Name: Optymalizacja, testowanie i diagnostyka zminiaturyzowanych sterów strumieniowych hali (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-02-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 22 s
Description: Poznaj metody testowania zminiaturyzowanych sterów strumieniowych hali z wykorzystaniem zautomatyzowanych systemów diagnostycznych i symulacji środowiska kosmicznego. Protokół optymalizuje ocenę wydajności napędów elektrycznych.

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

Ta praca była częściowo wspierana przez OSTIn-SRP/EDB, National Research Foundation (Singapur), Academic Research Fund AcRF Tier 1 RP 6/16 (Singapur) oraz George Washington Institute for Nanotechnology (USA). I. L. dziękuje za wsparcie ze strony Szkoły Chemii, Fizyki i Inżynierii Mechanicznej, Wydziału Nauk Ścisłych i Inżynierii Queensland University of Technology.

Tutaj prezentujemy protokoły procedury kalibracji ciągu i oceny wydajności, niezależnej weryfikacji ciągu za pomocą pomiaru zerowego oraz profilometrii pióropuszy za pomocą przestrzennego wykrywania danych in situ.
1. Procedura kalibracji ciągu i ocena wydajności ciągu
<ol>
	<li>Upewnij się, że wszystkie komponenty są zainstalowane w komorze, jak pokazano na Rysunek 5.</li>
	<li>Przed uszczelnieniem komory należy przetestować łączność narzędzi diagnostycznych na zewnątrz.</li>
	<li>Użyj zintegrowanego sterowania obiektem, aby uszczelnić komorę.</li>
	<li>Włączaj pompy próżniowe w kolejności kaskadowej zaczynając od pomp suchych (do momentu, aż komora osiągnie 1 Pa), pomp turbomolekularnych (aż osiągnie ~5 x 10-4 Pa), a następnie pomp kriogenicznych. 
	UWAGA: PSAC pozostawia się do przepompowania do wysokiej próżni (< ~10-5 Pa) w celu symulacji środowiska kosmicznego. W tym miejscu protokół można wstrzymać.</li>
	<li>Skorzystaj z opracowanych aplikacji, aby zsynchronizować urządzenia z transponderem bezprzewodowym w komorze. Proces synchronizacji jest zakończony, gdy dioda elektroluminescencyjna (LED) na transponderze przestanie migać.</li>
	<li>Po uzyskaniu żądanej próżni należy wykonać wstępny odczyt (napięcie analogowe) z czujnika przemieszczenia lasera jako linię bazową.</li>
	<li>Za pomocą opracowanej aplikacji można uruchomić opuszczanie ciężaru (o dokładnie znanej i skalibrowanej masie pętli miedzianej) w celu translacji siły na stoliku czworokątnym. 
	UWAGA: Masa każdej pętli miedzianej zależy od zamierzonej czułości używanego stopnia czworokątnego. W tym przypadku masa każdej pętli miedzianej była rzędu 100 mg dla rozszerzonego reżimu kalibracji i 10 mg dla procedury kalibracji dokładnej. Zobacz reprezentatywne wyniki, aby uzyskać więcej informacji.</li>
	<li>Rejestruj przemieszczenie (napięcie analogowe) z laserowego czujnika przemieszczenia, gdy zostanie on wyzwolony po całkowitym obniżeniu masy i przeliczeniu jej ciężaru na siłę poziomą.</li>
	<li>Powtórzyć proces (kroki 1.7 i 1.8) opuszczania odważników i rejestrowania przemieszczenia stopnia czworokątnego, aż wszystkie wzorce masy zostaną rozszerzone. Wszystkie odważniki zostaną automatycznie przywrócone do pozycji równowagi przez jednostkę kalibracyjną po zakończeniu sekwencji, aby umożliwić stopniowi czworokątnemu osiągnięcie pozycji równowagi przed odpaleniem steru strumieniowego. Zapisz współczynnik kalibracji ( Plik | Zapisz jako | "Factor.txt").</li>
	<li>Narysuj krzywą kalibracyjną, aby uzyskać współczynnik kalibracji dla układu zainstalowanego na stoliku czworokątnym, gdzie współczynnik kalibracji (w mN/V) jest gradientem wykresu siły/napięcia.</li>
	<li>Przed odpaleniem steru strumieniowego ponownie zapisz podstawowe napięcie analogowe z czujnika przemieszczenia lasera.</li>
	<li>Aktywuj program MATLAB in situ do natychmiastowego obliczania ciągu za pomocą równania 3 (patrz reprezentatywne wyniki) i wprowadź współczynnik kalibracji uzyskany w kroku 1.9 ( Plik | Otwórz | "Factor.txt").</li>
	<li>Silniki strumieniowe mogą być następnie ponownie odpalone. Rejestruj żądane parametry w czasie rzeczywistym za pomocą wewnętrznego programu do akwizycji danych. 
	UWAGA: Alternatywnie można użyć zintegrowanej aplikacji, aby w pełni zautomatyzować proces kalibracji, jednocześnie synchronizując sekwencję uruchamiania z silników i odpowiednio pobierając dane z czujników.</li>
</ol>
2. Protokół pomiaru zera dla niezależnej weryfikacji ciągu
<ol>
	<li>Najpierw wykonaj odczyt linii bazowej (napięcia analogowego) (z laserowego czujnika przemieszczenia) steru strumieniowego w pozycji równowagi.</li>
	<li>Przełącz parametry operacyjne na żądane wartości z panelu sterowania steru strumieniowego i uruchom ster strumieniowy.</li>
	<li>Po odpaleniu steru strumieniowego poczekaj, aż oscylacje wahadła czworokątnego ustabilizują się.</li>
	<li>Po ustabilizowaniu się czworokąta do stanu ustalonego użyj aplikacji sterującej dla systemu pomiaru zerowego, aby wyzwolić obniżenie ciężarów. Odczyty z laserowego czujnika przemieszczenia są monitorowane jednocześnie. Ciężary są stale obniżane, aż stopień czworokątny zostanie uruchomiony z powrotem do równowagi.</li>
	<li>Po osiągnięciu położenia równowagi zakończ sekwencję uruchamiania i określ siłę potrzebną do przywrócenia równowagi układu czworokątnego.</li>
	<li>Uruchom blok blokujący, aby zatrzymać stopień czworokątny przed poruszaniem się.</li>
	<li>Oblicz masę odpowiadającą sile poziomej wymaganej do przywrócenia układu do równowagi.</li>
</ol>
3. Uruchamianie wieżyczek robotycznych do wykrywania danych przestrzennych in situ i profilometrii pióropuszy
UWAGA: Podczas pracy steru strumieniowego, operator może zdecydować się na ręczne uruchomienie systemu pod żądanymi kątami, aby uzyskać charakterystykę pióropusza w określonych miejscach lub uruchomić automatyczną sekwencję.
<ol>
	<li>Zamontuj ster strumieniowy na ruchomym stopniu (jak w przypadku PSAC) przed rozpoczęciem eksperymentu.</li>
	<li>Aktywuj mechanizm pręta zatrzymującego, aby zapobiec uruchomieniu stolika podczas eksperymentu.</li>
	<li>Uruchom protokół pomiarowy i serwomotor, aby ustawić sondę w pozycji 0°.</li>
	<li>Uzyskaj pomiar z sondy. 
	UWAGA: W zależności od rodzaju zainstalowanych sond, procesy pomiarowe mogą być zmieniane zgodnie z programowalną sekwencją w celu uzyskania pełnych przestrzennych profili pióropuszy wyładowania. (a) Jeśli zamontowana jest sonda Faradaya, dokonywany jest odczyt z miernika źródłowego (gdzie odchylenie -30 V jest w sposób ciągły przykładane do pierścieni ochronnych). (b) Jeśli zamontowana jest sonda Langmuira, do sondy doprowadzany jest przebieg napięcia piłokształtnego, a charakterystyka I-V jest uzyskiwana i interpretowana. (c) Jeżeli zamontowany jest RPA, do sieci dyskryminacyjnej przykładany jest przebieg napięcia piłokształtnego, a charakterystyka I-V jest uzyskiwana i interpretowana.</li>
	<li>Uruchom serwomotor za pomocą mikrokontrolera, aby przejść do następnej pozycji kątowej, w której wyzwalana jest sekwencja sondy w celu ponownego wykonania pomiaru.</li>
	<li>Zapisuj pomiary w indywidualnie oznaczonych tablicach w macierzy danych.</li>
	<li>Powtarzaj kroki 3.5 i 3.6, aż zostanie wykonane pełne przemiatanie do 180°, a sonda zostanie przywrócona do 0°.</li>
	<li>Przeanalizuj zapisane dane.</li>
</ol>

