Optimierung, Test und Diagnose von miniaturisierten Hall Triebwerke

Summary

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll zum Testen und optimieren Platz Antriebssysteme basierend auf miniaturisierte Hall-Typ-Triebwerke.

Abstract

Miniaturisierte Raumfahrzeuge und Satelliten erfordern intelligente, hocheffiziente und langlebige Low-Schub Triebwerke, in der Lage, erweiterte, zuverlässiger Betrieb ohne Anwesenheit und Anpassung. Thermochemische Triebwerke die thermodynamische Eigenschaften von Gasen als Mittel zur Beschleunigung verwenden müssen körperliche Einschränkungen auf ihren Auspuff Gasgeschwindigkeit, geringe Effizienz. Darüber hinaus diese Motoren zeigen extrem geringen Effizienz in kleinen Schüben und möglicherweise ungeeignet für kontinuierlich Betriebssysteme die Echtzeit-adaptive Regelung der Raumsonde Ausrichtung, Geschwindigkeit und Position zur Verfügung zu stellen. Im Gegensatz dazu müssen elektrische Antriebssysteme, die elektromagnetische Felder verwenden, um ionisierte Gase (z.B. Plasmen) beschleunigen keine körperliche Einschränkung in Bezug auf die Auspuff-Geschwindigkeit, so dass praktisch jedem Masse Effizienz und spezifische Impuls. Low-Schub Hall Triebwerke haben eine Lebensdauer von mehreren tausend Stunden. Ihre Entlastung Spannungsbereichen zwischen 100 und 300 V, bei einer Nennleistung von < 1 kW. Sie variieren von 20 bis 100 mm groß. Großen Saal Triebwerke können Bruchteile von Millinewton Schub geben. In den letzten Jahrzehnten gab es ein zunehmendes Interesse in geringe Masse, low-Power und hocheffiziente Antriebssysteme zu Laufwerk Satelliten von 50-200 kg. In dieser Arbeit werden wir zeigen, wie zu bauen, zu testen und zu optimieren eine kleine (30 mm) Halle Thruster in der Lage ist, treibt einen kleinen Satelliten mit ca. 50 kg. Wir zeigen den Thruster in einem großen Raum-Umwelt-Simulator in Betrieb, und beschreiben, wie Schub gemessen wird und elektrischen Parameter, einschließlich Plasma Merkmale erhoben und verarbeitet, um wichtige Thruster Parameter zu bewerten. Wir zeigen auch, wie der Thruster optimiert ist, um zu machen, eines der effizientesten kleine Triebwerke, die jemals gebaut wurde. Wir werden auch die Herausforderungen und Chancen durch neue Thruster Materialien ansprechen.

Introduction

Erneuertes Interesse an der Raumfahrt hat teilweise durch hocheffiziente elektrische Antriebssysteme katalysiert wurden, liefern verbesserte Mission Fähigkeiten zunehmend eingeschränkter Start kostet^1,2,3. Viele verschiedene Gerätetypen Raum Elektroantrieb vor kurzem vorgeschlagen worden und getesteten^4,5,6,7,8 unterstützt durch das heutige Interesse im Raum Exploration^9,10. Darunter sind gerasterten Ionen-^11,12 und Halle-Typ Triebwerke^13,14 von primärem Interesse aufgrund ihrer Fähigkeit, sehr hohen Wirkungsgrad von ca. 80 %, als irgendwelche chemischen Thruster zu erreichen, inkl. der effizientesten Sauerstoff-Wasserstoff-Systeme die Effizienz von denen beschränkt sich auf ca. 5000 m/s durch den Auftraggeber, die physikalischen Gesetze^15,16,17,18.

