Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Optimalisatie-, Test- en diagnostiek van verkleinde Hall Thrusters

Published: February 16, 2019 doi: 10.3791/58466

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

  1. Zorg ervoor dat alle onderdelen in de zaal zijn geïnstalleerd, zoals afgebeeld in Figuur 5.
  2. Test de connectiviteit van de diagnostische hulpprogramma's extern voordat het afdichten van de kamer.
  3. Gebruik het besturingselement geïntegreerde faciliteit voor het afdichten van de kamer.
  4. Inschakelen van de vacuümpompen in trapsgewijze volgorde vanaf de droge pompen (totdat de kamer 1 bereikt Pa), turbo-moleculaire pompen (totdat zij tot ~ 5 x 10-4 Pa), waarna de cryogene pompen.
    Opmerking: PSAC wordt overgelaten aan pomp tot hoog vacuüm (< ~ 10-5 Pa) te simuleren ruimteomgeving. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.
  5. Ontwikkelde apps gebruiken om te synchroniseren van de apparaten met de draadloze transponder in de zaal. Het synchronisatieproces is voltooid wanneer het licht afgevende diodes (LED) op de transponder stopt met knipperen.
  6. Zodra de gewenste vacuüm heeft verkregen, neem een eerste lezing (analoge spanning) uit de sensor van de verplaatsing van de laser als een basislijn.
  7. Ontwikkelde app gebruiken om te activeren de verlaging met een gewicht (van een juist bekend en gekalibreerde massa van koper lus) op het quadfilar podium vertaaldienst kracht.
    Opmerking: De massa van elke koper lus is afhankelijk van de beoogde gevoeligheid van de fase van de quadfilar wordt gebruikt. In dit geval, was de massa van elke koper lus in de orde van 100 mg voor het regime uitgebreid kalibreren en 10 mg voor het fijne kalibratie-regime. Zie de representatieve resultaten voor meer informatie.
  8. Record de verplaatsing (analoge spanning) uit de lasersensor verplaatsing, wanneer het wordt geactiveerd nadat de massa volledig is verlaagd en zijn gewicht is vertaald in een horizontale werking.
  9. Herhaal dit proces (stap 1.7 en 1.8) van verlaging van de gewichten en opname van de verplaatsing van de quadfilar fase totdat alle gewichten van de kalibraties worden uitgevouwen. Het gewicht van alle objecten wordt automatisch teruggeleid naar de positie van het evenwicht door de kalibratie-eenheid nadat de sequentie is voltooid zodat de quadfilar fase te bereiken van een evenwicht positie voordat boegschroef kan worden ontslagen. De kalibratiefactor opslaan ( bestand | Opslaan als | "Factor.txt").
  10. Tekenen van een ijkcurve om te verkrijgen van de kalibratiefactor voor het systeem geïnstalleerd op het quadfilar podium, waar de kalibratiefactor (in mN/V) is het verloop van de grafiek van kracht/spanning.
  11. Opnemen van een analoge spanning van de basislijn van de verplaatsing van de lasersensor opnieuw voor de ontploffing van de Boegschroef.
  12. Activeer de in situ MATLAB programma voor de berekening van stuwkracht ogenblikkelijk met behulp van vergelijking 3 (Zie de representatieve resultaten) en input van de kalibratiefactor afgeleid in stap 1.9 ( bestand | Open | "Factor.txt").
  13. De stuwraketten kunnen vervolgens weer worden afgevuurd. Het vastleggen van de gewenste parameters in real time via de interne data acquisitie programma.
    Opmerking: U kunt ook een geïntegreerde app kan worden gebruikt voor het volledig automatiseren van het kalibratieproces wijl synchroniseren de volgorde van de aandrijving van de motoren, en data-acquisitie van de sensoren dienovereenkomstig.

