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Engineering

小型化霍尔推进器的优化、测试和诊断

Published: February 16, 2019 doi: 10.3791/58466
Automatic Translation
1, 1,2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 3, 1, 2,1, 1
1Plasma Sources and Applications Centre, National Institute of Education, Nanyang Technological University, 2School of Chemistry, Physics, Mechanical Engineering, Queensland University of Technology, 3Department of Physics, School of Science, Hangzhou Dianzi University

Summary

在这里, 我们提出了一个基于小型化霍尔型推进器的空间推进系统测试和优化协议。

Abstract

微型航天器和卫星需要智能、高效和耐用的低推力推进器, 能够在不出勤和调整的情况下延长、可靠的运行。利用气体的热力学特性作为加速手段的热化学推进器对其废气速度有物理限制, 导致效率低下。此外, 这些发动机在小推力下效率极低, 可能不适合对航天器方向、速度和位置进行实时自适应控制的连续运行系统。相反, 利用电磁场加速电离气体 (即等离子体) 的电力推进系统在排气速度方面没有任何物理限制, 几乎允许任何质量效率和特定的脉冲。低推力霍尔推进器有几千小时的寿命。它们的放电电压在100至 300 v 之间, 以 lt;1 千瓦的额定功率工作。它们的大小从20毫米到100毫米不等。大型霍尔推进器可以提供千吨推力的分数。在过去的几十年里, 人们对小质量、低功耗和高效率的推进系统越来越感兴趣, 以驱动50-200 公斤的卫星。在这项工作中, 我们将演示如何建造、测试和优化一个能够推进一个重约50公斤的小型卫星的小型 (30 毫米) 霍尔推进器。我们将展示推进器在大型空间环境模拟器中运行, 并描述如何测量推力, 以及如何收集和处理包括等离子体特性在内的电气参数, 以评估关键推进器参数。我们还将演示推进器是如何优化的, 使其成为有史以来建造的最高效的小型推进器之一。我们还将应对新推进器材料带来的挑战和机遇。

Introduction

高效的电力推进系统在一定程度上促进了人们对空间工业的重新兴趣, 这些系统以日益降低的发射成本提供了更强大的飞行任务能力 1、2、3.最近提出并测试了许多不同类型的空间电力推进装置, 4、5、6、7、8得到了当今对空间的兴趣的支持勘探9,10。其中, 网格离子11、12和霍尔型推进器13,14是主要关注的问题, 因为它们能够达到80% 左右的非常高的效率, 超过任何化学推进器的效率,包括最有效的氧氢系统, 其效率被主要物理定律15、16、17、18 限制在 5000 m 左右。

对小型化空间推进器进行全面、可靠的测试通常需要大量复杂的测试设施, 包括测试室、真空设施 (泵)、控制和诊断仪器, 这是一个测量等离子体参数的系统1 9日, 以及支持推进器运行的各种辅助设备, 如供电系统、推进剂供应装置、推力测量台等许多20、21 台。此外, 一个典型的空间推进推进器由几个单元组成, 分别影响整个推力系统的效率和使用寿命, 因此, 可以单独测试, 也可以作为推进器组件22的一部分进行测试, 23岁这使测试程序变得更加复杂, 并意味着测试周期很长,24,25。推进器阴极单元的可靠性, 以及在使用不同推进剂时推进器的运行, 也需要特别考虑 26、27.

为量化电力推进系统的性能, 并使模块有资格在空间飞行任务中进行业务部署, 需要有地面测试设施, 以便能够模拟现实的空间环境, 从而进行多尺度推进测试单元 28,29,30。这种系统的一个例子是位于新加坡空间推进中心 (spc-s, 图 1a, b)31的大型空间环境模拟室。在开发这样的模拟环境时, 需要考虑以下主要和次要因素。主要关注的问题是, 所创造的空间环境必须准确、可靠地模拟现实的空间环境, 内置的诊断系统必须在系统性能评估期间提供精确和准确的诊断。次要考虑的是, 模拟空间环境必须是高度可定制的, 以便能够快速安装和测试不同的推进和诊断模块, 并且环境必须能够适应高吞吐量测试以优化同时排放和运行条件。

