Summary

Optimalisatie-, Test- en diagnostiek van verkleinde Hall Thrusters

Published: February 16, 2019
doi:

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 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.

Equation 1

Equation 2

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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

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

References

  1. 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).
  2. Kishi, N. Management analysis for the space industry. Space Policy. 39-40, 1-6 (2017).
  3. Chen, Y. China’s space policy-a historical review. Space Policy. 37, 171-178 (2016).
  4. Levchenko, I., Bazaka, K., Mazouffre, S., Xu, S. Prospects and physical mechanisms for photonic space propulsion. Nature Photonics. 12, 649-657 (2018).
  5. Mazouffre, S. Electric propulsion for satellites and spacecraft: established technologies and novel approaches. Plasma Sources Sciency and Technology. 25, 033002 (2016).
  6. Rafalskyi, D., Aanesland, A. Brief review on plasma propulsion with neutralizer-free systems. Plasma Sources Sciency and Technology. 25, 043001 (2016).
  7. Levchenko, I., Bazaka, K., Ding, Y., Raitses, Y., Mazouffre, S., Henning, T., Klar, P. J., et al. Space micropropulsion systems for Cubesats and small satellites: from proximate targets to furthermost frontiers. Applied Physics Reviews. 5, 011104 (2018).
  8. Garrigues, L., Coche, P. Electric propulsion: comparisons between different concepts. Plasma Physics and Controlled Fusion. 53, 124011 (2011).
  9. Levchenko, I., Xu, S., Mazouffre, S., Keidar, M., Bazaka, K. Mars Colonization: Beyond Getting There. Global Challenges. 2, 1800062 (2018).
  10. Grimaud, L., Mazouffre, S. Performance comparison between standard and magnetically shielded 200 Hall thrusters with BN-SiO2 and graphite channel walls. Vacuum. 155, 514-523 (2018).
  11. Choueiri, E. Y. A critical history of electric propulsion: the first 50 years (1906-1956). Journal of Propulsion and Power. 20, 193-203 (2004).
  12. Ozaki, T., Kasai, Y., Nakagawa, T., Itoh, T., Kajiwara, K., Ikeda, M. In-Orbit Operation of 20 mN Class Xenon Ion Engine for ETS-VIII. , IEPC-2007-084 (2007).
  13. Ding, Y., Li, H., Li, P., Jia, B., Wei, L., Su, H., Sun, H., Wang, L., Yu, D. Effect of relative position between cathode and magnetic separatrix on the discharge characteristic of hall thrusters. Vacuum. 154, 167-173 (2018).
  14. Ding, Y., Peng, W., Sun, H., Wei, L., Zeng, M., Wang, F., Yu, D. Performance characteristics of No-Wall-Losses Hall thruster. The European Physical Journal – Special Topics. 226, 2945-2953 (2017).
  15. Ahedo, E. Plasmas for space propulsion. Plasma Physics and Controlled Fusion. 53, 124037 (2011).
  16. Charles, C. Plasmas for spacecraft propulsion. Journal of Physics D: Applied Physics. 42, 163001 (2009).
  17. Ding, Y., Sun, H., Li, P., Wei, L., Su, H., Peng, W., Li, H., Yu, D. Application of hollow anode in Hall thruster with double-peak magnetic fields. Journal of Physics D: Applied Physics. 50, 335201 (2017).
  18. Conversano, R. W., Goebel, D. M., Mikellides, I. G., Hofer, R. R. Performance analysis of a low-power magnetically shielded Hall thruster: computational modeling. Journal of Propulsion and Power. 33, 992-1001 (2017).
  19. Chen, F. F. Langmuir probe analysis for high density plasmas. Physics of Plasmas. 8, 3029-3041 (2001).
  20. Neumann, A. Update on diagnostics for DLR’s electric propulsion test facility. Procceedins of Engineering. 185, 47-52 (2017).
  21. Snyder, J. S., Baldwin, J., Frieman, J. D., Walker, M. L., Hicks, N. S., Polzin, K. A., Singleton, J. T. Recommended practice for flow control and measurement in electric propulsion testing. Journnal of Propulsion and Power. 33, 556-565 (2017).