Autorzy deklarują brak konkurencyjnych interesów finansowych lub innych.

Typowe silniki typu Halla44 są stosunkowo prostymi, tanimi i wysoce wydajnymi urządzeniami, które mogą rozpędzić strumień jonów do prędkości kilkudziesięciu km/s, zapewniając ciąg niezbędny do przyspieszania satelitów i statków kosmicznych, a także do manewrowania, orientacji, kontroli pozycji i położenia oraz deorbitacji pod koniec okresu ich eksploatacji. Zastosowanie silników Halla na satelitach i innych ładunkach orbitalnych wydłuża czas trwania misji, umożliwia transfer orbitalny i loty w for...

Odrodzone zainteresowanie przemysłem kosmicznym zostało w części zakatalizowane przez wysoce wydajne elektryczne systemy napędowe, które zapewniają rozszerzone możliwości misji przy coraz niższych kosztach wyniesienia1,2,3. W ostatnim czasie zaproponowano i przetestowano wiele różnych typów urządzeń do elektrycznego napędu kosmicznego4,5,6,7,8, co jest wspierane przez współczesne zainteresowanie eksploracją kosmosu9,10. Wśród nich szczególnym zainteresowaniem cieszą się silniki jonowe z siatkami przyspieszającymi11,12 oraz silniki Halla13,14, ze względu na ich zdolność do osiągania bardzo wysokiej wydajności na poziomie około 80%, co przewyższa wydajność każdego silnika chemicznego, w tym najefektywniejszych systemów tlenowo-wodorowych, których wydajność jest ograniczona do około 5000 m/s przez podstawowe prawa fizyki15,16,17,18.
Kompleksowe i wiarygodne testowanie zminiaturyzowanych silników kosmicznych zazwyczaj wymaga dużego zespołu urządzeń badawczych, w skład którego wchodzą komory próżniowe, układy odpompowywania (pompy), instrumenty sterujące i diagnostyczne, system do pomiaru parametrów plazmy19 oraz szeroki zakres sprzętu pomocniczego podtrzymującego pracę silnika, takiego jak system zasilania elektrycznego, jednostka doprowadzania pędnika, stanowisko do pomiaru ciągu i wiele innych20,21. Ponadto typowy napęd kosmiczny składa się z kilku modułów, które oddzielnie wpływają na wydajność i żywotność całego układu napędowego, a zatem mogą być testowane zarówno osobno, jak i jako część zestawu silnika22,23. Znacznie komplikuje to procedury testowe i wiąże się z długimi okresami badań24,25. Szczególnej uwagi wymaga również niezawodność modułu katody silnika, a także praca silników przy zastosowaniu różnych pędników26,27.
Aby określić wydajność elektrycznego systemu napędowego oraz zakwalifikować moduły do wdrożenia operacyjnego w misjach kosmicznych, niezbędne są naziemne zakłady badawcze umożliwiające symulację realistycznych warunków kosmicznych do testowania jednostek napędowych o różnych skalach28,29,30. Przykładem takiego systemu jest wielkoskalowa komora symulacji środowiska kosmicznego znajdująca się w Space Propulsion Centre-Singapore (SPC-S, Rysunek 1a,b)31. Podczas opracowywania takiego środowiska symulacyjnego należy wziąć pod uwagę następujące kwestie nadrzędne i poboczne. Kwestie nadrzędne polegają na tym, że stworzone w ten sposób środowisko kosmiczne musi w sposób dokładny i niezawodny symulować realistyczne warunki przestrzeni kosmicznej, a wbudowane systemy diagnostyczne muszą zapewniać precyzyjną i dokładną diagnostykę podczas oceny wydajności systemu. Kwestie poboczne dotyczą wysokiej konfigurowalności symulowanych środowisk kosmicznych, aby umożliwić szybką instalację i testowanie różnych modułów napędowych i diagnostycznych, a także zdolności środowiska do obsługi testów o wysokiej przepustowości w celu jednoczesnej optymalizacji warunków wyładowania i pracy wielu jednostek.
Symulatory środowiska kosmicznego i urządzenia pompujące
W niniejszym materiale przedstawiamy dwa urządzenia symulacyjne w SPC-S, które zostały wdrożone w celu testowania zminiaturyzowanych systemów napędów elektrycznych, a także zintegrowanych modułów. Dwa te urządzenia mają różną skalę i pełnią przede wszystkim odmienne role w procesie oceny wydajności, co szczegółowo opisano poniżej.
Duża komora aktywacji przestrzeni plazmowej (PSAC)
Komora PSAC ma wymiary 4,75 m (długość) x 2,3 m (średnica) i posiada zestaw pomp próżniowych składający się z wielu pomp o wysokiej wydajności pracujących w tandemie. Jest ona w stanie osiągnąć ciśnienie bazowe niższe niż 10-6 Pa. Posiada zintegrowany wskaźnik kontroli próżni oraz system aktywacji i продуwania pompy w celu ewakuacji i oczyszczania komory. Jest wyposażona w liczne konfigurowalne kołnierze, przejścia elektryczne i wizjery diagnostyczne, które umożliwiają przeprowadzenie testów linii. To, wraz z pełnym zestawem możliwości diagnostycznych zamontowanych wewnętrznie, pozwala na szybką modyfikację urządzenia pod kątem diagnostyki wielomodalnej. Skala PSAC umożliwia również testowanie całkowicie zintegrowanych modułów w symulowanym środowisku aplikacyjnym.
PSAC to flagowy obiekt symulacji środowiska kosmicznego SPC-S (Rysunek 1c,d). Jego znaczny rozmiar umożliwia testowanie kompletnych modułów o wielkości do kilku U, zamontowanych na platformie czteroniciowej. Przewagą tej metody jest wizualizacja w czasie rzeczywistym tego, jak moduły napędowe zamontowane na różnych ładunkach mogą wpływać na manewrowanie ładunkami in situ w przestrzeni kosmicznej. Jest to symulowane poprzez montaż i zawieszenie całego ładunku na autorskiej platformie pomiaru ciągu z zawieszeniem czteroniciowym. Następnie można uruchomić silnik, a zawieszoną platformę z silnikiem i ładunkiem poddać testom zgodnie z warunkami kosmicznymi. Gazy pędne, które dostają się do środowiska testowego poprzez moduły napędu elektrycznego, są wydajnie odpompowywane przez system próżniowy, aby upewnić się, że całkowite ciśnienie w komorze nie ulegnie zmianie, co pozwala na utrzymanie realistycznego środowiska kosmicznego32,33,34. Co więcej, systemy napędu elektrycznego zazwyczaj wiążą się z wytwarzaniem plazmy i wykorzystują manipulację trajektoriami naładowanych cząstek opuszczających system w celu wygenerowania ciągu35. W mniejszych środowiskach symulacyjnych gromadzenie się ładunku lub powłok plazmowych na ściankach może wpływać na charakterystykę wyładowania poprzez oddziaływania plazma-ścianka ze względu na bliskość systemu napędowego, szczególnie w przypadku mikropropulsji, gdzie typowe wartości ciągu są rzędu milinewtonów. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę i położyć nacisk na uwzględnienie i zminimalizowanie wpływu takich czynników36. Duży rozmiar PSAC minimalizuje oddziaływania plazma-ścianka, czyniąc je pomijalnymi, co daje dokładniejszą reprezentację parametrów wyładowania i umożliwia monitorowanie profili strumienia w modułach napędu elektrycznego. PSAC jest zazwyczaj wykorzystywany w pełnej ocenie modułów oraz w procesach integracji i optymalizacji systemów, co pozwala na szybkie przekształcenie prototypów silników w systemy gotowe do eksploatacji, przeznaczone do testów naziemnych w ramach przygotowań do kwalifikacji kosmicznej.