空间环境模拟器和抽水设施

在这里, 我们展示了 spc-s 的两个仿真设施, 它们已用于测试微型化电力推进系统以及集成模块。如下文所述, 这两个设施的规模不同, 主要在业绩评价过程中发挥不同的作用。

大等离子空间驱动室 (psac)

psac 的尺寸为4.75 米 (长度) x 2.3 米 (直径), 并有一个真空泵送套件, 其中包括许多大容量泵一起工作。它能够实现低于10-6 帕的基压.它有一个集成的真空控制读数和泵激活清洗系统, 用于疏散和清洗室。它配备了许多可定制的法兰, 电气穿通和视觉诊断门廊, 以提供在线测试设施。这一点, 再加上在内部安装的全套诊断功能, 使其能够快速修改, 以便进行多模式诊断。psac 的规模还允许在模拟环境中测试完全集成的模块, 用于应用程序。

psac 是 spc-s 旗舰空间环境模拟设施 (图 1c,d)。其绝对的尺寸允许测试完整的模块, 最多几个 u 的安装在一个四字座的舞台上。这种方法的优点是实时可视化安装在不同有效载荷上的推进模块如何影响空间有效载荷的现场机动。这是通过在专有的四头推力测量平台上安装和悬挂整个有效载荷进行模拟的。然后可以发射推进器, 并根据空间条件对带有推进器和有效载荷的悬挂平台进行测试。通过电力推进模块进入测试环境的推进剂气体原料通过真空套件有效地抽出, 以确保箱体的整体压力不变, 从而保持现实的空间环境32 ,33,34。此外, 电力推进系统通常涉及等离子体的生产, 并利用操纵带电粒子离开系统的轨迹, 以产生推力35。在较小的模拟环境中, 由于靠近推进系统, 在典型推力的情况下, 通过等离子体壁相互作用, 在墙体上的电荷或等离子体护套的堆积可能会影响放电性能值是千的顺序。因此, 必须特别注意和强调考虑到这些因素的贡献, 并将其边缘化36。psac 的大尺寸最大限度地减少了等离子体壁的相互作用, 使其可以忽略不计, 从而更准确地表示放电参数, 并能够监测电力推进模块中的羽流剖面。psac 通常用于完整的模块评估和系统集成优化过程, 这使得可以快速将推进器原型转换为可操作的可用系统, 用于地面测试, 为空间鉴定做准备。

规模等离子体空间环境模拟器 (psec)

psec 的尺寸为65厘米 x 40 厘米 x 100 厘米, 并有一个真空泵, 其中包括6个大容量泵, 串联工作 (干式真空泵、涡轮分子和冷冻真空泵)。当整个泵送系统运行时 (所有泵都在使用中), 它能够实现低于10-5 帕的基压。通过集成的质量流量读出箱和压力表实时监测压力和推进剂流量。psec 主要用于推进器的耐久性测试。推进器被长时间发射, 以评估等离子体损伤对放电通道及其寿命的影响。此外, 如图 2所示, 该设施中的复杂气体流量控制器网络能够快速将其他原料推进剂连接到阴极和阳极, 以测试推进器与新型推进剂的兼容性以及后者对推进器性能。这引起了从事在运行中使用新型推进剂的 "呼吸空气" 电动推进器的研究小组的兴趣。

集成诊断设施 (多模式诊断)