2. null meting protocol voor de stuwkracht van de onafhankelijke verificatie

  1. Neem eerst een lezing van de basislijn (analoge spanning) (van de sensor van de verplaatsing van de laser) van de Boegschroef in evenwicht positie.
  2. Operationele parameters aan de gewenste waarden schakelen vanuit naar de bedieningspaneel boegschroef en vuur de Boegschroef.
  3. Zodra de Boegschroef wordt afgevuurd, wachten op de trillingen van de slinger van de quadfilar te stabiliseren.
  4. Nadat het quadfilar een stationaire toestand stabiliseert, gebruik de control app voor het null meetsysteem om te activeren de verlaging van de gewichten. Lezingen van de verplaatsing van de lasersensor worden gelijktijdig gecontroleerd. De gewichten zijn voortdurend verlaagd tot de fase van de quadfilar in werking wordt gesteld terug in evenwicht.
  5. Zodra de positie van het evenwicht wordt bereikt, het beëindigen van de volgorde van bediening en bepalen de kracht die nodig is om het systeem van de quadfilar terug naar evenwicht.
  6. Leiden tot een blok stop om te stoppen met de quadfilar fase verplaatsen.
  7. Berekenen massa overeenkomen met de horizontale kracht die nodig is om te trekken van het systeem terug in evenwicht.

3. bediening van robotic torentjes voor ruimtelijke in-situgegevens sensing en pluim profilometry

Opmerking: Tijdens de werking van de Boegschroef, kan de exploitant te bedienen van het systeem handmatig aan gewenste hoeken te verkrijgen pluim kenmerken op bepaalde locaties of leiden tot een automatische opeenvolging kiezen.

  1. Monteer de Boegschroef op een bewegend podium (zoals in het geval van PSAC) voordat het experiment.
  2. Activeren van het stop-bar mechanisme om te voorkomen dat de fase bedieningsrichting tijdens het experiment.
  3. Leiden tot het protocol van de meting en de servo motor te bedienen van de sonde naar de 0° positie.
  4. Verwerven van een meting van de sonde.
    Opmerking: Afhankelijk van het soort sondes geïnstalleerd, de meting processen kunnen variëren volgens de programmeerbare volgorde voor het verkrijgen van volledige ruimtelijke pluim profielen van de kwijting. (a) indien een Faraday sonde wordt gemonteerd, wordt een lezing uit een bron meter genomen (waar een vooroordeel van -30 V is continu toegepast op de bewaker ringen). (b) indien een Langmuir sonde is gemonteerd, een zaagtand spanning-stroom wordt geleverd aan de sonde en de I-V kenmerken zijn verkregen en geïnterpreteerd. (c) indien een RPA is gemonteerd, een zaagtand spanning golfvorm wordt toegepast op het discriminerende raster, en de I-V kenmerken zijn verkregen en geïnterpreteerd.
  5. De servomotor met behulp van de microcontroller, verplaatsen naar de volgende hoekige positie waar de sonde volgorde getriggerd wordt om te maken een meting weer te activeren.
  6. Sla de metingen in afzonderlijk gemarkeerd matrices in een matrix met gegevens.
  7. Herhaal de stappen 3.5 en 3.6 totdat een volledige vegen tot 180° is verricht en de sonde is teruggebracht tot 0°.
  8. De opgeslagen gegevens analyseren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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, worden fijne gewichten neergelaten op een soepele polytetrafluorethyleen balk die de verticale effecten van een gewicht in een horizontale werking vertaalt als aan de Boegschroef op het quadfilar podium. Een lasersensor met hoge resolutie verplaatsing meet vervolgens de verplaatsing bij elk interval dienovereenkomstig. Dit wordt gecontroleerd door de exploitant via een data acquisitie app zoals aangegeven in Figuur 6, en een kalibratiefactor is bekomen op het einde van de serie waar talloze geijkte gewichten worden neergelaten op het systeem. De kalibratiefactor S wordt verkregen uit de beste fit lijn van de grafiek van de horizontale kracht-verplaatsing, en de daaropvolgende strekking wordt berekend volgens vergelijking 3:

Equation 3

waarbij Vbasislijn is de spanning van de analoge basislijn van de sensor van de laser-verplaatsing lezen voordat het afvuren van de boegschroef en de gemeten spanning van de sensor tijdens de werking van de ter plaatse van de Boegschroef Vgemeten is.

