Optimalisatie-, Test- en diagnostiek van verkleinde Hall Thrusters

Summary

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

Abstract

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.

Introduction

Hernieuwde belangstelling voor de ruimtevaartindustrie heeft gedeeltelijk gekatalyseerd door zeer efficiënte elektrische aandrijfsystemen dat leveren verbeterd missie mogelijkheden bij steeds lagere lancering kost^1,2,3. Veel verschillende soorten ruimte elektrische voortstuwing apparaten hebben onlangs voorgesteld en geteste^4,5,,^6,,^7,8 ondersteund door de huidige belangstelling voor ruimte exploratie^9,10. Onder hen zijn gerasterde ion^11,12 en^13,14 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 wetten^15,16,17,18.

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 anderen^20,21. 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 vergadering^{22, 23}. Dit aanzienlijk bemoeilijkt testprocedures en houdt lange proef perioden^24,25. Betrouwbaarheid van een boegschroef de kathode eenheid, alsmede de werking van stuwraketten wanneer verschillende drijfgassen worden gebruikt ook vereist speciale aandacht^26,27.

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 eenheden^28,29,30. 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 ruimteomgeving^{32 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, η_EVF en de specifieke stoot ik_sp, 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.

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.

Protocol

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 Zorg ervoor dat alle onderdelen in de zaal zijn geïnstalleerd, zoals afgebeeld in Figuur 5. Test de connectiviteit van de diagnostisch…

Representative Results

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…

Discussion

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…

Materials

Arduino Microcontroller	Arduino	Arduino Uno Rev 3
Bluetooth communication device	SG Botic	WIR-02471
Cryogenic Pump	ULVAC	CRYO-U12HLE
Digital Oscilloscope	Yokogawa	DLM 2054
Dry Pump	Agilent	Triscroll-600
High resolution laser displacement sensor	Micro-Epsilon	optoNCDT ILD-1420-50
Mass Flow Controller	MKS	MKS M100B
Optical Emission Spectrometer	Avantes	AvaSpec-ULS2048XL-EVO
Servo Motor	Tower Pro	Servo Motor SG90
Stepper Motor	Oriental Motor	PKP213D05A
Turbomolecular Pump	Pfeiffer	ATH-500M