为 psec 和 psac 的两个系统开发了配备了自动化集成机器人系统 (airs-μs)19、23的不同综合诊断设施, 以满足不同规模和用途的诊断需要。

psec 中的集成诊断

psec 中的诊断工具主要取决于通过扩展操作对放电进行实时监测。质量管理系统监测设施中的残余气体, 以确定在排放过程中材料溅射所产生的污染物种类。随着时间的推移, 对这些痕量进行定量监测, 以评估推进器的放电通道和电极的侵蚀速率, 从而估计推进器的寿命。光学排放光谱仪 (oes) 通过监测与侵蚀引起的污染物物种 (如电子产品中的铜) 的电子过渡相对应的光谱线来补充这一程序。oes 还可以实现非侵入性等离子体诊断和羽流轮廓的主动监测, 从而对推进器的性能进行定性评估。最后, 利用可远程控制或设置为完全自治模式的机器人 faraday 探头, 通过参数变化的放电条件, 对羽流剖面进行快速扫描, 以优化梁的准直 (图 3)。

psac 中的集成诊断

由于采用模块化设计, psac 拥有豪华的物理空间, 可在不同位置安装多个推进器系统, 从而同时安装类似即插即用的设备和游戏, 用于各种诊断。图 4显示了各种配置中 psac 的内部横截面, 完全悬挂的四头推力测量平台是其最显著的永久夹具。转塔系统, 通过使用微控制器和蓝牙模块的 android 应用程序自主或无线控制, 然后可以以模块化的方式安装, 面向推进器, 通过安装各种探头获得羽流的特性如法拉第、朗穆伊尔和缓动电位分析仪 (rpa)。图 4中还显示了 psac 的能力, 它允许可配置地安装推进器系统, 以便同时快速诊断各种等离子体参数。推进器可以垂直安装在一个列中, 并进行快速测试, 一个接一个, 以避免不同推进器系统之间的相互作用。已经验证, 在一个实例中可以对多达3个不同的模块进行有效评估, 从而显著减少单独测试系统时在疏散和清除过程中所需的停机时间。另一方面, 该系统是测试应该在同一颗卫星上一堆运行的推进器组件的宝贵机会。推进器可以垂直安装在一个列中, 并进行快速测试, 一个接一个, 以避免不同推进器系统之间的相互作用。它已被测试为在一个实例中有效地评估多达3个不同的模块, 显著减少了疏散过程中的停机时间, 并在单独测试系统时需要这样做。

准确确定微推进系统中的推力是至关重要的, 这样, 效率、 效率和特定的脉冲 i sp等参数都是准确的, 从而可靠地表示了微推进系统的依赖性。推进器在不同输入参数上的性能, 如推进剂流量, 以及提供给推进器不同端子的功率, 如公式1和2所示。显然, 微推进系统的性能评估通常围绕着在各种操作参数下测量系统产生的推力。因此, 在安装到空间环境中用于诊断和测试之前, 需要根据一套标准对性能评价系统进行校准, 以确保其可靠性和准确性19。

Equation 1

Equation 2

在将推力测量单元安装到测试环境中之前, 典型的系统在外部使用力校准38。但是, 这类系统并不考虑影响校准标准材料特性的空间环境, 也不考虑电气、真空和热对校准标准在动态过程中的降解的影响。推进器的性能评估。另一方面,图 5所示的自动无线校准单元允许在推进器运行前在模拟环境中对系统进行现场校准。这说明了测试环境对测量阶段的动态影响, 并允许在发射推进器之前对系统进行快速重新校准。该系统还具有对称的模块化空推力验证单元, 可独立验证推力。它是在推进器运行时运行的, 以便对来自特定放电条件的衍生推力进行现场分析。整个过程是通过 matlab 应用程序完成的, 允许用户专注于硬件优化和推进系统的设计, 并加快此类系统的测试。这种方法的细节将在以下小节中详细说明。

