td>Optisch emissiespectrometer</td><td>Avantes</td><td>AvaSpec-ULS2048XL-EVO</td><td></td></tr><tr><td>Servomotor</td><td>Tower Pro</td><td>Servo Motor SG90</td><td></td></tr><tr><td>Stepper Motor</td><td>Oriental Motor</td><td>PKP213D05A</td><td></td></tr><tr><td>Turbomoleculaire Pomp</td><td>Pfeiffer</td><td>ATH-500M</td><td></td></tr></tbody></table>

optimalisatie-, test- en diagnostiek van verkleinde hall thrusters

Optimization, Test and Diagnostics of Miniaturized Hall Thrusters

Verkleinde ruimtevaartuigen en satellieten vereist slimme, zeer efficiënte en duurzame low-stuwkracht thrusters, geschikt voor uitgebreide, betrouwbare werking zonder aanwezigheid en aanpassing. Thermochemische stuwraketten die gebruik maken van de thermodynamische eigenschappen van gassen als een middel van versnelling hebben fysieke beperkingen op hun uitlaat gassnelheid, wat resulteert in lage efficiëntie. Bovendien, deze motoren tonen extreem lage energie-efficiëntie in kleine samenwerkingsformules en wellicht niet geschikt voor continu werkende systemen die real-time adaptieve van de oriëntatie van het ruimtevaartuig, de snelheid en de positie bepalen. Elektrische aandrijfsystemen die elektromagnetische velden gebruiken om te versnellen geïoniseerd gassen (d.w.z., plasma's) hebben daarentegen niet een fysieke beperking in termen van uitlaat snelheid, waardoor vrijwel ieder massa efficiëntie en specifieke stoot. Low-stuwkracht Hall stuwraketten hebben een levensduur van enkele duizenden uren. Hun geen kwijting voltage varieert tussen 100 en 300 V, werkend met een nominaal vermogen van < 1 kW. Ze variëren van 20 tot 100 mm in grootte. Large Hall stuwraketten kunnen fracties van millinewton van de stuwdruk leveren. In de afgelopen decennia, is er een groeiende interesse in de kleine massa, laag energieverbruik en hoog rendement aandrijfsystemen voor station satellites voor 50-200 kg. In dit werk, zullen we laten zien hoe te bouwen, testen en optimaliseren van een klein (30 mm) Hall boegschroef staat voor het voortbewegen van een kleine satelliet weegt ongeveer 50 kg. We tonen de Boegschroef actief zijn in een grote ruimte milieu simulator, en beschrijven hoe de stuwkracht wordt gemeten en elektrische parameters, met inbegrip van plasma kenmerken, worden verzameld en verwerkt om te beoordelen key boegschroef parameters. Ook zullen we laten zien hoe de Boegschroef wordt geoptimaliseerd om er één van de meest efficiënte kleine stuwraketten ooit gebouwd. We zullen ook aanpakken uitdagingen en kansen die door nieuwe boegschroef materialen.

Stuwkracht kalibratieprocedure en de evaluatie van de prestaties van de lijnen
Evaluatie van stuwkracht waarden uit het werkgebied van de meting quadfilar stuwkracht komt in twee fasen. De eerste fase is door het verkrijgen van kalibratie factoren van de eenheid van de geautomatiseerde draadloze kalibratie weergegeven aan de rechterkant van de Figuur 5. In dit kalibratieproces, word...

Hier presenteren we een protocol om te testen en optimaliseren van systemen in de ruimte voortstuwing gebaseerd op verkleinde Hall-achtige thrusters.