Umfassende und zuverlässige Prüfung der miniaturisierte Raum Triebwerke in der Regel erfordert einen großen Komplex von Prüfeinrichtungen, die enthalten Prüfkammern, Vakuum-Anlagen (Pumpen), Kontrolle und Diagnose-Instrumente, ein System zur Messung der Plasmaparameter ¹⁹und eine breite Palette von Zusatzgeräten, die den Betrieb der Thruster, wie eine elektrische Stromversorgung, Treibmittel Versorgungseinheit, nachhaltig Messung Stand und viele andere Schub^20,21. Darüber hinaus eine typische Raum Antrieb Thruster besteht aus mehreren Einheiten, die separat die Effizienz beeinflussen und Lebensdauer der gesamten Schub System, und könnte daher getestet, sowohl einzeln als auch als Teil der Thruster Montage^{22, 23}. Erheblich erschwert Testverfahren und impliziert Langtest Perioden^24,25. Zuverlässigkeit von einem Thruster Kathode Einheit sowie Betrieb der Triebwerke bei verschiedenen Treibmittel verwendet werden erfordert auch besondere Berücksichtigung^26,27.

Zur Leistung des elektrischen Antriebssystems zu quantifizieren, und um Module für den operativen Einsatz im Weltraum-Missionen zu qualifizieren Boden Testeinrichtungen, die Simulation von realistischen Raum ermöglichen werden Umgebungen benötigt für die Prüfung von Multi-skaliert Antrieb Einheiten,^28,29,30. Ein Beispiel eines solchen Systems ist ein großer skalierte Raum Umwelt Simulationsschrank befindet sich im Space Propulsion Centre-Singapur (SPC-S, Abb. 1a, b)³¹. Bei der Entwicklung von solch einer Simulationsumgebung müssen die folgenden primären und sekundären Überlegungen berücksichtigt werden. Hauptanliegen sind, dass die so erstellten Raum Umwelt genau und zuverlässig eine realistische Weltraum Umgebung simulieren muss und die integrierten Diagnosesystemen müssen präzise und genaue Diagnose während Leistungsbewertung eines Systems. Sekundäre Bedenken sind, dass der simulierte Raum Umgebungen müssen hochgradig anpassbare ermöglichen schnelle Installation und Prüfung von verschiedenen Antriebs- und Diagnosemodule und die Umwelt muss Platz für hohen Durchsatz Tests zur Optimierung Entlastung und Betriebsbedingungen mehrere Einheiten gleichzeitig.

Space-Umwelt-Simulatoren und pumpenden Einrichtungen

Hier zeigen wir zwei Simulationseinrichtungen bei SPC-S, die umgesetzt wurden für die Prüfung von miniaturisierten elektrischen Antriebssystemen, sowie integrierte Module. Diese beiden Einrichtungen sind von verschiedenen Maßstäben und in erster Linie haben unterschiedliche Rollen in den Prozess der Leistungsbewertung, wie unten beschrieben.

Großen Raum Betätigung Plasmakammer (PSAC)

Die PSAC hat Abmessungen von 4,75 m (Länge) x 2,3 m (Durchmesser) und verfügt über ein Vakuum Pumpen Suite umfasst zahlreiche leistungsfähige Pumpen arbeiten im Tandem. Es ist in der Lage zu einem Basisdruck niedriger als 10^-6 PA. Es hat eine integrierte Vakuumregelung auslesen und Pumpe Aktivierung/Spülsystem für Räumung und Säuberung der Kammer. Es verfügt über zahlreiche anpassbare Flansche, elektrische Durchführungen und visuelle Diagnose Bullaugen, Line-Test-Anlage zur Verfügung zu stellen. Dies, ermöglicht zusammen mit eine vollständige Suite von Diagnosefunktionen intern montiert es, für Multi-modale Diagnostik schnell geändert werden. Das Ausmaß der PSAC ermöglicht auch für die Prüfung der vollständig integrierte Module für Anwendungen in einer simulierten Umgebung.