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Protocol

本文介绍了推力标定程序和性能评价的协议, 通过空测量进行独立推力验证, 通过空间现场数据传感进行羽流轮廓测量。

1. 推力校准程序和推力性能评估

  1. 确保所有组件都安装在机箱中, 如图 5所示。
  2. 在密封腔体之前, 请在外部测试诊断工具的连接性。
  3. 使用集成的设施控制来密封箱体。
  4. 打开真空泵的级联顺序, 从干泵 (直到腔室达到1帕), 涡轮分子泵 (直到它达到 ~5 x 10-4 帕), 然后低温泵。
    注: psac 可将泵送至高真空 (< ~10-5帕), 以模拟空间环境。协议可以在这里暂停。
  5. 使用开发的应用程序将设备与室内的无线应答器同步。当应答器上的发光二极管 (led) 停止闪烁时, 同步过程就完成了。
  6. 一旦获得所需的真空, 将初始读数 (模拟电压) 从激光位移传感器作为基线。
  7. 使用开发的应用程序触发重量的降低 (精确已知和校准的铜循环质量), 以便在四头蛇阶段进行力转换。
    注: 每个铜循环的质量取决于所使用的四边数阶段的预期灵敏度。在这种情况下, 每个铜循环的质量在扩展校准系统中的质量为100毫克, 对于精细校准系统的质量为10毫克。有关详细信息, 请参阅具有代表性的结果。
  8. 记录激光位移传感器在质量完全降低并将其重量转化为水平力后触发时的位移 (模拟电压)。
  9. 重复降低四头段的权重并记录四头数阶段位移的过程 (步骤1.7 和 1.8), 直到展开所有校准权重。在序列完成后, 校准单元将自动将所有权重返回到平衡位置, 以允许四边形阶段在发射推进器之前达到平衡位置。保存校准因子 (文件另存为"工厂. txt")。
  10. 绘制校准曲线, 以获得安装在四极阶段的系统的校准系数, 其中校准因子 (mn/2) 是强制电压图的梯度。
  11. 在发射推进器之前, 再次记录激光位移传感器的基线模拟电压。
  12. 激活使用公式3即时计算推力的原位 matlab 程序 (参见代表性结果), 并输入步骤 1.9 (文件) 中导出的校准因子开盘"工厂. txt")。
  13. 然后, 推进器可以再次发射。使用内部数据采集程序实时捕获所需参数。
    注: 或者, 集成的应用程序可用于完全自动化校准过程, 同时同步电机的驱动序列, 并相应地从传感器采集数据。

2. 用于独立推力验证的空测量协议

  1. 首先, 取推进器的基线 (模拟电压) 读数 (从激光位移传感器) 在平衡位置。
  2. 将操作参数切换到推进器控制面板中的所需值, 然后触发推进器。
  3. 一旦推进器发射, 等待四头轴上的振荡稳定。
  4. 四字符稳定稳定到稳定状态后, 使用空测量系统的控制应用程序来触发权重的降低。同时监测激光位移传感器的读数。重量不断降低, 直到四足阶段被驱动回平衡。
  5. 一旦达到平衡位置, 终止驱动序列, 并确定使四环系统恢复平衡所需的力。
  6. 触发塞子块, 阻止四头肌舞台移动。
  7. 计算与将系统拉回平衡所需的水平力相对应的质量。

3. 用于空间现场数据传感和羽流轮廓测量的机器人炮塔的启动

注: 在推进器的运行过程中, 操作员可以选择手动驱动系统到所需的角度, 以获得特定位置的羽流特性或触发自动序列。

  1. 在开始实验之前, 将推进器安装在移动阶段 (如 psac)。
  2. 启动止损机构, 防止舞台在实验过程中启动。
  3. 触发测量协议和伺服电机, 将探头驱动到0°位置。
  4. 从探头获取测量值。
    注: 根据所安装的探头类型, 测量过程可以根据可编程顺序进行更改, 以获得放电的完整空间羽流轮廓。(a) 如果安装了法拉第探头, 则从源仪表上读取 (在这种情况下, 对防护圈连续施加-30 v 的偏差)。(b) 如果安装了 langmuir 探头, 则向探头提供锯齿电压波形, 并获得和解释 i-v 特性。(c) 如果安装了 rpa, 则将锯齿电压波形应用于判别电网, 并获得和解释 i-v 特性。
  5. 使用微控制器触发伺服电机, 移动到下一个角度位置, 在那里触发探头序列, 再次进行测量。
  6. 将测量值保存在数据矩阵中单独标记的数组中。
  7. 重复步骤3.5 和 3.6, 直到执行高达180°的完全扫描, 并将探头恢复到0°。
  8. 分析保存的数据。