Een duidelijker weergave van de kalibratie systeem is afgebeeld in Figuur 7. Het dient te worden opgemerkt dat de groene lijn en rode cirkels slechts ter illustratie zijn en slechts als een gids voor het oog dienen. In werkelijkheid is de groene lijn een fijne Madeira polyamide vezels die verbinding met de gekoppelde boegschroef maakt. De geijkte gewichten zijn kleine koperen lussen die zorgvuldig door een massabalans van hoge precisie afgewogen werden, en ze kunnen dienovereenkomstig worden aangepast zodat voor een fijne kalibratie regime aanvankelijk (met kleinere intervallen in verschil tussen massa's), en een uitgebreide regeling (waar grotere massa's zijn toegevoegd aan het einde van de kalibratie-reeks).

Een typische kracht-spanning grafiek een rechte lijn zal produceren, zoals weergegeven in Figuur 8 wanneer de kalibratie-eenheid, de verplaatsing van laser sensor en quadfilar platform zijn correct geïnstalleerd. In dit geval levert het perceel een kalibratiefactor (verloop) van 27.65 mN∙V-1 in een gestandaardiseerde ingesteld voor stuwkracht metingen over een breed scala van krachten.

De kalibratiefactor kan worden gewijzigd door het wijzigen van de gevoeligheid van het quadfilar platform, dat hangt af van verschillende factoren zoals de lengte van de draden quadfilar. In Figuur 8, de gevoeligheid van de installatie veranderd om te passen in de kalibratie gewichten voor uitgebreide regimes. Beide fijn en grof kalibratie gewichten zijn opgenomen om de opbrengst van een kalibratie-perceel dat is lineair in beide regimes.

Een voorbeeld van de in situ metingen voor stuwkracht gemeten wordt weergegeven in Figuur 9. In dit geval blijkt hoe exploitant kunnen controleren van de afhankelijkheid van de stuwdruk van geen kwijting spanning in de loop van het experiment tot het verlenen van kwijting is gedoofd. Gevolgen van andere invoerparameters voor de strekking kunnen ook op dezelfde manier worden gevolgd.

Met behulp van de quadfilar stuwkracht meting stadium, konden we de strekking gegenereerd door onze hall-boegschroef op verschillende input powers, gegeven door de geen kwijting huidige en toegepaste spanning meten. Door middel van deze informatie, de variatie van Equation 4 en Equation 5 met betrekking tot ingangsvermogen kan worden verkregen. Figuur 10a,b toont hoe de stuwkracht en variëren met ingangsvermogen op 4 verschillende massastroom tarieven. Tot slot, de efficiëntie wordt uitgezet tegen de ingangsvermogen op verschillende massastroom tarieven in Figuur 10 c. De resultaten tonen aan dat onze boegschroef is geoptimaliseerd om te werken op de input bevoegdheden onder 100 W, waar lage stroomsnelheid in efficiëntie van bijna 30%19hebben geleid tot. Voorafgaand aan de optimalisatie bereikt de Boegschroef nauwelijks 20% efficiëntie op 83 W en 5.5 sccm. De resultaten tonen aan dat onze boegschroef is geoptimaliseerd om te werken op de input bevoegdheden onder 100 W, waar lage stroomsnelheid in efficiëntie van bijna 30%19hebben geleid tot. Dit is misschien wel een behoorlijke prestatie ten opzichte van de Boegschroef SPT100 Hall, waarvan efficiëntie tussen 30% tot 40%, en andere Hall stuwraketten van vergelijkbare grootte en input bevoegdheden varieert. Figuur 10 d illustreert het automatisch uitgezet Profiel van ion stroomdichtheid.