  22. Conversano, R. W., Goebel, D. M., Hofer, R. R., Mikellides, I. G., Wirz, R. E. Performance analysis of a low-power magnetically shielded hall thruster: Experiments. Journal of Propulsion and Power. 33, 975-983 (2017).
  23. Pottinger, S., Lappas, V., Charles, C., Boswell, R. Performance characterization of a helicon double layer thruster using direct thrust measurements. Journal of Physics D: Applied Physics. 44, 235201 (2011).
  24. Ding, Y., Peng, W., Sun, H., Wei, L., Zeng, M., Wang, F., Yu, D. Visual evidence of suppressing the ion and electron energy loss on the wall in Hall thrusters. Japanese Journal of Applied Physics. 56, 038001 (2017).
  25. Ding, Y., Peng, W., Wei, L., Sun, G., Li, H., Yu, D. Computer simulations of Hall thrusters without wall losses designed using two permanent magnetic rings. Journal of Physics D: Applied Physics. 49, 465001 (2016).
  26. Rovey, J. L., Gallimore, A. D. Dormant cathode erosion in a multiple-cathode gridded ion thruster. Journal of Propulsion and Power. 24, 1361-1368 (2008).
  27. Linnell, J. A., Gallimore, A. D. Efficiency analysis of a hall thruster operating with krypton and xenon. Journnal of Propulsion and Power. 22, 1402-1412 (2006).
  28. Funaki, I., Iihara, S., Cho, S., Kubota, K., Watanabe, H., Fuchigami, K., Tashiro, Y. Laboratory Testing of Hall Thrusters for All-electric Propulsion Satellite and Deep Space Explorers. , (2016).
  29. Ding, Y., Sun, H., Li, P., Wei, L., Xu, Y., Peng, W., Su, H., Yu, D. Influence of hollow anode position on the performance of a Hall-effect thruster with double-peak magnetic field. Vacuum. 143, 251-261 (2017).
  30. Ding, Y., Peng, W., Sun, H., Xu, Y., Wei, L., Li, H., Zeng, M., Wang, F., Yu, D. Effect of oblique channel on discharge characteristics of 200-W Hall thruster. Physics of Plasmas. 24, 023507 (2017).
  31. Lim, J. W. M., Huang, S. Y., Xu, L., Yee, J. S., Sim, R. Z., Zhang, Z. L., Levchenko, I., Xu, S. Automated Integrated robotic systems for diagnostics and test of electric and μ-propulsion thrusters. IEEE Transaction of Plasma Sciency. 46, 345-353 (2018).
  32. Underwood, C., Sergio, P., Lappas, V. J., Bridges, C. P., Baker, J. Using CubeSat/micro-satellite technology to demonstrate the autonomous assembly of a reconfigurable space telescope (AAReST). Acta Atronaut. 114, 112-122 (2015).
  33. Kamahawi, H., Huang, W., Haag, T. Investigation of the effects of facility background pressure on the performance and voltage-current characteristics of the high voltage hall accelerator. AIAA. , (2014).
  34. Lim, J. W. M., Huang, S. Y., Sun, Y. F., Xu, L., Sim, R. Z. W., Yee, J. S., Zhang, Z. L., Levchenko, I., Xu, S. Precise calibration of propellant flow for practical applications and testing in Hall thruster setups. IEEE Transaction on Plasma Science. 46, 338-344 (2018).
  35. Boeuf, J. P. Tutorial: Physics and modeling of Hall thrusters. Journal of Applied Physics. 121, 011101 (2017).
  36. Ikeda, T., Togawa, K., Tahara, H., Watanabe, Y. Performance characteristics of very low power cylindrical Hall thrusters for the nanosatellite ‘PROITERES-3. Vacuum. 88, 63-69 (2013).
  37. Jackson, S. W., Marshall, R. Conceptual design of an air-breathing electric thruster for CubeSat applications. J. Spacecraft Rockets. , (2018).
  38. Rohaizat, M. W. A. B., Lim, M., Xu, L., Huang, S., Levchenko, I., Xu, S. Development and calibration of a variable range stand for testing space micropropulsion thrusters. IEEE Transaction on Plasma Science. 46, 289-295 (2018).
  39. Raitses, Y., Fisch, N. J. Parametric investigations of a nonconventional Hall thruster. Physics of Plasmas. 5, 2579 (2001).
  40. Vaudolon, J., Mazouffre, S., Henaux, C., Harribey, D., Rossi, A. Optimization of a wall-less Hall thruster. Applied Physics Letters. 107, 174103 (2015).
  41. Mazouffre, S., Grimaud, L. Characteristics and Performances of a 100-W Hall Thruster for Microspacecraft. IEEE Transactions on Plasma Science. 46, 330-337 (2018).