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Representative Results

推力校准程序和推力性能评价

四头推力测量阶段推力值的评估分为两个阶段。第一阶段是通过从图 5右侧显示的自动无线校准单元中获取校准因子。在此校准过程中, 在光滑的聚四氟乙烯棒上降低了精细重量, 将重量的垂直效应转换为连接到四片级推进器上的水平力。然后, 高分辨率激光位移传感器相应地测量每个间隔的位移。这由操作员通过数据采集应用程序进行监控, 如图 6所示, 在序列结束时获得校准因子, 在该系列中, 多个校准权重降低到系统上。校准因子s是从水平力位移图的最佳拟合线获得的, 并使用公式3计算随后的推力:

Equation 3

其中v基线是在发射推进器之前读取的激光位移传感器的模拟基线电压, v测量的是推力器现场运行期间从传感器测量的电压。

图 7显示了校准系统的更清晰表示。需要注意的是, 绿线和红圈只是为了说明目的, 只是作为眼睛的指南。在现实中, 绿线是一种精细的马德拉聚酰胺纤维, 连接到安装的推进器。校准的重量是由高精度质量平衡仔细称重的小型铜圈, 可以进行相应的调整, 以便最初能够有一个精细的校准系统 (质量之间的间隔较小), 并使扩展的系统 (在校准序列的末尾添加较大的质量)。

当校准单元、激光位移传感器和四头平台正确安装时, 典型的力电压图将产生一条直线, 如图 8所示。在这种情况下, 该图在为广泛的力进行推力测量而设置的标准化设置中, 产生的校准系数 (梯度) 为 27.65 mn * v-1。

校准因子可以通过修改四头形平台的灵敏度来改变, 这取决于几个因素, 如四线的长度。在图 8中, 对设置的灵敏度进行了修改, 以适应扩展系统的校准权重。包括细、粗校准权重, 以生成两种情况下都是线性的校准图。

图 9显示了推力测量的现场测量样本。在这种情况下, 它显示了操作人员如何能够在实验过程中监测推力对放电电压的依赖, 直到放电被扑灭。其他输入参数对推力的影响也可以以同样的方式进行监测。

利用四极推力测量阶段, 我们能够测量我们的霍尔推进器在各种输入功率下产生的推力, 由放电电流和施加电压给出。通过这些信息, 可以获得输入Equation 4功率Equation 5的变化和与输入功率的关系。图 10a,b显示了推力是如何变化的, 并在4种不同的质量流量下随输入功率的变化。最后,根据图10c 中不同质量流量的输入功率绘制效率。结果表明, 我们的推进器经过优化, 在 100 w 以下的输入功率下工作, 低流量已导致近 30%19 的效率。在优化之前, 推进器在 83 w 和 5.5 sccm 时几乎没有达到20% 的效率。结果表明, 我们的推进器经过优化, 在 100 w 以下的输入功率下工作, 低流量已导致近 30%19 的效率。与 spt100 霍尔推进器 (其效率从30% 到40% 不等) 和其他大小和输入功率相似的霍尔推进器相比, 这可以说是一个不错的成就。图 10d显示了离子电流密度的自动绘制轮廓。

用于独立推力验证的空测量协议

在发射推进器时, 右侧与校准单元末端相对应的聚酰胺线处于松弛状态。在推进器的原位运行过程中, 可以触发对称的空测量验证单元。对称空测量单元的工作方式与图 5所示的机器人校准系统相似;系统中, 将连接在细聚酰胺导线上的微型校准重量降低, 并产生施加在推进系统上的水平力。在这种情况下, 水平力被用来拉动在推进器运行时被移位的四头系统恢复平衡。此过程在图 11中过程演化的时间相关示意图中显示。推进器首先在 t = 0 s 发射, 对应于系列中的面板 (a)。然后, 由于推进装置的水平力, 四极阶段向右偏移。由于空间模拟器中的环境是黑暗的, 舞台的运动被看作是推进器在 (b) 中的明显运动。然后, 四头蛇级停止振荡, 达到平衡稳态位移, 如 (c) 所示。在这种情况下, 触发空系统, 并激活步进电机, 将四头肌级拉回平衡, 如 (d) 所示。步进电机被触发到激光位移传感器检测到舞台回到平衡位置并停止驱动的位置。然后进行测量, 并给出该系统的推力值。