PSAC ist die SPC-S Flaggschiff Raum Umwelt Simulationsanlage (Abbildung 1 c, d). Seine schiere Größe ermöglicht eine Prüfung der kompletten Modulen von bis zu ein paar U auf der Bühne eine Quadfilar montiert. Der Vorteil dieser Methode wäre in der Echtzeit-Visualisierung wie die Propulsion Module montiert auf unterschiedliche Nutzlasten beeinflussen können an Ort und Stelle rangieren von Nutzlasten im Raum. Dies wird durch die Montage simuliert und Aussetzung der die gesamte Nutzlast auf eine proprietäre Quadfilar Schub Messplattform. Der Thruster kann dann abgefeuert werden, und die ausgesetzte Plattform mit dem Bugstrahlruder und Nutzlast würde je nach Platzverhältnissen getestet werden. Treibgas-Rohstoffe, die die Testumgebung über Elektroantrieb-Module geben Sie sind effizient abgepumpt durch die Vakuum-Suite um sicherzustellen, dass der Kammer Gesamtdruck nicht so verändert, ist eine realistische Weltraum Umwelt^{32 ,33,34}. Darüber hinaus elektrische Antriebssysteme in der Regel umfassen die Produktion von Plasmen und nutzen die Manipulation der Flugbahnen von geladenen Teilchen, die das System verlassen, um Schub³⁵zu generieren. In kleineren Simulationsumgebungen, die Anhäufung von Ladung oder Plasma Hüllen an der Wand beeinträchtigen die Austragsleistung durch Plasma-Wand-Interaktionen aufgrund seiner Nähe zum Antriebssystem, speziell für Micropropulsion wo typische Schub Werte sind in der Reihenfolge der Millinewtons. Daher müssen besondere Aufmerksamkeit und Nachdruck erfolgen abzurechnen und Beiträge von solchen Faktoren³⁶zu marginalisieren. Die PSAC Größe minimiert Plasma-Wand-Interaktionen, wodurch sie vernachlässigbar, geben eine genauere Darstellung der Entlastung Parameter und eine Überwachung von Plume Profilen in Elektroantrieb Module ermöglichen. Die PSAC dient in der Regel im vollen Modul Auswertung und Systeme Integration/Optimierungsprozesse ermöglicht eine schnelle Übersetzung von Thruster Prototypen betriebsbereit Systeme für Boden Tests in Vorbereitung auf Platz Qualifikation.

Skalierte Plasma Raum Umgebungssimulator (PSEC)

Die PSEC hat die Maße 65 cm x 40 cm x 100 cm und hat ein Vakuum pumpende-Suite umfasst sechs leistungsfähige Pumpen arbeiten im Tandem (trockene Vakuumpumpe, Turbomolekularpumpe und Cryo-Vakuum-Pumpen). Es ist in der Lage, ein Basisdruck niedriger als 10^-5 Pa zu erreichen, wenn das ganze System Pumpen in Betrieb ist (alle Pumpen sind im Einsatz). Druck und Treibmittel Ströme werden überwacht Echtzeit über integrierte Massenstrom Auslesen Boxen und Manometer. Die PSEC ist in erster Linie in Belastungstests der Triebwerke eingesetzt. Triebwerke sind für längere Zeit, um die Auswirkungen von Plasma Schaden auf Entladungskanäle und seine Lebensdauer gefeuert. Darüber hinaus, wie in Abbildung 2dargestellt, eine komplexe Flow Controller Gasnetz in dieser Anlage ermöglicht schnelle Verbindung von anderen Rohstoff Treibmittel, die Kathoden und Anoden, Kompatibilität der Triebwerke mit neuartigen Treibmitteln und Auswirkungen zu testen die Letztere auf Thruster Leistung. Dies ist der gestiegene Interesse an Forschungsgruppen arbeiten an “luftatmenden” elektrische Triebwerke unter Verwendung neuartiger Treibmittel während des Betriebs.