  42. Levchenko, I., et al. Recent progress and perspectives of space electric propulsion systems based on smart nanomaterials. Nature Communications. 9, 879 (2018).
  43. Goebel, D. M., Katz, I. . Fundamentals of electric propulsion. , (2008).
  44. Choueiri, E. Y. Fundamental difference between the two Hall thruster variants. Physics of Plasmas. 8, 5025 (2001).
  45. Ding, Y., Sun, H., Peng, W., Xu, Y., Wei, L., Li, H., Li, P., Su, H., Yu, D. Experimental test of 200 W Hall thruster with titanium wall. Journal of Physics D: Applied Physics. 56, 050312 (2017).
  46. Lemmer, K. Propulsion for CubeSats. Acta Astronautics. 134, 231-243 (2017).
  47. Ding, Y., et al. A 200-W permanent magnet Hall thruster discharge with graphite channel wall. Physics Letters A. 382 (42), 3079-3082 (2018).
  48. Levchenko, I., Bazaka, K., Belmonte, T., Keidar, M., Xu, S. Advanced Materials for Next Generation Spacecraft. Advanced Materials. 30, 1802201 (2018).
  49. Jacob, M. V., Rawat, R. S., Ouyang, B., Bazaka, K., Kumar, D. S., Taguchi, D., Iwamoto, M., Neupane, R., Varghese, O. K. Catalyst-Free Plasma Enhanced Growth of Graphene from Sustainable Sources. Nano Letters. 15, 5702-5708 (2015).
  50. Baranov, O., Bazaka, K., Kersten, H., Keidar, M., Cvelbar, U., Xu, S., Levchenko, I. Plasma under control: Advanced solutions and perspectives for plasma flux management in material treatment and nanosynthesis. Applied Physics Reviews. 4, 041302 (2017).
  51. Levchenko, I., Bazaka, K., Baranov, O., Sankaran, M., Nomine, A., Belmonte, T., Xu, S. Lightning under water: Diverse reactive environments and evidence of synergistic effects for material treatment and activation. Applied Physics Reviews. 5, 021103 (2018).
  52. Bazaka, K., Jacob, M. V., Ostrikov, K. Sustainable Life Cycles of Natural-Precursor-Derived Nanocarbons. Chemical Reviews. 116, 163-214 (2016).
  53. Levchenko, I., Ostrikov, K. K., Zheng, J., Li, X., Keidar, M., Teo, K. B. K. Scalable graphene production: perspectives and challenges of plasma applications. Nanoscale. 8, 10511 (2016).
  54. Levchenko, I., Bazaka, K., Keidar, M., Xu, S., Fang, J. Hierarchical Multi-Component Inorganic Metamaterials: Intrinsically Driven Self-Assembly at Nanoscale. Advanced Materials. 30, 1702226 (2018).
  55. Baranov, O., Levchenko, I., Bell, J. M., Lim, J. W. M., Huang, S., Xu, L., Wang, B., Aussems, D. U. B., Xu, S., Bazaka, K. From nanometre to millimetre: a range of capabilities for plasma-enabled surface functionalization and nanostructuring. Materials Horizons. 5, 765-798 (2018).
  56. Koizumi, H., Kuninaka, H. Miniature Microwave Discharge Ion Thruster Driven by 1 Watt Microwave Power. Journal of Propulsion and Power. 26, 601-604 (2010).
  57. Ding, Y., Su, H., Li, P., Wei, L., Li, H., Peng, W., Xu, Y., Sun, H., Yu, D. Study of the Catastrophic Discharge Phenomenon in a Hall Thruster. Physics Letters A. 381, 3482-3486 (2017).
  58. Baranov, O., Xu, S., Ostrikov, K., Wang, B. B., Bazaka, K., Levchenko, I. Towards universal plasma-enabled platform for the advanced nanofabrication: plasma physics level approach. Reviews of Modern Plasma Physics. 2, 4 (2018).
  59. Taccogna, F. Monte Carlo Collision method for low temperature plasma simulation. Journal of Plasma Physics. 81, 305810102 (2014).
  60. Furukawa, T., Takizawa, K., Kuwahara, D., Shinohara, S. Electrodeless plasma acceleration system using rotating magnetic field method featured. AIP Advances. 7, 115204 (2017).
  61. Levchenko, I., Beilis, I. I., Keidar, M. Nanoscaled metamaterial as an advanced heat pump and cooling media. Advanced Materials Technologies. 1, 1600008 (2016).
  62. Zidar, D. G., Rovey, J. L. Hall-Effect Thruster Channel Surface Properties Investigation. Journal of Propulsion and Power. 28, 334-343 (2012).