Skalowany symulator środowiska plazmy kosmicznej (PSEC)
PSEC posiada wymiary 65 cm x 40 cm x 100 cm i jest wyposażony w zestaw pomp próżniowych, który składa się z sześciu pomp o wysokiej wydajności pracujących w tandemie (sucha pompa próżniowa, pompa turbomolekularna oraz kriopompa). Przy pracy całego systemu pompowania (użyciu wszystkich pomp) urządzenie jest w stanie osiągnąć ciśnienie bazowe niższe niż 10-5 Pa. Ciśnienie oraz przepływy pędnika są monitorowane w czasie rzeczywistym za pomocą zintegrowanych przepływomierzy masowych i manometrów. PSEC jest wykorzystywany przede wszystkim do testów wytrzymałościowych silników rakietowych. Silniki są uruchamiane przez dłuższy czas w celu oceny wpływu uszkodzeń plazmowych na kanały wyładowcze oraz na żywotność urządzenia. Ponadto, jak pokazano na Rysunku 2, złożona sieć kontrolerów przepływu gazu w tej instalacji umożliwia szybkie podłączenie innych pędników do katody i anod, co pozwala na badanie kompatybilności silników z nowymi pędnikami oraz wpływu tych ostatnich na wydajność silnika. Jest to szczególnie istotne dla grup badawczych pracujących nad elektrycznymi silnikami „oddychającymi powietrzem”, które wykorzystują nowe pędniki podczas pracy.
Zintegrowane zaplecze diagnostyczne (diagnostyka multimodalna)
W celu realizacji diagnostyki w różnych skalach i do różnych zastosowań opracowano odmienne zintegrowane zaplecza diagnostyczne, wyposażone w zautomatyzowane zintegrowane systemy robotyczne (AIRS-µS)19,23, dla obu systemów w PSEC i PSAC.
Zintegrowana diagnostyka w PSEC
Narzędzia diagnostyczne w PSEC opierają się zasadniczo na monitorowaniu wyładowania w czasie rzeczywistym podczas długotrwałych operacji. System zarządzania jakością monitoruje pozostałe gazy w instalacji pod kątem obecności zanieczyszczeń powstających w wyniku rozpylania materiału podczas wyładowania. Te śladowe ilości są monitorowane ilościowo w czasie, aby ocenić tempo erozji kanału wyładowczego oraz elektrod silnika, co pozwala na oszacowanie żywotności napędu. Spektrometr emisji optycznej (OES) uzupełnia tę procedurę poprzez monitorowanie linii spektralnych odpowiadających przejściom elektronowym gatunków zanieczyszczeń wynikających z erozji, takich jak miedź z układów elektronicznych. OES umożliwia również nieinwazyjną diagnostykę plazmy oraz aktywny monitoring profilu pióropusza, co pozwala na jakościową ocenę wydajności silnika. Wreszcie, zrobotyzowana sonda Faradaya, którą można sterować zdalnie lub ustawić w tryb w pełni autonomiczny, jest wykorzystywana do szybkiego skanowania profilu pióropusza w celu optymalizacji kolimacji wiązki poprzez parametryczną zmianę warunków wyładowania (Rysunek 3).
Zintegrowana diagnostyka w PSAC 
Przestrzeń fizyczna w PSAC, dzięki modułowej konstrukcji, umożliwia instalację wielu systemów pędników w różnych lokalizacjach, co pozwala na jednoczesny montaż różnych układów diagnostycznych w systemie typu plug-and-play. Rysunek 4 przedstawia wewnętrzny przekrój PSAC w różnych konfiguracjach, w których najbardziej zauważalnym i stałym elementem jest w pełni zawieszona czterostrunowa platforma pomiarowa ciągu. Systemy wieżyczek, sterowane autonomicznie lub bezprzewodowo za pomocą aplikacji Android z wykorzystaniem mikrokontrolerów i modułów Bluetooth, mogą być montowane w sposób modułowy naprzeciw pędnika w celu uzyskania charakterystyki strumienia plazmy poprzez instalację różnych sond, takich jak sondy Faradaya, Langmuira oraz analizator potencjału opóźniającego (RPA). Na Rysunku 4 pokazano również możliwość konfigurowalnego montażu systemów pędników w PSAC w celu szybkiej, jednoczesnej diagnostyki różnych parametrów plazmy. Pędniki mogą być zamontowane pionowo w jednej kolumnie i testowane szybko, jeden po drugim, aby uniknąć oddziaływań między różnymi systemami pędników. Potwierdzono, że możliwa jest efektywna ocena do 3 różnych modułów w jednym cyklu, co znacząco skraca czas przestoju podczas procesów ewakuacji i oczyszczania, które byłyby OTHERWISE wymagane przy testowaniu systemów pojedynczo. Z drugiej strony, system ten stanowi cenną okazję do testowania zestawów pędników, które mają pracować w grupie na tym samym satelicie. Pędniki mogą być zamontowane pionowo w jednej kolumnie i testowane szybko, jeden po drugim, aby uniknąć oddziaływań między różnymi systemami pędników. Wykazano skuteczność tej metody w ocenie do 3 różnych modułów w jednym cyklu, co znacząco redukuje czas przestoju podczas procesów ewakuacji i oczyszczania, niezbędnych w przypadku testowania systemów indywidualnie.
Kluczowe jest dokładne wyznaczenie ciągu w systemach mikropropulsyjnych, aby takie parametry jak sprawność, ηeff  oraz impuls właściwy Isp, były precyzyjne, co zapewni wiarygodną reprezentację zależności wydajności silnika od różnych parametrów wejściowych, takich jak przepływ pędnika oraz moc dostarczana do poszczególnych zacisków silników, zgodnie z Równaniami 1 i 2. W szczególności ocena wydajności systemów mikropropulsyjnych opiera się zazwyczaj na pomiarze ciągu generowanego przez system przy różnych parametrach pracy. Dlatego systemy oceny wydajności muszą zostać skalibrowane zgodnie z zestawem norm przed instalacją w środowisku kosmicznym do celów diagnostyki i testowania, aby zapewnić ich niezawodność i dokładność19.
<img alt="Równanie wydajności: η_eff = T²/(2mP), formuła w analizie badań naukowych." src="/files/ftp_upload/58466/58466eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">
<img alt="Równanie impulsu właściwego \( I_{sp} = \dfrac{T}{\dot{m}g} \); obliczenie sprawności napędu." src="/files/ftp_upload/58466/58466eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2">
Typowe systemy wykorzystują zewnętrzną kalibrację siły przed zainstalowaniem jednostek pomiarowych ciągu w środowisku testowym38. Jednak takie systemy nie uwzględniają wpływu środowiska kosmicznego na właściwości materiałowe wzorców kalibracyjnych oraz wpływów elektrycznych, próżniowych i termicznych na degradację skalibrowanych wzorców w dynamicznym przebiegu oceny wydajności silników. Z kolei zautomatyzowana bezprzewodowa jednostka kalibracyjna przedstawiona na Rysunku 5 pozwala na kalibrację systemu in situ w symulowanym środowisku przed uruchomieniem silnika. Uwzględnia to dynamiczne efekty środowiska testowego na stopniu pomiarowym i umożliwia szybką rekalibrację systemu przed odpaleniem silników. System posiada również symetryczną modułową jednostkę weryfikacji ciągu zerowego, która niezależnie weryfikuje ciąg. Jest ona obsługiwana podczas pracy silnika w celu analizy in situ wartości ciągu uzyskanych dla określonych warunków wyładowania. Cały proces odbywa się za pomocą aplikacji MATLAB, co pozwala użytkownikom skupić się na optymalizacji sprzętu i projektowaniu systemów napędowych oraz przyspiesza testowanie takich systemów. Szczegóły tej metody zostaną omówione w następnej podsekcji.