Null meting protocol voor de stuwkracht van de onafhankelijke verificatie

Terwijl de Boegschroef is ontslagen, blijft de polyamide draad aan de rechterkant overeenkomt met het einde van de eenheid kalibratie toegestane. Tijdens het in situ van de Boegschroef, kan vervolgens de symmetrische null verificatie maateenheid worden geactiveerd. De symmetrische null maateenheid werkt op een gelijkaardige manier aan de robotic kalibratie-systeem dat is afgebeeld in Figuur 5; de miniatuur kalibratie gewichten gekoppeld aan een fijn polyamide draad worden verlaagd in het systeem en een horizontale kracht uitgeoefend op het voortbewegingssysteem maken. In dit geval is de horizontale kracht uitgeoefend te trekken van het quadfilar-systeem dat op de werking van de Boegschroef terug naar evenwicht heeft verdreven. Dit proces wordt weergegeven in de tijd-afhankelijke schematische van de evolutie proces in Figuur 11. De Boegschroef is eerst afgevuurd op t = 0 s, overeenkomt met deelvenster (a) in de serie. De quadfilar fase verdringt vervolgens naar rechts als gevolg van de horizontale kracht van de eenheid van de voortstuwing. Omdat het milieu in de simulator van de ruimte is verduisterd, wordt de beweging van de etappe gezien als de schijnbare beweging van de Boegschroef in (b). De quadfilar fase dan stopt oscillerende en een verplaatsing van de steady-state evenwicht bereikt zoals in (c). In dit geval de null systeem wordt geactiveerd en de stappenmotor wordt geactiveerd zodat Trek de quadfilar fase terug naar evenwicht zoals in (d). De stappenmotor wordt geactiveerd op een punt waar de laser verplaatsing sensor detecteert dat het podium weer in de positie van het evenwicht is en de bediening is gestopt. Een meting is dan genomen, en de waarde van de strekking van dit systeem dienovereenkomstig wordt gegeven.

Bediening van robotic torentjes voor ruimtelijke in-situgegevens sensing en pluim profilometry

Modulaire robotic torentje systemen zijn ook voor aanpasbare diagnostiek van pluim profielen zowel PSAC als PSEC geïnstalleerd. Deze robot torentjes zijn ook gemonteerd op motor bediende stadia voor het juiste sonde plaatsen volgens de axiale middellijn van de stuwraketten extern. Het robotachtige torentjes bestaan uit afgeschermde roestvast stalen behuizingen met programmeerbare microcontrollers aangesloten op draadloze transponders voor het ontvangen en verzenden van gegevens. Hierdoor kunnen ook gebruikers aan de controle van de beweging van de sonde extern, terwijl het ontvangen van gegevens van sensoren zonder extra elektrische verbindingen aan het systeem. Het is ook vermeldenswaard dat het modulaire ontwerp van de bediende torentje snelle verfijning van meting setup waarmee kunt voor meerdere sonde arrays met inbegrip van Langmuir, Faraday sonde en RPAs worden gemonteerd op de zelfde micro-servomotor ingesteld volgens operationele eisen op het punt van tijd. Figuur 12 geeft een schematische illustratie van de experimentele opstelling voor pluim profilometry.

Tijdens de werking van de Boegschroef, exploitant kunt kiezen handmatig bedienen van het systeem gewenste hoeken, zoals geïllustreerd in Figuur 12 pluim kenmerken op bepaalde locaties te verkrijgen, of een automatische opeenvolging kan worden geactiveerd. Afhankelijk van welke sondes zijn geïnstalleerd, kunnen de meting processen volgens de programmeerbare volgorde voor het verkrijgen van volledige ruimtelijke pluim profielen van het verlenen van kwijting worden gevarieerd.

