本文介绍了一种用于测试和优化基于微型霍尔效应推进器的空间推进系统的实验方案。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
微型航天器和卫星需要智能、高效且耐用的低推力推进器，能够在无需人工干预和调整的情况下长期可靠运行。利用气体热力学特性作为加速手段的热化学推进器，其排气速度存在物理限制，导致效率较低。此外，这类发动机在小推力下效率极低，可能不适用于需要实时自适应控制航天器姿态、速度和位置的连续运行系统。相比之下，利用电磁场加速电离气体（即等离子体）的电推进系统在排气速度方面没有物理限制，理论上可实现任意高的质量效率和比冲。低推力霍尔推进器的寿命可达数千小时，放电电压范围为100至300 V，额定功率运行于<1 kW，尺寸范围为20至100 mm。大型霍尔推进器可提供毫牛量级的推力。在过去几十年中，人们对用于驱动50–200 kg卫星的小质量、低功耗、高效率推进系统日益关注。在本研究中，我们将展示如何构建、测试并优化一种小型（30 mm）霍尔推进器，使其能够推动约50 kg重的小型卫星。我们将展示该推进器在大型空间环境模拟器中的运行情况，并描述如何测量推力，以及如何采集和处理包括等离子体特性在内的电学参数，以评估推进器的关键性能指标。我们还将展示如何优化该推进器，使其成为迄今建造的最高效的微型推进器之一。此外，我们还将探讨新型推进器材料所带来的挑战与机遇。
引言
近年来，空间产业重新受到关注，部分原因在于高效电推进系统的出现，这些系统在不断降低发射成本的同时，显著提升了任务能力1,2,3。随着当前对空间探索的兴趣日益增长，多种不同类型的空间电推进装置已被提出并进行了测试4,5,6,7,8，并得到支持9,10。其中，栅格式离子推进器11,12和霍尔效应推进器13,14尤为引人关注，因其效率可达约80%，远超任何化学推进器；即便是效率最高的氢氧推进系统，受限于基本物理定律，其比冲也仅限于约5000 m/s....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
本文介绍了推力标定程序和性能评估的方案，以及通过零位测量进行独立推力验证和利用空间原位数据传感进行羽流轮廓测量的方法。
1. 推力校准步骤与推力性能评估
- 确保所有组件均已按照图5所示安装在腔室内。
- 在密封腔室之前，先对外部诊断工具的连接性进行测试。
- 使用集成的设施控制系统对腔室进行密封。
- 按级联顺序启动真空泵：首先启动干泵（直至腔室压力降至1 Pa），然后启动涡轮分子泵（直至压力降至约5 × 10-4 Pa），最后启动低温泵。
注意：PSAC将继续抽真空至高真空状态（< ~10-5 Pa），以模拟空间环境。此时可暂停本操作流程。 - 使用开发的应用程序将设备与腔室内的无线收发器同步。当收发器上的发光二极管（LED）停止闪烁时，表示同步过程完成。
- 当达到所需真空度后，记录激光位移传感器的初始读数（模拟电压），作为基准值。
- 使用开发的应用程序触发下放一个已知精确质量且经过校准的铜环重物，以在四丝悬挂平台上产生力的传递。
注意：每个铜环的质量取决于所用四丝悬挂平台的预期灵敏度。本实验中，扩展校准模式下单个铜环质量约为100 mg，精细校准模式下为10 mg。更多信息请参见代表性结果部分。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
推力校准程序与推力性能评估
四线推力测量台推力值的评估分为两个阶段。第一阶段是通过从图中右侧所示的自动无线校准单元获取校准系数。 图 5在校准过程中，将精密砝码沿光滑的聚四氟乙烯杆缓慢下放，该装置可将砝码的垂直作用转化为水平力，并传递至四线悬吊平台上的推进器。随后，高分辨率激光位移传感器会相应测量每个间隔的位移。操作员通过数据采集应用程序（如图所示）对此过程进行监控。 图 6并在系列测试结束时，通过将多个经校准的砝码加载到系统上，获得校准系数。 S 该值由水平力-位移曲线的最佳拟合线得出，后续推力则通过公式 3 计算得出：
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
典型的霍尔型推进器44 是结构相对简单、成本低廉且效率很高的装置，可将离子流加速至每秒数十千米的速度，从而为卫星和航天器的加速、轨道机动、姿态调整、位置与姿态控制以及在服役寿命结束时离轨提供所需推力。在卫星及其他轨道载荷上应用霍尔推进器，可延长任务寿命，实现轨道转移以及多颗卫星的编队或星座飞行，并支持多任务能力。从结构上看（见图13示意图），霍尔推进器是一种同轴腔体，其一端装有阳极，出口附近则放置阴极。通常采用易于电离且相对分子质量较大的氙气（Xe）作为推进剂，但在某些情况下也可使用碘等其他元素45。离子流由阳极与阴极之间建立的静电场加速，而由一组线圈或永磁体系统产生的磁场则在腔体中心区域维持电子漂移电流46。该电子漂移电流不仅有效电离中性气体，同时还能补偿正离子电荷的变化。
电推进推进器的效率在很大程度上取决于其设计，尤其是电极的形状与构型、磁场参数，以及加速通道、阳极和阴极中发.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者声明不存在竞争性财务利益或其他利益冲突。
致谢
本工作部分得到了新加坡OSTIn-SRP/EDB、新加坡国家研究基金会、新加坡Academic Research Fund AcRF Tier 1 RP 6/16项目以及美国乔治华盛顿大学纳米技术研究所的支持。I. L. 感谢昆士兰科技大学科学与工程学部化学、物理与机械工程学院提供的支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Arduino 微控制器 | Arduino | Arduino Uno Rev 3 | |
| 蓝牙通信设备 | SG Botic | WIR-02471 | |
| 低温泵 | ULVAC | CRYO-U12HLE | |
| 数字示波器 | Yokogawa | DLM 2054 | |
| 干泵 | Agilent | Triscroll-600 | |
| 高分辨率激光位移传感器 | Micro-Epsilon | optoNCDT ILD-1420-50 | |
| 质量流量控制器 | MKS | MKS M100B | |
| 光学发射光谱仪 | Avantes | AvaSpec-ULS2048XL-EVO | |
| 伺服电机 | Tower Pro | Servo Motor SG90 | |
| 步进电机 | Oriental Motor | PKP213D05A | |
| 涡轮分子泵 | Pfeiffer | ATH-500M |
参考文献
- Levchenko, I., Keidar, M., Cantrell, J., Wu, Y. L., Kuninaka, H., Bazaka, K., Xu, S. Explore space using swarms of tiny satellites. Nature. 562, 185-187 (2018).
- Kishi, N. Management analysis for the space industry. Space Policy. 39-40, 1-6 (2017).
- Chen, Y.
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