<table><tbody><tr><td>Mikrokontroler</td><td>Arduino Arduino</td><td>Arduino Uno Rev 3</td><td></td></tr><tr><td>Urządzenie komunikacyjne Bluetooth</td><td>SG Botic</td><td>WIR-02471</td><td></td></tr><tr><td>Pompa kriogeniczna</td><td>ULVAC</td><td>CRYO-U12HLE&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Oscyloskop cyfrowy</td><td>Yokogawa</td><td>DLM 2054</td><td></td></tr><tr><td>Sucha pompa</td><td>Agilent</td><td>Triscroll-600</td><td></td></tr><tr><td>Laserowy czujnik przemieszczenia o wysokiej rozdzielczości</td><td>Micro-Epsilon</td><td>optoNCDT ILD-1420-50</td><td></td></tr><tr><td>Kontroler przepływu masowego</td><td>MKS MKS</td><td>M100B</td><td></td></tr><tr><td>Optyczny spektrometr emisyjny</td><td>Avantes</td><td>AvaSpec-ULS2048XL-EVO</td><td></td></tr><tr><td>Servo Motor</td><td>Tower Pro</td><td>Servo Motor SG90</td><td></td></tr><tr><td>Silnik krokowy</td><td>Oriental Motor</td><td>PKP213D05A</td><td></td></tr><tr><td>Pompa turbomolekularna</td><td>Pfeiffer</td><td>ATH-500M</td><td></td></tr></tbody></table>