  63. Pai, D. Z., Ostrikov, K. K., Kumar, S., Lacoste, D. A., Levchenko, I., Laux, C. O. Energy efficiency in nanoscale synthesis using nanosecond plasmas. Scientific Reports. 3, 1221 (2013).
  64. Rider, A. E., Levchenko, I., Ostrikov, K. Surface fluxes of Si and C adatoms at initial growth stages of SiC quantum dots. Journal of Applied Physics. 101, 044306 (2007).
  65. Bazaka, K., Baranov, O., Cvelbar, U., Podgornik, B., Wang, Y., Huang, S., Xu, L., Lim, J. W. M., Levchenko, I., Xu, S. Oxygen plasmas: a sharp chisel and handy trowel for nanofabrication. Nanoscale. 10, 17494-17511 (2018).
  66. Levchenko, I., Ostrikov, K., Murphy, A. B. Plasma-deposited Ge nanoisland films on Si: is Stranski–Krastanow fragmentation unavoidable?. Journal of Physics D: Applied Physics. 41, 092001 (2008).
  67. Hundt, M., Sadler, P., Levchenko, I., Wolter, M., Kersten, H., Ostrikov, K. Real-time monitoring of nucleation-growth cycle of carbon nanoparticles in acetylene plasmas. Journal of Applied Physics. 109, 123305 (2011).
  68. Levchenko, I., Cvelbar, U., Ostrikov, K. Kinetics of the initial stage of silicon surface oxidation: Deal–Grove or surface nucleation?. Applied Physics Letters. 95, 021502 (2009).
  69. Han, Z. J., Rider, A. E., Ishaq, M., Kumar, S., Kondyurin, A. Carbon nanostructures for hard tissue engineering. RSC Advances. 3, 11058-11072 (2013).
  70. Levchenko, I., Ostrikov, K. Carbon saturation of arrays of Ni catalyst nanoparticles of different size and pattern uniformity on a silicon substrate. Nanotechnology. 19, 335703 (2008).
  71. Baranov, O., Levchenko, I., Xu, S., Lim, J. W. M., Cvelbar, U., Bazaka, K. Formation of vertically oriented graphenes: what are the key drivers of growth?. 2D Materials. 5, 044002 (2019).
  72. Singh, L. A., Sanborn, G. P., Turano, S. P., Walker, M. L. R., Ready, W. J. Operation of a carbon nanotube field emitter array in a Hall effect thruster plume environment. IEEE Transactions on Plasma Science. 43, 95 (2015).
  73. Levchenko, I., Ostrikov, K. Plasma/ion-controlled metal catalyst saturation: Enabling simultaneous growth of carbon nanotube/nanocone arrays. Applied Physics Letters. 92, 063108 (2008).
  74. Milne, W. I., Teo, K. B. K., Amaratunga, G. A. J., Legagneux, P., Gangloff, L., Schnell, J. P., Semet, V., Binh, V. T., Groening, O. Carbon nanotubes as field emission sources. Journal of Materials Chemistry. 14, 933 (2004).
  75. Lee, C., Wei, X., Kysar, J. W., Hone, J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science. 320, 385 (2008).
  76. Fang, J. Plasma-enabled growth of single-crystalline SiC/AlSiC core–shell nanowires on porous alumina templates. Crystals Growth and Design. 12, 2917-2922 (2012).
  77. Fang, J., Levchenko, I., van der Laan, T., Kumar, S., Ostrikov, K. Multipurpose nanoporous alumina–carbon nanowall bi-dimensional nano-hybrid platform via catalyzed and catalyst-free plasma CVD. Carbon. 78, 627-632 (2014).
  78. Han, Z. J., Yick, S., Levchenko, I., Tam, E., Yajadda, M. M. A., Kumar, S., Martin, P. J., Furman, S., Ostrikov, K. Controlled synthesis of a large fraction of metallic single-walled carbon nanotube and semiconducting carbon nanowire networks. Nanoscale. 3, 3214-3220 (2011).
  79. Kumar, S., Levchenko, I., Ostrikov, K. K., McLaughlin, J. A. Plasma-enabled, catalyst-free growth of carbon nanotubes on mechanically-written Si features with arbitrary shape. Carbon. 50, 325-329 (2012).
  80. Levchenko, I., Ostrikov, K., Keidar, M., Xu, S. Deterministic nanoassembly: Neutral or plasma route?. Applied Physics Letters. 89, 033109 (2006).

Play Video

Cite This Article
Lim, J. W. M., Levchenko, I., Rohaizat, M. W. A. B., Huang, S., Xu, L., Sun, Y. F., Potrivitu, G. C., Yee, J. S., Sim, R. Z. W., Wang, Y., Levchenko, S., Bazaka, K., Xu, S. Optimization, Test and Diagnostics of Miniaturized Hall Thrusters. J. Vis. Exp. (144), e58466, doi:10.3791/58466 (2019).

View Video