用于空间现场数据传感和羽流轮廓测量的机器人炮塔的启动

psac 和 psec 中还安装了模块化机器人炮塔系统, 可对羽流型材进行可定制的诊断。这些机器人炮塔也安装在电机驱动级, 以便根据推进器外部的轴向中心线进行适当的探头定位。机器人炮塔由屏蔽不锈钢外壳组成, 外壳包含连接在无线应答器上的可编程微控制器, 用于接收和传输数据。这也允许用户控制探头的外部移动, 同时从传感器接收数据, 而无需与系统进行额外的电气连接。同样值得注意的是, 微型伺服电机驱动炮塔的模块化设计允许快速细化测量设置, 允许多个探头阵列, 包括 langmuir、faraday 探头和 rpa, 安装在同一设置上。在时间点的操作需求。图 12显示了羽流轮廓测量的实验设置示意图。

在推进器的运行过程中, 操作员可以选择手动驱动系统到所需的角度, 如图12所示, 以获得特定位置的羽流特性, 或者可以触发自动序列。根据所安装的探头, 测量过程可以根据可编程顺序进行更改, 以获得放电的完整空间羽流剖面。

这样的序列允许快速的空间可视化羽流剖面, 这有助于优化工程和工艺优化, 允许光束准直, 以实现高效的推进器操作。驱动的炮塔和可编程传感系统允许在每个点自主采集羽流特性, 在这些点上, 等离子体参数可以通过可编程系统推导和计算。这可以通过简单的机器人和驱动的自主系统, 通过对大量数据的轻松分析和操作, 加快此类系统的测试。例如, 在图10d 中, 这里分析的等离子体参数是不同角度位置的离子电流密度。它显示了放电功率如何影响峰值离子电流密度的大小和全宽在半最大值的相应。这些结果表明, 较高的放电电压不一定能转化为更好的推进器性能。在这里, 更高的功率会导致羽流轮廓的扩大, 这是推进器的一个不可取的特性。这意味着, 一些排气粒子的速度并不垂直于推进器出口平面, 导致在一个意想不到的方向推力, 并使精确的机动具有挑战性。此外, 羽流产生的电荷可能会损坏航天器上的有效载荷或其他子系统。为了优化推进器以产生更多的准直羽流, 可以调整提供给磁线圈的电流和阳极上的电位下降, 直到达到令人满意的半最大值 (fwhm) 值的全宽。在羽流剖面优化之前, 其 fwhm 在 140 w 时为 33.1°, 但在优化后, 在 110 w 时降低到23.7°。这意味着羽流现在更加准直。