Integrierte Diagnosemöglichkeiten (multimodale Diagnostik)

Verschiedene integrierte Diagnosemöglichkeiten, ausgestattet mit automatisierten integrierte Robotersysteme (AIRS-µS)^19,23, entstanden für die beiden Systeme in PSEC und PSAC Diagnostik in verschiedenen Maßstäben und Zwecken gerecht zu werden.

Integrierte Diagnose in PSEC

Diagnosetools in PSEC hängen im Wesentlichen von Echtzeit-Überwachung von Entlastung durch erweiterte Operationen. Das Qualitätsmanagement-System überwacht Restgas in der Anlage für Kontaminanten Arten, die entstehen durch Sputtern von Material während einer Entladung. Diese Spuren sind im Laufe der Zeit auszuwertende Erosionsraten von der Entlastungskanal und Elektroden von der Thruster der Thruster Lebensdauer abzuschätzen quantitativ überwacht. Das optische Emissionen-Spektrometer (OES) ergänzt dieses Verfahren durch die Überwachung der Spektrallinien, die entsprechende elektronische Übergänge von Kontaminanten Arten durch Erosion, wie Kupfer aus der Elektronik. OES ermöglicht auch nicht-invasive Plasmadiagnostik und aktives monitoring der Plume-Profil, das Leistung des Thruster qualitativ bewertet. Schließlich wird eine Roboter-Faraday-Sonde, die ferngesteuert oder völlig autonomen Modus gesetzt werden kann verwendet, um schnelle fegt der Plume Profil zur Kollimation des Strahls durch parametrisch unterschiedlicher Entladungsbedingungen (Abbildung 3) Optimierung ableiten.

Integrierte Diagnose in PSAC

Der Luxus des physischen Raums in der PSAC ermöglicht die Installation mehrerer Thruster Systeme an verschiedenen Standorten aufgrund seiner modularen Bauweise ermöglicht Plug-und-Play-wie Installation für verschiedene Diagnosen gleichzeitig. Abbildung 4 zeigt die interne Querschnitt die PSAC in verschiedenen Konfigurationen mit voll gefedert Quadfilar Schub Messplattform wird seine bemerkenswerte und dauerhafte Befestigung. Turmsysteme, autonom gesteuert oder drahtlos über Android apps mit Mikrocontrollern und Bluetooth-Module, dann montiert werden auf modulare Weise mit Blick auf den Thruster Eigenschaften der Feder durch die Installation von verschiedenen Sonden wie Faraday, Langmuir und hemmen mögliche Analyzer (RPA). Auch in Abbildung 4 dargestellt, ist die Fähigkeit der PSAC für konfigurierbare Montage der Thruster Systeme zur gleichzeitigen Schnelldiagnostik von verschiedenen Plasmaparameter ermöglichen. Die Triebwerke können in einer einzelnen Spalte vertikal montiert werden und getestet schnell, einer nach dem anderen, Interaktionen zwischen den verschiedenen Thruster-Systemen zu vermeiden. Es wurde nachgewiesen, dass effiziente Auswertung von bis zu 3 verschiedene Module auf eine einzelne Instanz möglich ist, so deutlich reduziert die Ausfallzeit während der Evakuierung und Bereinigung Prozesse erforderlich sonst beim Systeme einzeln zu testen. Auf der anderen Seite ist dieses System eine wertvolle Gelegenheit zum Testen der Thruster-Assemblys, die Arbeiten sollten in einem Haufen auf dem gleichen Satelliten. Die Triebwerke können in einer einzelnen Spalte vertikal montiert werden und getestet schnell, einer nach dem anderen, Interaktionen zwischen den verschiedenen Thruster-Systemen zu vermeiden. Es wurde getestet, um bei der Bewertung von bis zu 3 verschiedene Module auf einer einzelnen Instanz, deutlich weniger Ausfallzeiten während der Evakuierung und Bereinigung Prozesse erforderlich sonst beim Testen der Systeme individuell wirksam zu sein.