optymalizacja, testowanie i diagnostyka zminiaturyzowanych sterów strumieniowych hali

Optimization, Test and Diagnostics of Miniaturized Hall Thrusters

Zminiaturyzowane statki kosmiczne i satelity wymagają inteligentnych, wysoce wydajnych i trwałych silników o niskim ciągu, zdolnych do długotrwałej, niezawodnej pracy bez nadzoru i regulacji. Silniki termochemiczne, które wykorzystują właściwości termodynamiczne gazów jako środek przyspieszenia, mają fizyczne ograniczenia prędkości spalin, co skutkuje niską sprawnością. Co więcej, silniki te wykazują wyjątkowo niską wydajność przy małych ciągach i mogą nie nadawać się do systemów pracujących w trybie ciągłym, które zapewniają adaptacyjną kontrolę orientacji, prędkości i pozycji statku kosmicznego w czasie rzeczywistym. W przeciwieństwie do tego, elektryczne systemy napędowe, które wykorzystują pola elektromagnetyczne do przyspieszania zjonizowanych gazów (tj. plazmy), nie mają żadnych fizycznych ograniczeń pod względem prędkości spalin, co pozwala na praktycznie dowolną wydajność masy i impuls właściwy. Silniki Halla o małym ciągu mają żywotność kilku tysięcy godzin. Ich napięcie rozładowania waha się od 100 do 300 V, pracując przy mocy znamionowej <1 kW. Mają rozmiar od 20 do 100 mm. Duże stery strumieniowe Halla mogą zapewnić ułamki miliniutonów ciągu. W ciągu ostatnich kilku dekad wzrosło zainteresowanie układami napędowymi o małej masie, małej mocy i wysokiej wydajności do napędzania satelitów o masie 50-200 kg. W tej pracy pokażemy, jak zbudować, przetestować i zoptymalizować mały (30 mm) ster strumieniowy Halla, który jest w stanie napędzać małego satelitę o masie około 50 kg. Pokażemy silnik operujący w symulatorze dużego środowiska kosmicznego i opiszemy, w jaki sposób mierzy się ciąg oraz zbiera i przetwarza parametry elektryczne, w tym charakterystykę plazmy, w celu oceny kluczowych parametrów silnika. Pokażemy również, w jaki sposób ster strumieniowy jest zoptymalizowany, aby uczynić go jednym z najbardziej wydajnych małych sterów strumieniowych, jakie kiedykolwiek zbudowano. Zajmiemy się również wyzwaniami i możliwościami, jakie stwarzają nowe materiały sterów strumieniowych.