Een dergelijke reeks zorgt voor snelle ruimtelijke visualisatie van het profiel van de rookpluim die helpt optimaliseren engineering en procesoptimalisatie in waardoor lichtbundel collimatie voor efficiënte boegschroef bediening. Bediende torentjes en programmeerbare sensing systemen zorgen voor autonome verwerving van pluim kenmerken op elk punt, waar de plasma parameters kunnen worden afgeleid en berekend via programmeerbare systemen. Dit kan versnellen testen van dergelijke systemen met gemakkelijke analyse en manipulatie van grote hoeveelheden gegevens via eenvoudige robotica en bediende autonome systemen. In Figuur 10 d, bijvoorbeeld, is de plasma-parameter wordt geanalyseerd hier de ion stroomdichtheid op verschillende hoekige posities. Het toont hoe de macht van de geen kwijting van invloed op de omvang van de stroomdichtheid van de piek-ion en de volle breedte op halve maxima dienovereenkomstig. Deze resultaten tonen aan dat hogere spanningen van de kwijting niet noodzakelijkerwijs naar betere prestaties van de Boegschroef vertalen. Hier, resulteert hogere macht in de verbreding van de pluim-profiel dat een ongewenste kenmerk van een boegschroef is. Dit betekent dat sommige van de uitlaat deeltjes hebben snelheden die niet loodrecht op het vlak van de afrit boegschroef, wat resulteert in een stuwkracht in een onbedoelde richting en maken precieze manoeuvres uitdagend. Bovendien kunnen de kosten van de rookpluim beschadigen de nettolading of andere subsystemen op het ruimteschip. Voor het optimaliseren van de Boegschroef voor de productie van een meer collimated pluim, kan de huidige aan de magnetische spoelen en de potentiële neerzetten op de anode geleverd worden aangepast totdat een bevredigende volle breedte op halve maxima (FWHM) waarde is bereikt. Voorafgaand aan de pluim profiel optimalisatie, haar FWHM was 33.1 ° bij 140 W maar na optimalisatie, het verminderd tot 23,7 ° op 110 W. Dit impliceert dat de rookpluim is nu meer collimated.