Es ist wichtig, den Schub in Micropropulsion Systemen genau so zu bestimmen, dass Parameter wie Effizienz, η_Eff und der spezifische Impuls ich_sp, korrekt sind, damit, so dass eine zuverlässige Darstellung der Abhängigkeit der Thruster Leistung auf verschiedenen Eingabeparametern wie den Treibsatz Fluss und die Stromversorgung zu den verschiedenen Endgeräten die Triebwerke, wie in den Gleichungen 1 und 2 dargestellt. Explizit, dreht sich Leistungsbewertung der Micropropulsion Systeme in der Regel um die Messung des Schubes erzeugt aus dem System an verschiedenen Betriebsparameter. Performance-Auswertung-Systeme müssen daher entsprechend eine Reihe von Standards kalibriert werden, bevor Sie in die Raum-Umgebung für den Einsatz in der Diagnostik und Tests, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit¹⁹installiert wird.

Typische Systeme beschäftigen Kraft Kalibrierung extern vor Schub Maßeinheiten in der Test-Umgebung³⁸installiert sind. Aber solche Systeme berücksichtigen nicht für die Auswirkungen auf die Materialeigenschaften der Kalibrierstandards Raum-Umgebungen und für Elektro-, Vakuum und thermische Einflüsse auf den Abbau der kalibrierten Standards im dynamischen Verlauf Leistungsbewertung von der Triebwerke. Die automatische drahtlose Kalibriereinheit in Abbildung 5dargestellten ermöglicht auf der anderen Seite für in-situ Kalibrierung des Systems in der simulierten Umgebung, bevor der Thruster in Betrieb ist. Dies die dynamischen Effekte der Testumgebung auf der Bühne Messung entfallen, und ermöglicht eine schnelle Re-Kalibrierung des Systems vor der Zündung der Triebwerke. Das System verfügt auch über eine symmetrische modulare null Schub Überprüfung Einheit, die die Ausrichtung unabhängig überprüft. Betrieben wird es während der Thruster für in situ Analyse von der abgeleiteten ist Schübe von bestimmten Bedingungen zu entladen. Der gesamte Prozess erfolgt über MATLAB-Anwendungen, so dass Anwender sich auf Optimierung der Hardware und Design von Antriebssystemen, und beschleunigt die Prüfung solcher Systeme. Details dieser Methode würde im folgenden Unterabschnitt ausgearbeitet werden.

Protocol

Hier präsentieren wir die Protokolle für die Schub Kalibrierung Verfahren und Performance-Evaluierung, unabhängige Schub Verifikation über null Mess- und Plume Profilometry durch in-situ Geodaten zu spüren. (1) Schub Kalibrierung Verfahren und Schub Leistungsbewertung Stellen Sie sicher, dass alle Komponenten in der Kammer installiert sind, wie in Abbildung 5dargestellt. Testen Sie die Konnektivität des Diagnose-Tools nach außen …

Representative Results

Kalibrierverfahren Schub und Schub Leistungsbewertung Bewertung der Schub Werte aus der Quadfilar Schub-Messung-Bühne kommt in zwei Phasen. Die erste Phase ist durch den Erwerb Kalibrierfaktoren von der automatisierten drahtlose Kalibriereinheit auf der rechten Seite der Abbildung 5gezeigt. Bei dieser Kalibrierung sinken feine Gewichte über eine glatte Polytetrafluorethylen-Bar di…

Discussion

Typical Hall-Typ Triebwerke⁴⁴ sind relativ einfach, billig und hocheffiziente Geräte, die eine Ionen-Fluss, die Geschwindigkeiten von mehreren zehn km/s, Bereitstellung von Schub beschleunigen könnte erforderlich für beschleunigte Satelliten und Raumfahrzeuge sowie für manövrieren, Ausrichtung, Position und Lageregelung, und am Ende ihrer Lebensdauer Betrieb de-Orbit. Anwendung der Halle Triebwerke auf Satelliten und anderen orbitalen Nutzlasten Mission Leben verbessern ermöglichen orbital T…

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