Optimalisatie-, Test- en diagnostiek van verkleinde Hall Thrusters

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

Het algemene doel van deze presentatie, is het presenteren van de methodologie die betrokken zijn bij het testen van gespecialiseerde elektrische voortstuwingsstuwraketten in een op de grond gebaseerde ruimte omgeving simulatie faciliteit. De betrokken methoden zijn voorzien van geautomatiseerde systemen die hardware-software integratie bevatten om slimme systemen te realiseren voor geautomatiseerde of externe diagnostiek en prestatie-evaluatie van voortstuwingsmodules en andere payloads in de ruimte. Het space propulsion center, Singapore, is een onderzoekscentrum aan het National Institute of Education, Nanyang Technological University, Singapore.De hier ontwikkelde testomgevingen omvatten twee simulatiefaciliteiten voor ruimteomgevingen voor verschillende doeleinden. De geschaalde ruimte omgeving simulator is primally gebruikt in levenslange testen van stuwraketten. Stuwraketten worden in deze faciliteit voor langere tijd afgevuurd om de effecten van plasmaschade op noodkanalen te evalueren.en vervolgens om de levensduur van de stuwraketten af te leiden. De quadfilar zwevende fase zorgt voor een goede visualisatie van hoe de voortstuwingsmodules zoals gemonteerd op verschillende payloads kunnen beïnvloeden in situ manoeuvre in de ruimte. Dit wordt gesimuleerd door de montage en ophanging van het gehele laadvermogen op het zwevende systeem.De stuwraketten kunnen dan worden afgevuurd en het zwevende platform waar de modules op zijn gemonteerd, worden geactiveerd volgens omstandigheden in de ruimte. De quadfilaire slinger versnelt ook het proces van nivellering, kalibratie en installatie van stuwraketten en modules voor het testen in de ruimteomgeving. Met deze opstelling is slechts één operator in de testfaciliteit nodig om frequentiemodulatie op de torsiedraden te gebruiken, om het hele systeem te nivelleren en te kalibreren.In de grootschalige ruimte omgeving simulator afgezien van de quadfilar zweven stuwkracht fase die het mogelijk maakt de in situ afleiding van stuwkracht, Modulaire ruimtegestuurde robotsondes kunnen ook worden aangepast voor montage door middel van configureerbare bevestigingseenheden. Het is ook vermeldenswaard dat de grote Space Environment Facility beschikt over tal van montagepunten en vacuüm grip elektronische filters om voor de installatie van meerdere stuwraketten en diagnostische apparatuur voor gelijktijdige prestatie-evaluatie. Dit vermindert de downtime die ontstaat wanneer de kamer wordt geëvacueerd en gepompt tijdens de toegangsinstallatie en herconfiguratie processen als testen afzonderlijk moesten worden gedaan.We zullen nu gaan door de procedures voor de installatie en kalibratie van de quadfilar slinger voor het testen van voortstuwingseenheden. Zorg er eerst voor dat alle componenten in de kamer worden geïnstalleerd, zoals vereist voor latere tests. Test de connectiviteit van de diagnostische hulpmiddelen extern voordat u de kamer afsluit.Gebruik de geïntegreerde facilitaire bediening om de kamer te verzegelen. Zet de vacuümpompen in trapsgewijze volgorde vanaf de droge pompen, turbo moleculaire pompen en vervolgens de cryogene pompen. Gebruik de ontwikkelde apps om uw apparaten te synchroniseren met de draadloze transponders in de kamer.Het synchronisatieproces is voltooid, wanneer de knipperende LED op de transponders stopt met knipperen. Zodra het gewenste vacuüm is verkregen en de eerste lezing wordt genomen uit de laser verplaatsing sensor als een basislijn. Gebruik de ontwikkelde app om het verlagen van een gekalibreerd gewicht te activeren voor krachtvertaling op het quadfilar-stadium.Neem de verplaatsing van de laserverplaatsingssensor op. Herhaal het proces van het verlagen van de gewichten en de registratie van de verplaatsing quadfilar stadium totdat alle kalibratie gewichten zijn verbruikt. Teken een kalibratiecurve om de kalibratiefactor te verkrijgen voor het systeem dat op het quadfilar-stadium is geïnstalleerd.De stuwraketten kunnen dan worden afgevuurd en de gewenste parameters kunnen in real time worden vastgelegd door data-acquisitieprogramma geschreven door interne onderzoekers. Als alternatief kan een geïntegreerde app worden gebruikt om het kalibratieproces volledig te automatiseren en tegelijkertijd de actuatievolgorde van de motoren en de gegevensverwerving van de sensoren dienovereenkomstig te synchroniseren. We zullen nu gaan door de procedures voor het onafhankelijk verifiëren van de verkregen stuwkracht parameters om een nul meting en hoe een ruimtelijk geacteerde proxy kan worden geactiveerd om pluim profielen te verkrijgen na stuwkracht metingen zijn gedaan.Neem eerst een basislijnmeting van de quadfilaire slinger in de evenwichtspositie. Schakel operationele parameters in op de gewenste waarden van het stuwrakett en vuur de stuwkracht af. Zodra het vertrouwen is afgevuurd, wachten op de schommelingen op de quadfilar slinger te stabiliseren.Gebruik na stabilisatie de besturingsapp voor het nulmeetsysteem om het verlagen van gewichten te activeren. De gewichten worden voortdurend verlaagd totdat de quadfilar fase wordt teruggevoerd in evenwicht. Zodra de evenwichtspositie is bereikt, wordt de actuatiesequentie beëindigd en wordt de kracht die nodig is om het quadfilar-systeem terug te brengen naar evenwicht bepaald.Een stopblok wordt vervolgens geactiveerd om te voorkomen dat de quadfilar-fase beweegt. Een vegende opeenvolging wordt dan uitgevoerd op de ruimtemeetsondesteun. Een gesynchroniseerde reeks wordt gelooped om gegevens van de sonde op elke ruimteplaats te verkrijgen en in een array opgeslagen die dienovereenkomstig moet worden geanalyseerd.Andere sondes kunnen worden aangepast om op de modulaire bevestiging te worden gemonteerd om ruimtelijke informatie op de pluimprofielen te gebruiken. In deze sectie zullen we gaan door typische resultaten verkregen uit een kalibratie sequentie, evenals typische pluim profielen verkregen door middel van een faraday sonde sweep. Kalibratie van de quadfilar stuwkracht aan de meting stadium wordt gedaan door de inzet van die sonde motor aangedreven voor het vertaalsysteem.Om de kalibratiefactoren af te leiden die nodig zijn voor afleiding van stuwkracht tijdens experimentele tasking. Een sequentie die wordt geactiveerd door een operator van een geautomatiseerd programma om fijne kalibratiegewichten te verlagen die verticaal werken en horizontaal worden vertaald om de actuatie te simuleren wanneer de thruster wordt afgevuurd. Metingen van een laserverplaatsingssensor met hoge resolutie worden met elk interval uitgevoerd en vervolgens wordt een kalibratiecurve getrokken om de kalibratiefactor te verkrijgen voor latere metingen op het systeem.In deze figuur zien we een typische kalibratiecurve getekend tijdens een geautomatiseerd kalibratieproces. Zoals te zien is, resulteert de juiste uitlijning en opstelling van de quadfilar-fase in een zeer lineaire kalibratieplot die een kalibratiefactor van 27,65 milli newton per volt oplevert. In een gestandaardiseerde opstelling voor stuwkrachtmetingen over een breed scala aan krachten.De setup kan ook worden aangepast om te passen in kalibratie gewichten voor uitgebreide regimes zoals weergegeven in deze kalibratie plot. De torsiedraden zijn aangepast voor gevoeligheid en zowel fijne als natuurlijkkalibratiegewichten zijn inbegrepen om een kalibratieperceel op te leveren dat lineair is in beide regimes. In deze figuur wordt een monster van de insitumetingen voor afgeleide stuwkracht weergegeven.Dit cijfer laat zien hoe een operator in staat is om de afhankelijkheid van stuwkracht van ontladingsspanning te controleren. In de loop van het experiment, totdat de ontlading is gedoofd. Met behulp van de quadfilar stuwkracht metingen fase, waren we in staat om de stuwkracht geproduceerd door de hele stuwkracht te meten op verschillende input power gegeven door de ontlading stroom en toegepaste spanning.Door deze informatie kan de variatie van efficiëntie en specifieke impuls met betrekking tot input power worden verkregen. Deze cijfers laten zien hoe de stuwkracht en specifieke impuls variëren met input power bij vier verschillende massastroomsnelheden. En dit cijfer laat zien hoe de efficiëntie afhangt van het invoervermogen.De resultaten tonen aan dat de thruster is geoptimaliseerd om te werken op input power is minder dan 100 watt, waar lage stroomsnelheden hebben geresulteerd in efficiëntie van bijna 30%Nadat de thruster is afgevuurd een null-meting sequenties wordt geactiveerd om onafhankelijk te controleren van het vertrouwen verkregen uit het systeem. Wanneer de stuwkracht wordt afgevuurd, verdringt het stadium volgens de omvang van de voortstuwing die uit het systeem wordt afgeleid. De null-meeteenheid is een symmetrisch systeem dat tegenover een kalibratie-eenheid is gemonteerd, dat gebruik maakt van een soortgelijk krachtvertaalsysteem om het podium weer in evenwicht te brengen.Een laserverplaatsingssensor bewaakt actief de verplaatsing tijdens de meting en activeert het activeringssysteem om een reeks te activeren die alleen eindigt wanneer het basisevenwicht wordt bereikt. Een operator is ook in staat om de in situ pluim profielen te visualiseren, zoals weergegeven in deze figuur. Dit cijfer laat zien hoe het ontlaadvermogen de omvang van de piekijzerstroomdichtheid en de volledige breedte op de helft van het maximum dienovereenkomstig beïnvloedt.Fysieke processen die inherent zijn aan plasma's zijn bekend dat rijden en controle zelforganisatie en zelfassemblage tijdens de synthese van het materiaal. bij QUT in samenwerking met plasmabronnen en applicatiecentrum, bestuderen we hoe deze bouwstenen worden gevormd, gevormd en geleverd aan oppervlakken op de verschillende plasmaomstandigheden. We hopen dat door te begrijpen hoe deze plasma vorm nano structuren gedragen zullen we in staat zijn om processen die zorgen voor de tijdige en efficiënte levering en integratie alleen om de site waar de reparatie daadwerkelijk nodig is toe te voegen ontwerpen.Ons voorzien van een plasmavoortstuwingssystemen die langer dienen en efficiënter zijn. In deze presentatie hebben we een overzicht gegeven van de overwegingen die zijn gemaakt bij het ontwerpen van een faciliteit voor het testen van voortstuwingssystemen en inzetbare modules in een gesimuleerde ruimteomgeving. Daarnaast hebben we de veelzijdigheid en sterke punten getoond van het gebruik van microcontroller gebaseerde systemen voor in situ data acquisitie en analytics, die snel kunnen worden aangepast om andere vormen van evaluatie uit te voeren, afhankelijk van de operationele missie eisen dienovereenkomstig.

optimization-test-and-diagnostics-of-miniaturized-hall-thrusters

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Het doel van dit protocol is om het ontwerp van een 100 kW klasse toegepast-veld magnetoplasmadynamic boegschroef en relevante experimentele methoden.

Een 100 KW klasse toegepast-veld Magnetoplasmadynamic boegschroef

We hebben een simulatiemodel gebouwd om de pompstroomkarakteristieken en prestaties van de coaxiale motor-pompassemblage met één as in elektrohydrostatische actuatoren te evalueren en de algehele efficiëntie in een breed scala aan werkomstandigheden van de motorpompassemblage experimenteel te onderzoeken.

Modellering en experimentele analyse van de coaxiale motor-pompassemblage met één as in elektrohydrostatische actuatoren

Een simulatiemodel dat specifiek het voorlopige ontwerp van een elektrovariabele verdringingspomp (EVDP) ondersteunt, wordt ontwikkeld en gedeeltelijk geverifieerd door experimenten. De controleprestaties, levensduur, betrouwbaarheid, enz., Kunnen allemaal worden geëvalueerd met behulp van het voorgestelde model, dat de belangrijkste prestatie-eisen in het kader van de evdp-voorlopige ontwerptaak omvat.

Een modellerings- en simulatiemethode voor het voorlopige ontwerp van een elektrovariabele verplaatsingspomp

Gebruik van fotonisch kristal langzaam licht golfgeleiders en holtes is op grote schaal door de fotonica gemeenschap in veel verschillende toepassingen. Daarom fabricage en karakterisering van deze apparaten zijn van groot belang. Dit document schetst onze fabricage techniek en twee optische karakterisatie methoden, te weten: interferometrische (golfgeleiders) en resonante verstrooiing (holten).

Fabricage en karakterisering van fotonische kristallen Slow lichtgolfgeleiders en holtes

De techniek van femtoseconde vier-golf-mixing wordt beschreven, inclusief spectraal-opgeloste en tijd-opgeloste configuraties.  We illustreren het nut van deze techniek voor de onderzoek van cruciale fysische eigenschappen in de III-V verdunde magnetische halfgeleiders, mogelijk gemaakt door zijn non-lineariteit en hoge tijdsresolutie.

Meting van coherentie-verval in GaMnAs met behulp van femtoseconde vier-golf-mixing

Er wordt een protocol gepresenteerd voor de productie van synthetisch kernsmeltglas, vergelijkbaar met trinitiet.

Productie van synthetische Nuclear Melt Glass

Voor deze studie synchrotronstraling micro-tomografie, een niet-destructieve driedimensionale beeldvormende techniek wordt gebruikt om een ​​volledige micro-elektronische verpakking met een doorsnede van 16 x 16 mm onderzocht. Vanwege de hoge flux en de helderheid van het synchrotron van het monster werd in beeld gebracht in slechts 3 minuten met een 8,7 micrometer ruimtelijke resolutie.

Met behulp van Synchrotron Radiation Microtomografie Multi-scale Driedimensionale Microelectronic pakketten Onderzoek

Een protocol voor de elektrochemische testen van een aprotische Li-O2 batterij met de voorbereiding van elektroden en elektrolyten en een inleiding tot de vaak gebruikte methoden voor karakterisering wordt hier gepresenteerd.

Protocol van Elektrochemische Test en karakterisering van Aprotische Li-O<sub&gt; 2</sub&gt; Batterij

Supergeleidende magnetron resonatoren van belang zijn voor de detectie van licht, quantum computing toepassingen en materialen karakterisering. Dit werk geeft een gedetailleerde procedure voor de fabricage en karakterisering van supergeleidende magnetron resonator verstrooiing parameters.

Fabricage en karakterisering van Supergeleidende Resonators

Een protocol voor het meten vlamsnelheden van een reactief mengsel van tetraiodine nonoxide (I O 4 9) en aluminium (Al) wordt gepresenteerd. Werkwijze voor het oplossen van reactiekinetiek met behulp van differentiële scanning calorimetrie (DSC) wordt ook getoond. Gevonden werd dat 4 I O 9 is 150% reactiever dan andere jood (V) oxiden.

Reaction Kinetics en verbranding Dynamica van I<sub&gt; 4</sub&gt; O<sub&gt; 9</sub&gt; En aluminium mengsels

Leer geautomatiseerde diagnostiek van elektrische Hall-thrusters met hardware-software integratie. Deze methode optimaliseert prestatietests in gesimuleerde ruimteomgevingen voor efficiëntere voortstuwing.

Optimalisatie-, Test- en diagnostiek van verkleinde Hall Thrusters

Meer video's verkennen