Figure 1
Figuur 1 : Grote ruimte milieu faciliteit voor het testen van elektrische voortstuwing stuwraketten. Dit vlaggenschip faciliteit is gelegen in de ruimte voortstuwing centrum Singapore, Rijksinstituut voor educatie, Nanyang Technological University. (een) zijaanzicht van de kamer illustreert transparante patrijspoorten voor visuele diagnostiek van testsystemen en de meerdere vacuüm rang elektrische diervoeders-throughs waarmee voor communicatie-, controle- en diagnostiek van systemen beproeven. (b) vacuümpompen. (c) zijaanzicht van de kamer met een zijde laden broedsel openen. (d) weergave van de kamer ruimte simulatie met een operator diagnosesystemen te installeren. Overgenomen met toestemming van J. Lim et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 46, 338 (2018) en J. Lim et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 46, 345 (2018). Copyright 2018 IEEE. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2 : Achterzijde uitzicht op een geschaalde plasma ruimte milieu simulator (PSEC). PSEC heeft een totaal van 6 pompen met inbegrip van hoge capaciteit cryogene pompen, turbo-moleculaire pompen en droog pompen. De setup bevat tevens geïntegreerde boegschroef diagnostiek. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3 : Overzicht van een plasma diagnostiek suite in de PSEC. Rechterkant van de figuur illustreert een vergrote weergave van de systemen gezien vanaf de patrijspoort vanaf de voorkant van de kamer. De visuele diagnostische poort fungeert ook als een avenue voor emissie van optische spectroscopie (OES) worden gedaan. Zoals blijkt uit het Buitenaanzicht van de kamer, is een massaspectrometer quadropole uitgerust voor residuele gasanalyse om te evalueren van materiële erosie tarieven als gevolg van sputteren in de zaal tijdens langdurige boegschroef. Bovendien zijn draadloos gecontroleerde robotic Faraday sondes ook intern gemonteerd om te evalueren van pluim profielen van de stuwraketten performance-evaluatie ondergaan. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4 : Overzicht van de geïntegreerde plasma diagnostiek suite in de PSAC. (een) aanpasbare ontwerp toont een robotachtige Faraday sonde torentje geplaatst naast een evaluatiefase van quadfilar stuwkracht prestaties, en een in-situ gewichtseenheid voor de kalibratie. (b) aanpasbare functies toestaan voor maximaal drie verschillende stuwraketten worden gemonteerd en getest gelijktijdig, vermindering operationele downtime en maximaliseren onderzoek uitvoeren. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5 : Schematische lay-out van de symmetrische modulaire null strekking controle apparaat In tegenstelling tot de kalibratie systeem, wordt de null strekking controle eenheid bediend terwijl de Boegschroef wordt gestart als u wilt toestaan voor onafhankelijke verificatie van de waarden van de stuwkracht verkregen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6 : Data acquisitie app gebruikersinterface. De gebruikersinterface van MATLAB gebaseerde app maakt de exploitant aan de strekking en de spanning lezen van de verplaatsing van het sensor van de laser in real-time controleren. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 7
Figuur 7 : Kalibratie-apparaat Een robotic kalibratie-eenheid kan worden bediend door een draadloze exploitant input, of via volledig autonoom kalibratie sequenties voor snelle kalibratie van het systeem van een quadfilar. Overwegingen bij het ontwerpen: minimaliseren van externe invloeden; gebruik van dunne, lichte gewicht tekenreeks en millinewton gewichten; Gebruik lage statische coëfficiënt bar; lijn moeten flexibel genoeg zijn om te produceren "u-loop". Voor de kalibratie-stand, gebruik draadloze besturingseenheid, fijne Madeira monofilamenten polyamide (nylon) vezel (ongeveer 4.0 µm), kleine koperen lussen als gewichten en een vlotte polytetrafluorethyleen bar. Lijn moet worden gekoppeld aan de achterkant van de gemonteerde boegschroef op quadfilar slinger of in overeenstemming met het midden van de reflector plaat. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 8