Figure 1
图 1: 用于测试电力推进推进器的大型空间环境设施.该旗舰设施位于新加坡国家教育学院南洋理工大学空间推进中心。(a) 房间的侧视图显示了用于测试系统视觉诊断的透明门廊, 以及允许对被测试系统进行通信、控制和诊断的多个真空级电气穿通。(b) 真空泵。(c) 开着侧装舱口的箱体侧视图。(d) 查看安装诊断系统的操作人员的空间模拟室。经 j. lim 等人许可转载, ieee trans. 理学 46, 338 (2018) 和 j. lim 等人, ieee trans. 理学 46, 345 (2018)。版权所有 2018 ieee。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 缩放等离子体空间环境模拟器 (psec) 的后视.psec 共包括6台泵, 包括大容量低温泵、涡轮分子泵和干泵。该设置还包含集成的推进器诊断。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: psec 中的等离子诊断套件概述.图的右侧从房间前部的门廊可以看出, 这些系统的看法被放大了。视觉诊断端口也是光学发射光谱 (oes) 的一个途径。如腔体外部视图所示, 配备了一个四极质谱仪进行残余气体分析, 以评估在长时间推力器运行期间, 由于在室内溅射而产生的材料侵蚀率。此外, 无线控制的机器人 faraday 探头也安装在内部, 以评估正在进行性能评估的推进器的羽流剖面。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: psac 中集成的等离子体诊断套件概述.(a) 可定制的设计显示了一个机器人 faraday 探头炮塔, 该炮塔与四头推力性能评价阶段一起放置, 并设有一个现场重量校准单元。(b) 可定制的功能允许同时安装和测试多达三个不同的推进器, 从而减少运行停机时间并最大限度地提高研究产出。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5: 对称模块化空推力验证单元的原理图布局.与校准系统不同的是, 空推力核查单元是在发射推进器时运行的, 以便能够独立地验证所获得的推力值。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 6
图 6: 数据采集应用程序用户界面.基于 matlab 的应用程序的用户界面允许操作员实时监控激光位移传感器的推力和电压读数。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 7
图 7: 校准单元.机器人校准单元可以通过无线操作员输入来操作, 也可以通过完全自主的校准序列来快速校准四足系统。设计考虑因素: 最大限度地减少外部影响;使用薄, 重量轻的字符串和千吨重量;采用低静态系数条;线必须足够灵活, 以产生 "u-循环"。对于校准支架, 请使用无线控制单元、细马德拉单丝聚酰胺 (尼龙) 纤维 (约 4.0μm)、小铜环作为重量和光滑的聚四氟乙烯棒。线应该连接到安装推进器的后方在四角摆或与反射器板的中心一致。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 8
图 8: 用于改进设置的典型力电压和力电压图.(a) 强制电压图。根据激光位移传感器上相应的电压读数, 绘制了降低并转化为水平力的重量量。校准系数 (mN/V) 是将用于数据采集应用程序的强制电压图的梯度.提高了设置对施加力的灵敏度, 以适应精细和粗校准。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 9
图 9* 现场业绩评价.另一个软件程序允许在输入参数 (在这种情况下的放电电压) 逐渐改变时实时监测推力性能。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 10
图 10: 推力器特性的评估.(a、 b)推力和比脉冲作为输入功率在四种不同的质量流量下的函数。(c) 根据不同质量流量的输入功率绘制效率图。(d) 离子电流密度的自动绘制的轮廓。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 11
图 11* 空推力核查单元在 spc-s 发射霍尔推进器时运行的时间演变.(a) t = 0秒, 其中霍尔推进器首次发射并离开平衡位置。(b) 四边形级级向右偏移, 霍尔推进器的相对运动就表明了这一点。(c) 四边形级停止振荡并达到平衡稳态位置。触发空系统, 步进电机驱动开始。(d) 触发空系统, 慢慢将安装在四头蛇级上的推进器拉回平衡状态。(e) 推进器达到平衡位置。空测量单位停止步进电机的驱动。进行测量。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 12
图 12: 模块化多探头炮塔驱动的原理图表示.整个系统是无线控制的, 法拉第探头可以通过捕捉不同的探头模块快速更换。通过 bnc 类型的适配器进行连接, 便于进行旋转转换和安装。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 13
图 13: 霍尔式推进器的原理图.其他组也采用了基于此图中提出的广义布局的具有各种配置的类似设置。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 14
图 14* 新加坡等离子体源应用中心/空间推进中心合成新材料的电感耦合等离子体设施.强大的等离子系统可用于创新、高效的太阳能电池以及氮化硼和其他纳米结构材料的合成, 用于现代小型化推进器。 请点击这里查看此图的较大版本.

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Discussion

典型的霍尔型推进器44是相对简单、廉价和高效的设备, 可以加速离子通量达到几十公里的速度, 提供加速卫星和航天器所需的推力, 以及在运行寿命结束时进行机动、定位、定位和姿态控制, 并脱轨。霍尔推进器在卫星和其他轨道有效载荷上的应用提高了飞行任务的寿命, 使轨道转移和多颗卫星的飞行星座能够飞行, 并使多飞行任务能够发挥能力。在结构上 (参见图 13中的示意图), 霍尔推进器是同轴腔, 一侧安装了阳极, 并在出口附近放置了阴极。xe 气体容易电离但相对较重, 通常被用作推进剂, 但在某些情况下, 碘等其他元素可以使用 45.离子通量由设置在阳极和阳极之间的静电场加速, 而由一组线圈或永磁系统产生的磁场可确保在腔 46中央部分周围有电子漂移电流。这种电子漂移电流确保了中性气体的有效电离, 同时它提供了正离子变化的补偿。

电力推进推进器的效率在很大程度上取决于其设计, 特别是电极的形状和结构以及磁场的参数, 以及用于加速通道、阳极和发射刀片的材料。阴极。例如, 推进器的磁场拓扑结构可以这样配置, 即最大磁场强度的位置, 从而将电离区进一步推向下游, 靠近通道出口, 从而减少相互作用在高能离子和通道壁47 之间。这反过来又降低了渠道墙体的侵蚀率及其对墙体材料性能的依赖性, 使墙体材料的更换更加可行。霍尔式推进器的寿命在很大程度上取决于用于其组件的材料, 特别是与等离子体接触的材料。展望未来, 需要新材料以及合成和测试 48, 49 的设备和技术, 以进一步提高霍尔型推进器的寿命。

psacsspcs 实验室主要使用功能强大、适应性强、高效的电感耦合等离子体设施 (图 14)50、51合成新材料。一系列新材料包括但不限于用于创新、高效太阳能电池的硅基晶片, 以及氮化硼、含石墨烯纳米结构52、53、超材料54 ,55和其他纳米结构材料, 适用于现代小型化推进器, 用于对56、57 型推进器的关键参数进行显著强化和优化。其他可用的设备包括用于先进等离子处理材料58的电弧和电容耦合等离子体系统.事实上, 通过实施复杂的测试、设计、材料和模拟优化技术59、60, 可以显著提高推进器参数。此外, 新型材料和材料系统的应用可以确保对诸如传热61、耐磨性62等问题以及与小型化的效率和使用寿命有关的其他问题采取高效的方法。空间推进器。基于等离子的材料设施能够在目前正在设计的推进器中合成、测试和应用最先进的材料,63。事实上, 已经证明, 等离子体支持技术涉及高能量的物质和能量通量, 允许有效激活表面64, 65,从而控制自组织, 成核 66, 67,68和其他复杂的表面为基础的工艺, 导致创建最先进的材料 69,70, 71岁请注意, 含碳材料, 如碳纳米墙、纳米管和垂直定向石墨烯阵列, 作为电子发射材料在电力推进推进器中的应用可能相当有希望, 7273,74和有希望的材料为墙壁的加速渠道和放电室75。

等离子体制造的多层、核壳和多孔材料76也可在电力推进系统的各个部分找到应用。在等离子体驱动过程80中, 还可以控制金属单壁碳纳米管的合成, 以及在机械写的硅特性上实现碳纳米管的催化自由生长 。

总之, 我们提出了一种测试和优化小型化空间推进系统的协议。采用设计复杂的多样化设备、大型真空室、强大的泵台和各种诊断综合体, 在接近微推进推进器的条件下对其进行精确、信息丰富的描述在开放的空间中找到。熟练的人员、充分的模拟和理论支持对于保持微推进设计和技术的稳步推进也至关重要。开发新材料是能够确保在改善现代电力推进系统的性能特征方面取得重大突破的第二个关键因素, 包括小型卫星和拥有整套供应系统的立方卫星,外围仪器、工具和有效载荷。

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Disclosures

提交人声明没有相互竞争的经济或其他利益。

Acknowledgments

这项工作得到了 ostin-slep/edb、国家研究基金会 (新加坡)、学术研究基金 acf 一级 rp 6/16 (新加坡) 和乔治·华盛顿纳米技术研究所 (美国) 的部分支持。i. l. 感谢昆士兰科技大学化学、物理和机械工程学院、科学和工程学院的支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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