Procedura kalibracji ciągu i ocena wydajności ciągu
Ocena wartości ciągu z czterostrunnej platformy pomiarowej ciągu odbywa się w dwóch fazach. Pierwsza faza polega na uzyskaniu współczynników kalibracji z automatycznej bezprzewodowej jednostki kalibracyjnej pokazanej po prawej stronie Rysunku 5. W tym procesie kalibracji precyzyjne odważniki są opuszczane na gładką pręt z politetra...

Tutaj prezentujemy protokół do testowania i optymalizacji systemów napędu kosmicznego opartych na zminiaturyzowanych silnikach typu Hall.

Optymalizacja, testowanie i diagnostyka zminiaturyzowanych sterów strumieniowych hali

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

Ogólnym celem tej prezentacji jest przedstawienie metodologii związanej z testowaniem specjalistycznych elektrycznych silników napędowych w naziemnym ośrodku symulacji środowiska kosmicznego. Zastosowane metody obejmują zautomatyzowane systemy, które obejmują integrację sprzętu i oprogramowania w celu realizacji inteligentnych systemów do zautomatyzowanej lub zdalnej diagnostyki i oceny wydajności modułów napędowych i innych ładunków w kosmosie. Centrum napędów kosmicznych w Singapurze jest ośrodkiem badawczym w Narodowym Instytucie Edukacji Uniwersytetu Technologicznego Nanyang w Singapurze.Opracowane tutaj środowiska testowe obejmują dwa urządzenia do symulacji środowiska kosmicznego do różnych celów. Symulator skalowanego środowiska kosmicznego jest stosowany głównie w testach silników przez cały okres użytkowania. Silniki strumieniowe są uruchamiane przez dłuższy czas w tym obiekcie, aby ocenić wpływ uszkodzeń plazmy na kanały alarmowe.a następnie wywnioskować czas życia sterów strumieniowych. Czworokątny stopień podwieszany pozwala na właściwą wizualizację tego, w jaki sposób moduły napędowe zamontowane na różnych ładunkach mogą wpływać na manewr in situ w przestrzeni kosmicznej. Jest to symulowane poprzez montaż i zawieszenie całego ładunku na zawieszonym systemie.Silniki strumieniowe mogą być następnie odpalane, a podwieszana platforma, na której zamontowane są moduły, jest uruchamiana w zależności od warunków panujących w przestrzeni. Wahadło czworokątne przyspiesza również proces poziomowania, kalibracji i montażu silników i modułów do testów w środowisku kosmicznym. W przypadku tej konfiguracji w obiekcie testowym potrzebny jest tylko jeden operator, który wykorzystuje modulację częstotliwości na drutach skrętnych w celu wypoziomowania i kalibracji całego systemu.W wielkoskalowym symulatorze środowiska kosmicznego, oprócz czterostopniowego stopnia oporowego, który umożliwia wyprowadzenie ciągu na miejscu, modułowe sondy robotyczne uruchamiane przestrzennie można również dostosować do montażu za pomocą konfigurowalnych jednostek mocujących. Warto również zauważyć, że duży Space Environment Facility wyposażony jest w liczne punkty montażowe i elektroniczne filtry z uchwytem próżniowym, co pozwala na instalację wielu silników i sprzętu diagnostycznego do jednoczesnej oceny wydajności. Skraca to czas przestoju, gdy komora jest opróżniana i pompowana podczas procesów instalacji dostępowej i rekonfiguracji, jeśli testy miałyby być wykonywane indywidualnie.Przejdziemy teraz przez procedury instalacji i kalibracji wahadła czworokątnego przed testowaniem jednostek napędowych. Najpierw upewnij się, że wszystkie komponenty są zainstalowane w komorze zgodnie z wymaganiami do kolejnych testów. Przed uszczelnieniem komory należy przetestować łączność narzędzi diagnostycznych na zewnątrz.Użyj zintegrowanego sterowania obiektem, aby uszczelnić komorę. Włączaj pompy próżniowe w kolejności kaskadowej, zaczynając od pomp suchych, pomp turbomolekularnych, a następnie pomp kriogenicznych. Skorzystaj z opracowanych aplikacji, aby zsynchronizować swoje urządzenia z bezprzewodowymi transponderami w komorze.Proces synchronizacji jest zakończony, gdy dioda LED na transponderach przestanie migać. Po uzyskaniu żądanej próżni i początkowym odczycie z laserowego czujnika przemieszczenia jest pobierany jako linia bazowa. Użyj opracowanej aplikacji, aby uruchomić opuszczanie skalibrowanego ciężaru w celu przeniesienia siły na stolik czworokątny.Zapisz przemieszczenie z laserowego czujnika przemieszczenia. Powtarzaj proces opuszczania odważników i rejestrowania stopnia czworokątnego przemieszczenia, aż wszystkie odważniki kalibracyjne zostaną zużyte. Narysuj krzywą kalibracyjną, aby uzyskać współczynnik kalibracji dla systemu zainstalowanego na stoliku czworokątnym.Silniki strumieniowe mogą być następnie uruchamiane, a żądane parametry mogą być rejestrowane w czasie rzeczywistym przez program do akwizycji danych napisany przez wewnętrznych badaczy. Alternatywnie można użyć zintegrowanej aplikacji, aby w pełni zautomatyzować proces kalibracji, jednocześnie synchronizując sekwencję uruchamiania z silników i odpowiednio pobierając dane z czujników. Przejdziemy teraz przez procedury niezależnej weryfikacji uzyskanych parametrów ciągu do pomiaru zerowego oraz w jaki sposób można wyzwolić przestrzennie uruchamiany proxy w celu uzyskania profili pióropuszy po wykonaniu pomiarów ciągu.Najpierw wykonaj odczyt linii bazowej wahadła czworokątnego w pozycji równowagi. Przełącz parametry operacyjne na żądane wartości z panelu sterowania steru strumieniowego i uruchom ster strumieniowy. Po odpaleniu zaufania poczekaj, aż oscylacje na wahadłie czworokątnym ustabilizują się.Po ustabilizowaniu użyj aplikacji sterującej dla systemu pomiaru zerowego, aby uruchomić obniżanie ciężarów. Ciężary są stale obniżane, aż stopień czworokątny zostanie uruchomiony z powrotem do równowagi. Po osiągnięciu położenia równowagi sekwencja uruchamiania zostaje zakończona i określana jest siła wymagana do przywrócenia układu czworokątnego do równowagi.Następnie uruchamiany jest blok blokujący, aby zatrzymać stopień czworokątny przed poruszaniem się. Następnie wykonywana jest sekwencja zamiatania na uchwycie sondy do pomiarów przestrzennych. Zsynchronizowana sekwencja jest zapętlana w celu pozyskania danych z sondy w każdej lokalizacji przestrzennej i przechowywana w tablicy, która ma być odpowiednio analizowana.Inne sondy można dostosować do montażu na przystawce modułowej w celu wykorzystania informacji przestrzennych na profilach pióropuszy. W tej sekcji omówimy typowe wyniki uzyskane z sekwencji kalibracyjnej, a także typowe profile pióropuszy uzyskane za pomocą przemiatania sondą Faradaya. Kalibracja ciągu czworokątnego do etapu pomiaru odbywa się poprzez zastosowanie silnika napędzanego silnikiem sondy do systemu translacji.W celu wyprowadzenia współczynników kalibracyjnych wymaganych do wyprowadzenia ciągu podczas wykonywania zadań doświadczalnych. Sekwencja wyzwalana przez operatora zautomatyzowanego programu w celu obniżenia precyzyjnych wzorców masy, które działają pionowo i przesuwają się poziomo, aby symulować uruchamianie po odpaleniu steru strumieniowego. Odczyty z laserowego czujnika przemieszczenia o wysokiej rozdzielczości są wykonywane w każdym interwale, a następnie rysowana jest krzywa kalibracyjna w celu uzyskania współczynnika kalibracji dla kolejnych pomiarów w systemie.Na tym rysunku widzimy typową krzywą kalibracyjną narysowaną podczas pojedynczego automatycznego procesu kalibracji. Jak widać, prawidłowe ustawienie i ustawienie stolika czworokątnego skutkuje bardzo liniowym wykresem kalibracyjnym dającym współczynnik kalibracji wynoszący 27,65 miliniutonów na wolt. W ustandaryzowanym zestawie do pomiarów ciągu w szerokim zakresie sił.Konfigurację można również zmodyfikować w celu dopasowania do wzorców masy dla rozszerzonych reżimów, jak pokazano na tym wykresie kalibracyjnym. Druty skrętne są dostosowane pod kątem czułości, a zarówno wzorce kalibracyjne dokładne, jak i kursowe są uwzględniane, aby uzyskać wykres kalibracji, który jest liniowy w obu reżimach. Próbka pomiarów in situ dla pochodnego ciągu jest pokazana na tym rysunku.Ten rysunek pokazuje, w jaki sposób operator jest w stanie monitorować zależność ciągu od napięcia rozładowania. W trakcie trwania eksperymentu, aż do wygaszenia wyładowania. Za pomocą stopnia pomiarów ciągu czworokątnego byliśmy w stanie zmierzyć ciąg wytwarzany przez cały ster strumieniowy przy różnych mocach wejściowych podawanych przez prąd rozładowania i przyłożone napięcie.Dzięki tym informacjom można uzyskać zmianę wydajności i impulsu właściwego w odniesieniu do mocy wejściowej. Rysunki te pokazują, jak zmienia się ciąg i impuls właściwy wraz z mocą wejściową przy czterech różnych natężeniach przepływu masowego. A ten rysunek pokazuje, jak wydajność zależy od mocy wejściowej.Wyniki pokazują, że ster strumieniowy został zoptymalizowany do pracy przy mocy wejściowej poniżej 100 watów, gdzie niskie natężenia przepływu spowodowały sprawność prawie 30%Po odpaleniu steru strumieniowego uruchamiane są zerowe sekwencje pomiarowe w celu niezależnej weryfikacji zaufania uzyskanego z systemu. Po wystrzeleniu ciągu stopień przemieszcza się zgodnie z wielkością napędu pochodzącego z systemu. Jednostka miary zerowej to symetryczny system zamontowany naprzeciwko jednostki kalibracyjnej, który wykorzystuje podobny system translacji siły do uruchomienia stopnia z powrotem do równowagi.Laserowy czujnik przemieszczenia aktywnie monitoruje przemieszczenie przez cały czas trwania pomiaru i uruchamia system aktywacji w celu aktywacji sekwencji, która kończy się dopiero po osiągnięciu równowagi linii podstawowej. Operator jest również w stanie zwizualizować profile pióropuszy in situ, jak pokazano na tym rysunku. Rysunek ten pokazuje, w jaki sposób moc rozładowania wpływa na wielkość szczytowej gęstości prądu żelaza i odpowiednio na całą szerokość przy połowie maksimum.Procesy fizyczne, które są nieodłącznym elementem plazmy, są znane z tego, że napędzają i kontrolują samoorganizację i samoorganizację podczas syntezy materiałów. w QUT we współpracy ze źródłami plazmy i centrum zastosowań, badamy, w jaki sposób te bloki budulcowe są formowane, kształtowane i dostarczane na powierzchnie w różnych warunkach plazmy. Mamy nadzieję, że dzięki zrozumieniu, jak zachowują się te nanostruktury tworzące plazmę, będziemy w stanie zaprojektować procesy, które zapewnią terminową i wydajną dostawę i włączenie tylko po to, aby dodać miejsce, w którym naprawa jest faktycznie potrzebna.Dostarcza nam plazmowych systemów napędowych, które są dłużej służące i bardziej wydajne. W niniejszej prezentacji przedstawiono przegląd rozważań branych pod uwagę przy projektowaniu obiektu do testowania systemów napędowych i modułów rozmieszczanych w symulowanym środowisku kosmicznym. Ponadto pokazaliśmy wszechstronność i mocne strony wykorzystania systemów opartych na mikrokontrolerach do pozyskiwania i analizy danych in situ, które można szybko dostosować do wykonywania innych trybów oceny w zależności od wymagań misji operacyjnej.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Celem tego protokołu jest wprowadzenie projektu magnetoplazmadynamicznego pędnika o mocy 100 kW i odpowiednich metod eksperymentalnych.

Silnik magnetoplazmadynamiczny klasy 100 KW o mocy 100 KW

Zbudowaliśmy model symulacyjny, aby ocenić charakterystykę przepływu pompy i wydajność jednowałowego zespołu współosiowy silnik-pompa w siłownikach elektrohydrostatycznych i eksperymentalnie zbadać ogólną wydajność w szerokim zakresie warunków pracy zespołu silnik-pompa.

Modelowanie i analiza doświadczalna jednowałowego zespołu współosiowy silnik-pompa w siłownikach elektrohydrostatycznych

Model symulacyjny specjalnie wspierający wstępny projekt pompy o zmiennej wydajności elektrycznej (EVDP) jest rozwijany i częściowo weryfikowany przez eksperymenty. Wydajność sterowania, żywotność, niezawodność itp. można ocenić przy użyciu proponowanego modelu, który obejmuje główne wymagania dotyczące wydajności w ramach zadania wstępnego projektu EVDP.

Metoda modelowania i symulacji dla wstępnego projektu pompy o zmiennej wydajności

Wykorzystanie falowodów i wnęk fotonicznych zostało szeroko przyjęte przez społeczność fotoniczną w wielu różnych zastosowaniach. Dlatego produkcja i charakterystyka tych urządzeń cieszy się dużym zainteresowaniem. W artykule przedstawiono naszą technikę wytwarzania i dwie metody charakterystyki optycznej, a mianowicie: interferometrię (falowody) i rozpraszanie rezonansowe (wnęki).

Wytwarzanie i charakterystyka falowodów i wnęk wolnowodnych kryształów fotonicznych

Opisano technikę femtosekundowego mieszania czterofalowego, w tym konfiguracje spektralnie rozdzielcze i czasowo-rozdzielcze.  Ilustrujemy przydatność tej techniki do badania kluczowych właściwości fizycznych rozcieńczonych półprzewodników magnetycznych III-V, zapewnionych przez jej nieliniowość i wysoką rozdzielczość czasową.

Pomiar zaniku koherencji w GaMnas za pomocą femtosekundowego mieszania czterofalowego

Przedstawiono protokół produkcji syntetycznego szkła do stopu jądrowego, podobnego do trynitu.

Produkcja syntetycznego szkła ze stopu jądrowego

W tym badaniu mikrotomografia promieniowania synchrotronowego, nieniszcząca technika obrazowania trójwymiarowego, jest wykorzystywana do zbadania całego pakietu mikroelektronicznego o polu przekroju poprzecznego 16 x 16 mm. Ze względu na wysoki strumień i jasność synchrotronu, próbka została zobrazowana w zaledwie 3 minuty z rozdzielczością przestrzenną 8,7 μm.

Wykorzystanie mikrotomografii promieniowania synchrotronowego do badania wieloskalowych trójwymiarowych pakietów mikroelektronicznych

Przedstawiono tutaj protokół badań elektrochemicznych akumulatora aprotycznego Li-O2 z przygotowaniem elektrod i elektrolitów oraz wprowadzeniem często stosowanych metod charakteryzacji.

Protokół badania elektrochemicznego i charakterystyka akumulatora Aprotic Li-O2

Nadprzewodzące rezonatory mikrofalowe są interesujące dla wykrywania światła, zastosowań obliczeń kwantowych i charakteryzacji materiałów. W pracy przedstawiono szczegółową procedurę wytwarzania i charakterystyki parametrów rozpraszania nadprzewodzącego rezonatora mikrofalowego.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów nadprzewodzących

Przedstawiono protokół pomiaru prędkości płomienia mieszaniny reaktywnej złożonej z beztlenku tetrajodu (I4O9) i aluminium (Al). Przedstawiono również metodę określania kinetyki reakcji za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). Stwierdzono, że I4O9 jest o 150% bardziej reaktywny niż inne tlenki jodu(V).

Kinetyka reakcji i dynamika spalania mieszanin I4O9 i glinu

Poznaj metody testowania zminiaturyzowanych sterów strumieniowych hali z wykorzystaniem zautomatyzowanych systemów diagnostycznych i symulacji środowiska kosmicznego. Protokół optymalizuje ocenę wydajności napędów elektrycznych.

Optymalizacja, testowanie i diagnostyka zminiaturyzowanych sterów strumieniowych hali

Przeglądaj więcej filmów