Figuur 8 : Typisch kracht-spanning en kracht-spanning grafieken voor gewijzigde setup. (een) Force-spanning grafiek. De hoeveelheid gewicht dat is verlaagd en vertaald in een horizontale werking wordt uitgezet tegen de bijbehorende spanning lezen op de sensor van de verplaatsing van de laser. De kalibratiefactor (in mN/V) is het verloop van de grafiek van kracht/spanning die worden in de grafiek gegevens overname app. (b) kracht/spanning gebruikt zullen. De gevoeligheid van de installatie naar de toegepaste kracht werd verhoogd om ruimte voor zowel grof als fijn kalibratie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 9
Figuur 9 : De evaluatie van de prestaties van de in-situ. Een ander softwareprogramma staat de stuwkracht prestaties in real time worden gevolgd wanneer een invoerparameter, de geen kwijting spanning in dit geval, geleidelijk wordt gewijzigd. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 10
Figuur 10 : Evaluatie van de Boegschroef kenmerken. (een, b) Strekking en specifieke puls als functies van ingangsvermogen op vier verschillende massastroom tarieven. (c) efficiëntie uitgezet tegen het ingangsvermogen op verschillende massastroom tarieven. (d) de automatisch uitgezet Profiel van ion stroomdichtheid. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 11
Figuur 11 : Tijd van de evolutie van de null strekking controle eenheid in werking tijdens het afvuren van een Hall-boegschroef bij SPC-S. (een) t = 0 s, waar de Boegschroef Hall eerste is ontslagen en verplaatst uit de buurt van de positie van het evenwicht. (b) Quadfilar stadium verdringt naar rechts zoals blijkt uit de relatieve beweging van de Hall-boegschroef. (c) Quadfilar stadium stopt oscillerende en een evenwicht stationaire stand bereikt. Null systeem wordt geactiveerd en de motor aandrijving van stepper begint. (d) Null systeem getriggerd wordt om te langzaam Trek de Boegschroef gemonteerd op het quadfilar podium terug naar evenwicht. (e) boegschroef bereikt de positie van een evenwicht. Null maateenheid stopt de stepper motor aandrijving. Meting wordt genomen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 12
Figuur 12 : Schematische weergave van de bediening van het modulaire multi sonde torentje. Het gehele systeem draadloos wordt gecontroleerd en Faraday sonde snel kan worden vervangen door breuk op een verschillende sonde-module. Verbindingen zijn gemaakt door BNC-type adapters voor eenvoudige twist-op conversie en installatie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 13
Figuur 13 : Schema van een HAL-type boegschroef. Soortgelijke opstellingen met gevarieerde configuraties op basis van een veralgemeende layout gepresenteerd in dit cijfer zijn ook tewerkgesteld door andere fracties. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 14
Figuur 14 : Inductief gekoppeld Plasma faciliteit voor de synthese van nieuwe materialen op de Plasma bronnen Application Centre / ruimte voortstuwing centrum, Singapore. Een krachtige plasma-systeem kunt synthese van silicium gebaseerde materialen voor innovatieve, uiterst efficiënte zonnecellen, evenals boornitride en andere nanogestructureerde materialen voor toepassingen in de moderne verkleinde thrusters.  Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 overdracht en vorming/sterrenbeeld vliegen van meerdere satellieten, en kan meerdere missie mogelijkheden. Structureel (zie schema in Figuur 13), een boegschroef Hall is een coaxiale kamer met een anode geïnstalleerd op één kant, en een kathode geplaatst in de buurt van de afrit. Gemakkelijk geïoniseerd maar relatief zwaar, Xe gas, wordt meestal gebruikt als een voortbeweging, nog andere elementen zoals jodium kunnen worden gebruikt in sommige gevallen45. Een ion-flux is versneld door een elektrostatisch veld dat is ingesteld tussen de anode en de kathode, terwijl een magnetisch veld gemaakt door een aantal spoelen of een systeem van permanente magneten zorgt voor een elektron ontsporing huidige rond het centrale deel van de kamer-46. Deze elektronen drift stroom zorgt voor efficiënte ionisatie van een neutraal gas en tegelijkertijd, het biedt compensatie van de verandering van een positief ion.

De efficiëntie van een elektrische aandrijving-boegschroef aanzienlijk afhankelijk van het ontwerp, met name de vorm en de configuratie van de elektroden en parameters van het magnetisch veld, en de materialen die voor de versnelde kanaal, de anode en de emissieve inserts in de kathode. Bijvoorbeeld, de topologie van het magnetisch veld van de Boegschroef kan worden geconfigureerd op een zodanige wijze dat de locatie van maximale magnetische veldsterkte en vandaar de ionisatie-zone worden geduwd verder stroomafwaarts, in de buurt van het kanaal stopcontact, dus vermindering van de interactie muur tussen hoge energie ionen en het kanaal47. Dit op zijn beurt vermindert erosie tarieven van de muur van het kanaal en de afhankelijkheid van de materiaaleigenschappen muur, muur materiële vervanging meer haalbaar te maken. De levensduur van het HAL-type thrusters, hangt zeer af van de materialen gebruikt voor de componenten, vooral degenen die in contact met het plasma. Gaan vooruit, nieuwe materialen, alsmede uitrusting en technieken voor de synthese en testen van48,49 zijn nodig om de levensduur van het HAL-type stuwraketten verder te verbeteren.

Nieuwe materialen worden gesynthetiseerd in de labs van de PSAC/SPC's met vooral een krachtige, zeer adaptieve, efficiënte inductief gekoppeld plasma faciliteit (Figuur 14)50,51. Een breed scala aan nieuwe materialen omvat, maar is niet beperkt tot silicium gebaseerde wafels voor innovatieve, uiterst efficiënte zonnecellen, evenals boornitride, grafeen-bevattende nanostructuren52,53, metamaterials54 ,55 en andere nanogestructureerde materialen voor toepassingen in moderne verkleinde thrusters, waar ze worden gebruikt voor significante intensivering en optimalisatie van de essentiële parameters van stuwraketten56,57. Andere beschikbare apparatuur omvatten boog en capacitieve-coupled plasma systemen voor de voor geavanceerde plasma behandeling van materialen58. Inderdaad, een aanzienlijke verbetering van de Boegschroef parameters kan worden bereikt via de implementatie van geavanceerde test, ontwerp, materialen en simulatie optimalisatie technieken59,60. Bovendien, toepassingen van nieuwe materialen en de materiële systemen kunnen zorgen voor efficiënte aanpak van, bijvoorbeeld, warmte overdracht61, slijtage weerstand62, en andere problemen in verband met de efficiëntie en levensduur van verkleind ruimte thrusters. Plasma-gebaseerde materiële voorzieningen inschakelen synthese, test en toepassing van de meest geavanceerde materialen in de stuwraketten momenteel ontworpen63. Inderdaad, het is al gebleken dat plasma ingeschakelde technieken waarbij zeer energieke fluxen op materie en energie, zorgen voor efficiënte activering van oppervlakken64,65 en vandaar, controle over Zelforganisatie, nucleatie66,67,68 en andere geavanceerde oppervlak gebaseerde processen die leiden tot de oprichting van de meest geavanceerde materialen69,70, 71. Merk op dat koolstof bevattende materialen zoals de koolstof nanowalls, nanotubes en verticaal georiënteerde grafeen arrays zou heel veelbelovend voor de toepassing in de stuwraketten van de elektrische aandrijving als elektron uitstoten materialen72, 73 , 74 en veelbelovende materiaal voor de muren van versnelling kanalen en geen kwijting kamers75.

Plasma-en-klare meerdere lagen, kern-shell en poreuze materialen76 kon ook vinden toepassingen in verschillende delen van de elektrische aandrijving systemen77. Gecontroleerde synthese van metalen enkelwandige koolstof nanotubes78 en plasma ingeschakelde, catalyst-gratis groei van koolstof nanobuisjes op mechanisch geschreven Si functies79 is ook mogelijk in de plasma-gedreven proces80.

Kortom, hebben wij ingediend een protocol om te testen en optimaliseren van verkleinde ruimte aandrijfsystemen. Gediversifieerde verfijnde ontworpen apparatuur, grote vacuümkamers, krachtige pompen platformen en verschillende diagnostische complexen werden gebruikt voor het uitvoeren van nauwkeurige, informatieve karakterisatie van micro-aandrijving stuwraketten onder voorwaarden dicht bij de gevonden in open ruimte. Gekwalificeerd personeel, voldoende simulatie en theoretische ondersteuning zijn ook van cruciaal belang voor het houden van het micropropulsion ontwerp en technologie vordert gestaag. Ontwikkeling van nieuwe materialen is de tweede belangrijke factor die zou kunnen voor belangrijke doorbraken zorgen in de verbetering van de prestatie-eigenschappen van moderne elektrische aandrijfsystemen, met inbegrip van kleine satellieten en CubeSats met de hele reeks van systemen voor energievoorziening, perifere instrumenten, tools en nuttige lading.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren geen concurrerende financiële of andere belangen.

Acknowledgments

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

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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. In-Orbit Operation of 20 mN Class Xenon Ion Engine for ETS-VIII. Ozaki, T., Kasai, Y., Nakagawa, T., Itoh, T., Kajiwara, K., Ikeda, M. 28th International Electric Propulsion Conference, September 17–20, Florence, Italy, , 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. Laboratory Testing of Hall Thrusters for All-electric Propulsion Satellite and Deep Space Explorers. Funaki, I., Iihara, S., Cho, S., Kubota, K., Watanabe, H., Fuchigami, K., Tashiro, Y. 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Prop. Conf., AIAA Propulsion and Energy Forum (AIAA 2016-4942), , (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. , Wiley. (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).

Tags

Engineering testen kwestie 144 elektrische voortstuwing Hall thrusters ruimtevaarttechnologie geen kwijting technologie
Optimalisatie-, Test- en diagnostiek van verkleinde Hall Thrusters
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lim, J. W. M., Levchenko, I.,More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter