Waiting
Login processing...

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

Engineering

אופטימיזציה, בדיקה ואבחון של הול ולמחקר מדחפים

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

כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי לבדוק ולמטב את מערכות הנעה חלל בהתבסס על המדחפים אולם מסוג ולמחקר.

Abstract

ולמחקר חלליות ולווינים דורשים חכם, יעיל מאוד ועמיד נמוך-דחף מדחפים, מסוגל הפעולה המורחבת, אמין ללא נוכחות וכוונון. מנועי thermochemical אשר מנצלים את מאפייני התרמודינמית של גזים כאמצעי האצת יש את המגבלות הפיזיות על מהירות גז הפליטה שלהם, והתוצאה היא יעילות נמוכה. יתר על כן, מנגנונים אלה להפגין יעילות נמוכה ביותר-דחיפות קטנות, עשויים להיות מתאימים עבור מערכות הפעלה אשר מספקים בקרת גמישים בזמן אמת של החללית התמצאות, מהירות, מיקום באופן רציף. לעומת זאת, מערכות הנעה חשמליות אשר השתמש שדות אלקטרומגנטיים כדי להאיץ גזים מיונן (קרי, פלזמות) אין כל מגבלה פיזית מבחינת מהירות פליטה, המאפשר כמעט בכל המוניות נצילות מתקף סגולי. מנועי דחף נמוך אולם יש חיים שלמים של כמה אלפי שעות. שלהם טווחים מתח פריקה בין 100 ל 300 V, פועל ב כוח נומינלי של < 1 קילוואט. הם משתנים בין 20 ל- 100 מ מ בגודל. מדחפים הול גדול יכול לספק שברים של millinewton של דחף. במהלך העשורים האחרונים, חלה עניין גדל והולך מסה קטנה, צריכת חשמל נמוכה של מערכות הנעה יעילות גבוהה כדי נסיעה לוויינים של 50-200 ק ג. בעבודה זו, אנו נדגים כיצד לבנות מבחן, למטב קטן (30 מ"מ) אולם מנוע המסוגל משגע לוויין קטנות במשקל של-50 ק ג. אנו מראים את מנוע הפועלים מדמה סביבת חלל גדול, ואף לתאר כיצד נמדד דחף, פרמטרים חשמליים, כולל מאפיינים פלזמה, נאספים וכוח עיבוד להערכת פרמטרים מפתח מנוע. גם אנו נדגים כיצד מנוע ממוטבת כדי להפוך אותו לאחד המדחפים קטן היעילה ביותר שנבנה אי פעם. נתייחס גם האתגרים וההזדמנויות שהוצגו על-ידי מנוע חומרים חדשים.

Introduction

עניין מחודש בתעשיית החלל יש בחלקו היה מזורז על ידי מערכות הנעה חשמליות יעילים ביותר כי יכולות המשימה לספק משופרת בעת ההשקה מופחת יותר ויותר עולה1,2,3. סוגים שונים של התקנים הנעה חשמלית שטח לאחרונה הוצעו ו שנבדקו4,5,6,7,8 נתמך על ידי הריבית של היום בחלל חקר9,10. ביניהם, הן של העניין העיקרי בשל היכולת שלהם להגיע ליעילות גבוהה מאוד כ 80%, העולה על זה של כל מנוע כימי, יון gridded11,12 ו אולם מסוג מדחפים13,14 כולל מערכות חמצן-מימן היעילה ביותר, היעילות של אשר הוא מוגבל לכ-5000 מ'/s על ידי המנהל הפיזי חוקים15,16,17,18.

מקיף, אמין בדיקה של חלל ולמחקר מדחפים בדרך כלל דורש קומפלקס גדול של מתקני בדיקה הכוללים צ'ילרים, מתקנים ואקום (משאבות), מכשירי בקרה ואבחון, מערכת למדידת פרמטרים פלזמה 19, מגוון רחב של ציוד עזר שמווסתים את הפעולה של מנוע, כגון מערכת אספקת חשמל, יחידת אספקת הטען, דחף לעמוד מדידה ועוד רבים אחרים20,21. יתר על כן, מנוע הנעה שטח טיפוסי מורכב של מספר יחידות המשפיעים בנפרד את היעילות ואת חיי השירות של כל דחף המערכת, לכן, נבדק בנפרד והן כחלק הרכבה מנוע22, 23. זה משמעותי מסבך את תהליכי הבדיקה, מרמז על מבחן ארוך תקופות24,25. אמינות של מנוע הקתודה יחידה, כמו גם פעולת המדחפים כאשר הודף שונים משמשים גם דורש שיקולים מיוחדים26,27.

כדי לכמת את הביצועים של מערכת הנעה חשמלית, ולקרקע להעפיל מודולים עבור הפריסה המבצעית של משימות חלל, בדיקות מתקנים המאפשרים סימולציה של מרחב מציאותי סביבות הדרושים לניסויים של קנה המידה רב הנעה יחידות28,29,30. דוגמה של מערכת כזו הוא תא הדמיית סביבת חלל גדול שקנה המידה שלה השתנה ממוקם על שטח הנעה מרכז-סינגפור (SPC-S, איור 1 א', ב')31. בעת פיתוח כזה סביבה סימולציה, השיקולים הבאים והמשניים צריכים להילקח בחשבון. החששות העיקריים הם כי הסביבה החלל שנוצר ובכך בדייקנות ובאמינות לדמות סביבת החלל מציאותי, מערכות אבחון מובנה חייב לספק דיאגנוסטיקה מדויקת במהלך הערכת ביצועים של מערכת. הדאגות משניים הם כי סביבות חלל מדומה חייב להיות מאוד להתאמה אישית כדי לאפשר התקנה מהירה, בדיקה של הנעה שונה למודולי האבחון ואת הסביבה חייב להיות מסוגל להכיל תפוקה גבוהה בדיקות כדי לייעל הפרשות ותנאים מבצעית של יחידות מרובות בו-זמנית.

סימולטורים סביבת החלל ומתקני שאיבה

כאן, אנחנו מדגימים שני סימולציה מתקני SPC-S אשר יושמו לבדיקה של מערכות הנעה חשמליות מיניאטורי, מודולים באותה מידה כמו משולב. שני מתקנים אלה הן של סולמות שונים, בעיקר יש תפקידים שונים בתהליך הערכת ביצועים, כמתואר להלן.

פלזמה גדולה שטח הופעה קאמרית (PSAC)

PSAC בעל מידות 4.75 מ' (אורך) x 2.3 m (קוטר) יש שואב אבק שאיבה סוויטת אשר כוללת משאבות קיבולת גבוהה רבים עובדים במשולב. הוא מסוגל להשיג בסיס בלחץ נמוך מ 10-6 הפלסטינית. יש בקרה משולבת ואקום readout, משאבות הפעלה/נקה מערכת פינוי והמחסור של התא. הוא מצויד flanges הניתנות להתאמה אישית רבים, feedthroughs חשמל, האשנבים אבחון ויזואלי לספק קו הבדיקה מתקן. זה, יחד עם מלא-חבילת אבחון יכולות לטעון באופן פנימי, מאפשר לו להיות במהירות שונה עבור אבחון ומשולבות. קנה המידה של PSAC מאפשר גם בדיקה של מודולים משולב לחלוטין ליישומים בסביבה מדומה.

PSAC הוא SPC-S הדגל שטח סביבת הדמיה מתקן (איור 1 c, d). גודלו העצום מאפשר בדיקה של מודולים מלאה של עד כמה U רכוב על הבמה quadfilar. היתרון של שיטה זו תהיה החזיית בזמן אמת כמה המודולים הנעה כמו רכוב על מטענים שונים עשויים להשפיע תמרון באתרו דים בחלל. זה מדומה דרך ההרכבה, ההשעיה של המנה כולה על quadfilar קניינית דחף מדידה פלטפורמה. אז יכול להיות מפוטר מנוע, פלטפורמת מושעה עם מנוע ואת המטען להיבדק על פי תנאי שטח. הטען גז ביניים לדלק אשר להזין את סביבת הבדיקה באמצעות המודולים הנעה חשמליים הם שאוב מתוך ביעילות באמצעות חבילת ואקום כדי להבטיח כי הלחץ הכללי של הלשכה אינה משתנה, לכן, שמירה על סביבת החלל מציאותית32 33, ,34. יתר על כן, מערכות הנעה חשמליות בדרך כלל כרוך הייצור של פלזמות, לנצל המניפולציה של מסלולים של חלקיקים טעונים יציאה המערכת על מנת ליצור דחף35. בסביבות סימולציה קטנות יותר, הצטברות של מעילי פרווה תשלום או פלזמה על הקיר עשוי להשפיע על הביצועים הפרשות דרך קיר פלזמה אינטראקציות בשל קרבתו למערכת הנעה, במיוחד עבור micropropulsion שבו טיפוסי דחף ערכים הם לפי סדר millinewtons. לכן, תשומת לב מיוחדת והדגשה להתבצע בחשבון ואת נטייתה תרומות כאלה גורמים36. גודל גדול של PSAC ממזער אינטראקציות פלזמה-קיר, והוציאם זניח, מתן ייצוג מדויק יותר של הפרשות פרמטרים ועל הפעלת פיקוח על הפלומה פרופילים במודולים הנעה חשמלית. PSAC משמשת בדרך כלל בתהליכי מודול מלא הערכה ומערכות אינטגרציה/אופטימיזציה אשר מאפשר לתרגום מהיר של אבי טיפוס מנוע למערכות מבצעית מוכן עבור בדיקות לקראת מוקדמות שטח הקרקע.

מדמה סביבת חלל פלזמה קשקשים (PSEC)

PSEC בעל מידות 65 ס"מ על 40 ס"מ x 100 ס מ, כולל חבילה שאיבת ואקום אשר כוללת שש משאבות קיבולת גבוהה עבודה משותפת (משאבת ואקום יבש, משאבות ואקום turbomolecular, הקפאה). הוא מסוגל להגיע הבסיס בלחץ נמוך מ 10-5 הרשות הפלסטינית, כאשר כל שאיבה מערכת פועלת (כל משאבות נמצאים בשימוש). זורם בלחץ ויצא מנוטרים ב בזמן אמת באמצעות זרימת מסה משולב readout תיבות, מאבחנים לחץ. PSEC הוא מועסק בעיקר בבדיקות סיבולת של מדחפים. מדחפים מפוטר לתקופות ממושכות של זמן כדי להעריך את ההשפעות של פלזמה נזק על ערוצי פריקה ועל חייה. בנוסף, כפי שמוצג באיור2, זרימת הגז מורכב בקר רשת במתקן הזה מאפשר חיבור מהיר של אחרים הודף זינה קטודית, אנודות כדי לבדוק את התאימות של המדחפים עם הרומן הודף ואפקטים של האחרון על ביצועי מנוע. . זה עניין מוגבר קבוצות מחקר עובד בדחפנים חשמלי "אוויר לנשימה" ניצול הודף הרומן במהלך מבצע...

מתקני לאבחון משולב (אבחון רב מודאלית)

מתקני אבחון משולב שונות, מצוידים עם מערכות רובוטיות משולב אוטומטיות (שיעסוק-µS)19,23, פותחו עבור שתי המערכות, PSEC, PSAC המיועדים דיאגנוסטיקה-סולמות שונים ומטרות.

אבחון משולב ב- PSEC

כלי האבחון ב PSEC במהותה טיבית ניטור בזמן אמת של הפרשות באמצעות פעולות מורחבות. מערכת ניהול האיכות מפקח גז שיורית במתקן לזן מזהם הנובעים מן התזה של חומר במהלך הפרשות. כמויות זעירות אלו מנוטרים באופן כמותי לאורך זמן כדי להעריך את שחיקת המחירים של הערוץ פריקה ואלקטרודות של מנוע כדי להעריך את החיים של מנוע. ספקטרומטר אופטי פליטות (OES) משלים בהליך זה על-ידי ניטור קווי הספקטרום המתאים מעברים אלקטרוניים של מזהם מינים עקב שחיקה, כגון נחושת של האלקטרוניקה. OES מאפשר גם פלזמה לא פולשנית אבחון וניטור פעיל של פרופיל הפלומה הבודקת הביצועים של מנוע איכותית. מהניסוי. לבסוף, בדיקה פאראדיי רובוטית, אשר יכול להיות נשלט מרחוק, או הגדר למצב עצמאי לחלוטין, משמש כדי להפיק מטאטא מהיר של הפרופיל הפלומה לייעל את collimation של קרן דרך פרמטרית משתנה תנאי השחרור (איור 3).

אבחון משולב ב- PSAC

המותרות של המרחב הפיזי, PSAC מאפשר התקנה של מערכות מרובות מנוע במקומות שונים בשל העיצוב המודולרי שלה, המאפשר להתקנה תקע ו- play-כמו אבחון שונים בו זמנית. איור 4 מציג חתך פנימי PSAC בתצורות שונות, עם פלטפורמת מדידה דחף quadfilar מושעה באופן מלא להיות מקבע הבולטים ביותר הקבוע שלה. מערכות צריח, נשלט באופן עצמאי או באופן אלחוטי באמצעות לאנדרואיד באמצעות בקרים ומודולים Bluetooth, ואז שניתן להרכיבו באופן מודולרי בפני את מנוע כדי להשיג את המאפיינים של הפלומה דרך ההתקנה של הגששים שונים כמו פאראדיי, לאנגמיור מנתח פוטנציאליים האץ (RPA). גם המוצג באיור 4 היא היכולת של PSAC כדי לאפשר הרכבה להגדרה של מערכות מנוע איבחונים סימולטני של פרמטרים שונים פלזמה. המדחפים יכול להיות מותקן אנכית בעמודה בודדת ונבדק במהירות, אחת אחרי השנייה כדי למנוע אינטראקציות בין מערכות מנוע שונה. זה אומת, כי הערכה יעילה של עד 3 מודולים שונים במופע יחיד הוא אפשרי, לכן באופן משמעותי להקטין את זמן ההשבתה במהלך פינוי והמחסור תהליכים נדרש אחרת בעת בדיקת מערכות בנפרד. מצד שני, מערכת זו היא הזדמנות משמעותית עבור בדיקות ההרכבות מנוע צריך לפעול חבורה, אותו בלווין. המדחפים יכול להיות מותקן אנכית בעמודה בודדת ונבדק במהירות, אחת אחרי השנייה כדי למנוע אינטראקציות בין מערכות מנוע שונה. זה נבדקו יעיל בהערכה של עד 3 מודולים שונים במופע יחיד, צמצום זמן ההשבתה במהלך פינוי והמחסור תהליכים נדרש אחרת בעת בדיקת מערכות בנפרד באופן משמעותי.

זה חיוני כדי לקבוע הדחף במערכות micropropulsion באופן מדויק כל כך את פרמטרים כגון יעילות, ηeff מתקף סגולי את אניsp, מדויקים, ובכך, נותנת ייצוג אמין של התלות של ביצועי מנוע על פרמטרים של קלט שונים כגון זרימת הטען וכן כוח מסופקים המסופים השונים של המדחפים כפי שמוצג משוואות 1 ו- 2. באופן מפורש, הערכת ביצועים של מערכות micropropulsion בדרך כלל סובבת סביב המידה של דחף שנוצר מן המערכת-פרמטרי הפעלה שונות. לכן, מערכות הערכת ביצועים לכייל לפי קבוצת תקנים לפני להיות מותקן לתוך הסביבה שטח לשימוש אבחון ובדיקות על מנת להבטיח את אמינות, דיוק19.

Equation 1

Equation 2

מערכות אופייניות להעסיק כוח כיול חיצונית לפני יחידות מידה דחף מותקנים לתוך סביבת הבדיקה38. עם זאת, מערכות כאלה חשבון עבור סביבות החלל המשפיעים על מאפייני הסטנדרטים כיול גשמי, ועבור חשמל, ואקום, תרמי משפיעה על ההשפלה של הסטנדרטים מכוילת במהלך דינמי הערכת ביצועים של המדחפים. יחידת הכיול האוטומטיות האלחוטי המוצגת באיור 5, מצד שני, מאפשרת לכיול באתרו של המערכת בסביבה מדומה לפני מנוע יהיה מבצעי. זה מהווה ההשפעות דינמי של סביבת הבדיקה על הבמה מדידה, ומאפשר מהירה כיול מחדש של המערכת לפני הירי של המדחפים. המערכת כוללת גם יחידה אימות סימטרי דחף null מודולריות אשר מאמת את הדחף באופן עצמאי. הוא מופעל בזמן מנוע פועל לניתוח באתרו של נגזרת דחיפות של נתון פריקה תנאים. התהליך כולו נעשה באמצעות MATLAB apps, המאפשר למשתמשים להתמקד ואופטימיזציה של חומרה ועיצוב של מערכות הנעה, מזרזת ביצוע בדיקות של מערכות כאלה. פרטים של שיטה זו פירט בסעיף שלהלן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כאן אנו מציגים את הפרוטוקולים על דחף כיול הערכה הליך וביצועים, דחף עצמאית אימות באמצעות profilometry תימרת ובחינת null באמצעות נתונים מרחביים באתרו חישה.

1. דחף כיול הליך ודחף הערכת ביצועים

  1. ודא כי כל הרכיבים מותקנים בבית הבליעה, כמוצג באיור5.
  2. בדוק הקישוריות של כלי האבחון חיצוני לפני איטום החדר.
  3. השתמש בפקד מתקן משולב כדי לאטום את התא.
  4. להפעיל את משאבות ואקום הסדר המדורג החל ממשאבות יבש (עד החדר מגיע 1 הרשות הפלסטינית), משאבות טורבו-מולקולרית (עד שיגיע ~ 5 x 10-4 הרשות הפלסטינית), ולאחר מכן קריוגני משאבות.
    הערה: PSAC שנשאר לשאוב עד ואקום גבוה (< ~ 10-5 הרשות הפלסטינית) כדי לדמות סביבת החלל. ניתן להשהות את הפרוטוקול פה.
  5. השתמש את היישומים שפותחו כדי לסנכרן את המכשירים עם המשדר האלחוטי בבית הבליעה. תהליך הסינכרון תושלם כאשר דיודות פולטות אור (LED) על המשדר מפסיקה להבהב.
  6. לאחר הריק הרצוי התקבל, לוקחים על הקריאה הראשונית (מתח אנלוגי) את החיישן הזחה לייזר כקו.
  7. להשתמש app מפותחת כדי לעורר שתנוע משקל (של מסה מכוילת וידוע בדיוק של לולאה נחושת) לתרגום כוח על הבמה quadfilar.
    הערה: המסה של כל לולאה נחושת תלוי הרגישות המיועד של השלב quadfilar בשימוש. במקרה זה, המסה של כל לולאה נחושת היה מסודר לפי 100 מ"ג עבור המשטר כיול מורחבת ו- 10 מ"ג עבור המשטר כיול בסדר. לראות את התוצאות נציג לקבלת מידע נוסף.
  8. הרשומה העקירה (מתח אנלוגי) של חיישן תזוזה לייזר כאשר היא מופעלת לאחר המסה הוא הוריד באופן מלא ואת משקלו מתורגם כח אופקי.
  9. חזור על התהליך (שלבים 1.7 ו- 1.8) של הנמכת המשקולות והקלטה של העקירה של השלב quadfilar עד כל המשקלים ולידציות מורחבות. כל המשקלים באופן אוטומטי יוחזר למצב שיווי משקל על ידי היחידה כיול לאחר שרצף השלמת כדי לאפשר את הבמה quadfilar להגיע למשרת שיווי משקל לפני מנוע יכול להיות מפוטר. להציל את הגורם כיול ( קובץ | שמירת | "Factor.txt").
  10. שרטט את עקומת כיול כדי להשיג את גורם כיול המערכת מותקנת על הבמה quadfilar, איפה כיול הגורם (mN/V) המילוי ההדרגתי של הגרף כוח/מתח.
  11. שיא בסיסית מתח אנלוגי חיישן תזוזה לייזר שוב לפני שהם מפטרים את מנוע.
  12. להפעיל את באתרו MATLAB תוכנית לחישוב דחף באופן מיידי באמצעות משוואה 3 (ראה את התוצאות נציג) ולהזין את הגורם כיול נגזר בשלב 1.9 ( קובץ | פתוח | "Factor.txt").
  13. יכול המדחפים ואז ירה שוב. ללכוד את הפרמטרים הרצויים בזמן אמת באמצעות תוכנית רכישת נתונים ללא צורך במיקור חוץ.
    הערה: לחלופין, אפליקציה משולב ניתן להשתמש כדי להפוך לאוטומטית לגמרי את תהליך הכיול בזמן סינכרון הרצף הופעה מוטורס ולאחר קירור והקפאה של החיישנים בהתאם.

2. null מדידה פרוטוקול לאימות דחף עצמאית

  1. קודם כל, קחי קריאה בסיסית (מתח אנלוגי) (מהחיישן לייזר התקה) מנוע במצב שיווי משקל.
  2. החלפה בין פרמטרים מבצעיים לערכים הרצויים מלוח הבקרה מנוע ואש את מנוע.
  3. ברגע מנוע מפוטר, המתן תנודות המטוטלת quadfilar לייצוב.
  4. לאחר quadfilar מייצב למצב יציב, להשתמש app הבקרה עבור מערכת מדידה null כדי לעורר הנמכת של משקולות. הקריאות מהחיישן הזחה לייזר מנוטרים בו זמנית. המשקלים הם הוריד ללא הרף עד השלב quadfilar הוא actuated בחזרה לתוך שיווי משקל.
  5. לאחר מיקום שיווי משקל מתמלאת, לסיים את הרצף הופעה, לקבוע את הכוח הנדרש כדי להחזיר את מערכת quadfilar שיווי משקל.
  6. לעורר בלוק בסימפטומים ולא במחלה עצמה כדי לעצור את השלב quadfilar לנוע.
  7. חשב המתאים המוני הכוח האופקי הנדרש כדי למשוך את המערכת לתוך שיווי משקל.

3. הופעה של צריחים רובוטית עבור נתונים מרחביים באתרו חישה, הפלומה profilometry

הערה: במהלך הפעולה של מנוע, אופרטור עשויים לבחור להניע את המערכת באופן ידני לזוויות הרצוי כדי להשיג הפלומה מאפיינים במיקומים מסוים או להפעיל רצף אוטומטית.

  1. הר של מנוע על הבמה נעה (כמו במקרה של PSAC) לפני תחילת הניסוי.
  2. להפעיל את מנגנון עצירה-בר כדי למנוע את השלב של הגורמים במהלך הניסוי.
  3. להפעיל את פרוטוקול המדידה ואת servo מנוע כדי להניע את המכשיר למצב 0°.
  4. רוכשים מדידה של המכשיר.
    הערה: בהתאם לסוג של הגששים מותקן, תהליכי המדידה יכולים להיות מגוונים בהתאם לרצף לתכנות להשגת הפלומה המרחבי המלא פרופילים של השחרור. (א) אם מותקן מכשיר בדיקה פאראדיי, קריאה את מד המקור נלקח (איפה דעה קדומה של-30 החמישי ברציפות מוחל על הטבעות משמר). (ב) אם בדיקה לאנגמיור נטענה, צורת גל מתח sawtooth מסופקים החללית, המאפיינים-V שהושג ומפורש. (ג) אם RPA נטען, צורת גל מתח sawtooth מוחל על הרשת מפלה, המאפיינים-V שהושג ומפורש.
  5. להפעיל את מנוע סרוו באמצעות של מיקרו, כדי להעביר מיקום זוויתי הבא שבו הרצף בדיקה מופעלת כדי לבצע מדידה שוב.
  6. שמור את המידות שסומנו בנפרד מערכים במטריצה נתונים.
  7. חזור על שלבים 3.5, 3.6 עד מלא לטאטא עד 180° בוצעה, החללית מובאת בחזרה כדי 0°.
  8. לנתח את הנתונים שנשמרו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

הליך הכיול דחף, דחף הערכת ביצועים

הערכה של דחף ערכים משלב המדידה quadfilar דחף מגיע בשני שלבים. השלב הראשון הוא דרך קבלת כיול גורמים מיחידת הכיול האוטומטיות אלחוטית המוצג מימין איור 5. בתהליך זה כיול, משקולות בסדר הם הוריד על פני בר טפלון חלקות אשר מיתרגם ההשפעות אנכי של משקל כח אופקי כפי המצורפת את מנוע על הבמה quadfilar. חיישן תזוזה לייזר ברזולוציה גבוהה ואז מודד העקירה בכל פרק זמן בהתאם. זה נמצא בפיקוח אופרטור באמצעות יישום רכישת הנתונים כפי שמוצג באיור 6, גורם כיול מתקבל בסוף הסדרה איפה משקולות מכוילת רבים הם הוריד על גבי המערכת. הגורם כיול S מתקבל מן הקו בכושר הטוב ביותר של הגרף כוח אופקי-הזחה, דחף עוקבות מחושב באמצעות משוואה 3:

Equation 3

כאשר Vבסיסית הוא המתח בסיסית אנלוגי חיישן תזוזה לייזר לקרוא לפני ירי של מנוע ו- Vשנמדד הוא המתח נמדד מהחיישן במהלך מבצע באתרו של מנוע.

ייצוג ברור יותר של כיול המערכת מוצג איור7. זה ראוי לציין כי הקו הירוק ואת עיגולים אדומים הם להמחשה בלבד ולא רק לשמש מדריך לעין. במציאות, הקו הירוק הוא בד פוליאמיד מדיירה בסדר המתחבר מנוע הנטען. משקולות מכוילת הן לולאות נחושת קטן זה היה לשקול בזהירות על ידי איזון המוני ברמת דיוק גבוהה, הם ניתן להתאים בהתאם כדי לאפשר משטר כיול בסדר בתחילה (עם מרווחים קטנים יותר ההבדל בין גושים), וכן אל מאמן כושר אישי מורחב (איפה גושים גדולים יותר נוספות לקראת סוף הרצף כיול).

גרף מתח-כוח טיפוסי יהיה לייצר קו ישר כמוצג באיור 8 כאשר יחידת כיול, פלטפורמת לייזר הזחה חיישן ו- quadfilar הם כראוי מותקן. במקרה זה, העלילה התשואות מקדם כיול (הדרגתי) של mN∙V 27.65-1 בערכת סטנדרטית עד מעבדתיים דחף על טווח רחב של כוחות.

ניתן לשנות את הגורם כיול על-ידי שינוי הרגישות של פלטפורמה quadfilar, אשר תלוי במספר גורמים כגון אורך החוטים quadfilar. באיור 8, הרגישות של ההתקנה שונתה להשתלב משקולות כיול משטרים המורחבת. שתי משקולות כיול בסדר ולא גס כלולים להניב מגרש כיול לינארי ב שני משטרים.

מדגם של המדידות באתרו על דחף שנמדד מוצג באיור9. במקרה זה, זה מראה כמה הוא מסוגל לנטר את התלות של דחף שחרור מתח במהלך הניסוי עד השחרור ייכחד. ההשפעות של פרמטרי קלט אחרים על הדחף ניתן גם לנטר באופן זהה.

שימוש quadfilar את דחף שלב מדידה, הצלחנו למדוד דחף שנוצר על-ידי שלנו מנוע הול ב כוחות קלט שונים, שניתנו על ידי מתח הנוכחי ויישם הפרשות. באמצעות מידע זה, הווריאציות של Equation 4 , Equation 5 ביחס כוח קלט יכולה להיות מושגת. איור 10a,b מראה כיצד הדחף להשתנות עם כוח קלט במחירים שונים זרימת מסה 4. לבסוף, היעילות מותווים נגד הכוח קלט במחירים שונים זרימת מסה איור 10ג'. התוצאות מציגות שלנו מנוע הותאם לעבודה ב כוחות קלט מתחת 100 W, שבו המחירים זרם נמוך גרמו היעילות של כמעט 30%19. לפני אופטימיזציה, מנוע הושג בקושי 20% יעילות-83 W ו- 5.5 sccm. התוצאות מציגות שלנו מנוע הותאם לעבודה ב כוחות קלט מתחת 100 W, שבו המחירים זרם נמוך גרמו היעילות של כמעט 30%19. . זה ניתן לטעון הישג מכובד לעומת מנוע SPT100 הול, אשר משתנה בין 30%-40%, אחרים מדחפים הול בגדלים דומים ובעלי כוחות קלט... איור 10 d ממחיש את הפרופיל באופן אוטומטי המותווים של צפיפות זרם יון.

מדידה null פרוטוקול לאימות דחף עצמאית

בעוד מנוע הוא פיטורין, החוט פוליאמיד בצד ימין המתאימה עד הסוף יחידת כיול נותר מרווח. במהלך המבצע באתרו של מנוע יחידת אימות המידה null סימטרי אז יכול להיות מופעלות. יחידת המידה null סימטרי פועלת באופן דומה למערכת הכיול רובוטית שמוצג באיור 5; משקולות כיול מיניאטורי מחובר חוט פוליאמיד בסדר הם הוריד במערכת וליצור כוח אופקי חלה על מערכת ההנעה. במקרה זה, הכוח האופקי מוחל למשוך את המערכת quadfilar אשר נעקרו מבתיהם על הפעולה של מנוע חזרה אל שיווי משקל. תהליך זה מוצג תלויי-הזמן סכמטי של תהליך האבולוציה באיור11. מנוע משוגר לראשונה ב t = 0 s, המתאים בלוח (א) בסדרה. השלב quadfilar מזיחה ואז בצד ימין כתוצאה הכוח האופקי מיחידת הנעה. מאז הסביבה להכהיית בסימולטור בחלל, התנועה של הבמה נתפסת כמו תנועת לכאורה מנוע ב (b). השלב quadfilar ואז מפסיק נדנוד, מגיע הזחה מצב יציב של שיווי משקל כפי שמוצג (c). מופע זה, מופעלת מערכת null, המנוע stepper מופעל תיסגו השלב quadfilar שיווי משקל כפי שמוצג (d). המנוע stepper מופעלת עד לנקודה שבה חיישן תזוזה לייזר מזהה כי השלב בחזרה במצב שיווי משקל, הופעה מופסק. מדידה ואז נלקח, הערך דחף ממערכת זו ניתנת בהתאם.

הופעה של צריחים רובוטית עבור נתונים מרחביים באתרו חישה, הפלומה profilometry

מערכות מודולריות צריח רובוטית מותקנים גם הן PSAC והן PSEC עבור אבחון להתאמה אישית של הפלומה פרופילים. צריחים רובוטית אלה הם גם רכוב על מנועים מופעלים פנאומטית שלבים לצורך בדיקה נאותה מיקום על פי האמצע צירית של המדחפים מבחוץ. צריחים רובוטית מהווים של פלדת אל-חלד מסוככים מארזים המכילים בקרים מתוכנתים המצורפת משדרים אלחוטיים עבור קבלת והעברת נתונים. זה גם מאפשר למשתמשים לשלוט בתנועת המכשיר חיצונית, בעת קבלת נתונים מחיישנים ללא חיבורי חשמל נוספים במערכת. זה גם ראוי לציין כי העיצוב המודולרי של המנוע מיקרו-servo צריח מופעלים פנאומטית מאפשרת עידון מהירה של מדידה התקנה המאפשרת עבור מספר מערכי בדיקה כולל לאנגמיור, פאראדיי החללית ואת RPAs להיות מותקן על אותו להגדיר על פי דרישות תפעוליים בנקודת זמן. איור 12 מראה של איור סכמטי של ההתקנה ניסיוני עבור profilometry תימרת.

במהלך הפעולה של מנוע, אופרטור ניתן לבחור באופן ידני להניע את המערכת הרצויה זוויות כמופיע באיור איור 12 כדי לקבל מאפיינים הפלומה במקומות מסוימים, או רצף אוטומטי יכול להיות מופעלות. תלוי איזה הגששים מותקנים, תהליכי המדידה יכולים להיות מגוונים בהתאם לרצף לתכנות להשגת הפלומה המרחבי המלא פרופילים של השחרור.

רצף כזה מאפשר ויזואליזציה מרחבית מהירה של הפרופיל הפלומה דבר שעוזר למטב הנדסה ואופטימיזציה תהליך בהמאפשרות קרן collimation לפעולה מנוע יעיל. צריחים מופעלים פנאומטית, לתכנות מערכות חישה לאפשר רכישת אוטונומי של הפלומה מאפיינים בכל נקודה, פלזמה פרמטרים עשוי להיות נגזר ואיפה מחושב באמצעות מערכות לתכנות. זה עלול לזרז בדיקה של מערכות כאלה עם ניתוח קל ומניפולציה של כמויות גדולות של נתונים דרך פשוטה רובוטית, מופעלים פנאומטית מערכות אוטונומיות. איור 10 d, לדוגמה, הפרמטר פלזמה שעוברים ניתוח כאן הוא צפיפות הזרם יון לעבר עמדות זוויתי שונות. הוא מראה כיצד הכוח פריקה משפיע על הגודל של צפיפות הזרם יון שיא, רוחב המלא במלון maxima חצי בהתאם. תוצאות אלו מראות כי מתח פריקה גבוה יותר לא בהכרח לתרגם ביצועי מנוע טובים יותר. . כוח עליון תוצאות הרחבת לפרופיל הפלומה לא רצויה האופייני מנוע. משמעות הדבר היא כי יש לחלק מהחלקיקים הפליטה מהירויות אשר אינם בניצב למישור יציאה מנוע, וכתוצאה מכך דחף בכיוון בלתי מכוונות וביצוע מדויק תמרונים מאתגר. יתר על כן, ההאשמות מן הפלומה עלול לגרום נזק המטען או מערכות משנה אחרות על החללית. כדי למטב את מנוע כדי לייצר את הפלומה יותר מקבילות, הזרם שסופק ל הסלילים המגנטי ושחרר פוטנציאליים ב האנודה שניתן לכוונן עד השיגה ברוחב-מלא מספק בערך חצי maxima (FWHM). לפני הפלומה פרופיל אופטימיזציה, FWHM שלו היה 33.1 ° 140 W אבל לאחר אופטימיזציה, זה ירד ל ° 23.7-110 W. זה מרמז על הפלומה עכשיו ממוקדת יותר.

Figure 1
איור 1 : חלל גדול מתקן סביבת בדיקה של הנעה חשמלית המדחפים. המתקן הזה הדגל הינו ממוקם על שטח הנעה מרכז סינגפור, המכון הלאומי לחינוך, אוניברסיטת הטכנולוגי Nanyang. () צפה מהצד של התא מדגים האשנבים שקוף עבור אבחון ויזואלי של בדיקת מערכות, את מספר כיתה ואקום חשמל ההזנה-שנכנסו. ויצאו המאפשרים תקשורת, בקרה ואבחון של מערכות תחת בדיקה. משאבות ואקום (b). (ג) צפה מהצד של התא עם תוספת טעינת הפתח פתח. (ד) נוף של תא שטח סימולציה עם התקנת מערכות אבחון לאופרטור. הודפס מחדש באישור של ג'יי Lim ואח ', IEEE Trans. פלזמה לביוטכנולוגיה 46, 338 (2018) ואת ג'יי Lim ואח ', IEEE Trans. פלזמה לביוטכנולוגיה 46, 345 (2018). זכויות יוצרים 2018 IEEE. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2 : אחורי תצוגה של מדמה סביבת חלל פלזמה קשקשים (PSEC). PSEC כוללת בסך הכל 6 משאבות כולל קיבולת גבוהה קריוגני משאבות, משאבות טורבו-מולקולרית ו משאבות יבש. הגדרת מכיל גם אבחון מנוע משולב. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 : סקירה של חבילת אבחון פלזמה ב PSEC. מצד ימין של האיור מדגים תצוגה מוגדלת של מערכות כמו במ של אשנב מן החזית של התא. הנמל אבחון ויזואלי משמש גם שדרת עבור ספקטרוסקופית פליטה אופטי (OES) צריך להיעשות. כפי שמוצג הנוף החיצוני של התא, ספקטרומטר מסה quadropole הוא לבוש לניתוח גז שיורית להעריך את גשמי שחיקת המחירים עקב sputtering בבית הבליעה במהלך פעולת מנוע ממושך. בנוסף, הגששים פאראדיי רובוטי מבוקר באופן אלחוטי גם תיטען באופן פנימי כדי להעריך את הפלומה פרופילים של המדחפים שעברו הערכת ביצועים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4 : סקירה של חבילת אבחון משולב פלזמה ב PSAC. () להתאמה אישית לעיצוב מראה צריח בדיקה פאראדיי רובוטית ממוקמים לצד שלב הערכת ביצועים quadfilar דחף ו יחידת כיול משקל מקומיים. (b) להתאמה אישית תכונות מאפשרים עד שלושה שונים מדחפים להיות רכוב, שנבדקו בו זמנית, תוך צמצום זמן ההשבתה מבצעית ומחקר הגדלת התפוקה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5 : פריסה סכימטית של אימות סימטרי דחף null מודולרי ההוראה בניגוד למערכת הכיול, יחידת אימות דחף null מופעל בזמן מנוע מפוטר כדי לאפשר אימות בלתי-תלוי של הערכים דחף שהתקבלו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6 : ממשק המשתמש של היישום רכישת נתונים. ממשק המשתמש של היישום מבוסס-MATLAB מאפשרת למפעיל לנטר את דחף והמתח קריאה חיישן תזוזה לייזר בזמן אמת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7 : הכיול המשנית יחידת כיול רובוטית יכול להיות מופעל על ידי קלט מרכזיה אלחוטית או באמצעות כיול עצמאי לחלוטין רצפים לכיול מהירה של מערכת quadfilar. ושיקולי העיצוב: למזער השפעה חיצוניים; משתמשים משקולות מיתרים, millinewton רזה, קל משקל; השתמש בפס מקדם סטטי נמוך; הקו חייב להיות גמיש מספיק כדי לייצר "u-loop". לעמוד כיול, השתמש יחידת בקרה אלחוטית, בסדר מדיירה monofilament פוליאמיד (ניילון) סיבים (כ 4.0 מיקרומטר), לולאות נחושת קטן כמו משקולות ובר טפלון חלקות. צריכה להיות מחוברת בקו האחורי של מנוע רכוב על quadfilar המטוטלת או בקו אחד עם המרכז של צלחת צלחת לוויין. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8 : כוח אופייני-מתח וגרפים כוח מתח להתקנה ששונה. גרף () הכוח-מתח. כמות המשקל אשר הוריד והוא תורגם כח אופקי מותווים נגד המתח המתאים לקרוא על חיישן תזוזה לייזר. כיול הגורם (mN/V) הוא מעבר הצבע של הגרף כוח/מתח אשר ישמשו בגרף כוח/מתח נתוני הרכישה app. (b). הרגישות של ההתקנה לעבר הכוח יישומית הוגדל כדי להכיל לכיול בסדר וגם גס. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 9
איור 9 : הערכת ביצועים מקומיים. תוכנה נוספת מאפשרת את הביצועים דחף להיות במעקב בזמן אמת כאשר פרמטר קלט, מתח פריקה במקרה זה משתנה בהדרגה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 10
איור 10 : הערכה של מאפייני מנוע. (, b) דחף ודופק ספציפי כפונקציות כוח קלט במחירים שונים זרימת מסה ארבע. (ג) יעילות המותווה נגד כוח קלט במחירים שונים זרימת מסה. (ד) המותווים באופן אוטומטי פרופיל של צפיפות זרם יון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 11
איור 11 : הגיע הזמן האבולוציה של היחידה אימות דחף null במבצע במהלך ירי של מנוע Hall ב- SPC-S. () t = 0 s, איפה מנוע הול הראשון מפוטר ועובר מן המיקום שיווי משקל. (b) Quadfilar הבמה מזיחה ימינה כפי שמוצג על ידי התנועה היחסית של מנוע הול. (ג) Quadfilar הבמה מפסיק נדנוד ומגיעה עמדה מצב יציב שיווי משקל. Null המערכת מופעלת, הופעה מוטורית stepper מתפרץ. (ד) Null המערכת מופעלת אט אט למשוך מנוע רכוב על הבמה quadfilar לחזור שיווי משקל. (e) מנוע מגיע עמדה שיווי משקל. יחידת מידה null עוצר את stepper הופעה מוטורית. המדידה היא נלקחה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 12
איור 12 : ייצוג סכמטי הופעה של הצריח בדיקה מרובת מודולרי. המערכת כולה נשלטת באופן אלחוטי ולאחר בדיקה פאראדיי יכול להיות מוחלף במהירות באמצעות הצמדה על מודול בדיקה שונים. החיבורים נעשים באמצעות מתאמי BNC-סוג ההמרה טוויסט קל והתקנה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 13
איור 13 : שרטוט של מנוע הול-סוג. כיוונוני דומה עם מגוון תצורות המבוסס על פריסת מוכללת המוצג באיור זה יש גם כבר מועסקים על ידי קבוצות אחרות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 14
איור 14 : Inductively בשילוב פלזמה מתקן של סינתזה של חומרים חדשניים במרכז היישום מקורות פלזמה / מקום הנעה מרכז, סינגפור. מערכת פלזמה חזקים מאפשרת סינתזה של חומרים מבוססי סיליקון עבור תאים סולריים חדשנית, יעילה במיוחד, כמו גם ניטריד בורון וחומרים אחרים nanostructured עבור יישומים מודרניים המדחפים ולמחקר.  אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

אופייני אולם מסוג מדחפים44 פשוטה יחסית, זול, התקנים יעילים ביותר עלול להאיץ את השטף יון כדי בין המהירויות של כמה עשרות ק מ בשנייה, מתן דחף נדרש מאיץ לוויינים וכלי -הטיס, כמו גם עבור תמרונים, כיוון, מיקום ובקרת גישה, בטל את הבחירה במסלול סביב בסוף חייהם השירות מבצע. היישום של אולם מדחפים על לוויינים, מטענים מסלולית אחרים לשפר את המשימה בחיים, לאפשר היווצרות/קבוצת כוכבים מעופפים מהלוויינים מרובים והעברת מסלולית, ולאפשר יכולות רב המשימה. מבחינה מבנית (ראה שרטוט באיור13), מנוע הול הוא תא קואקסיאלי עם אנודת מותקנת על צד אחד, על הקתודה להציב ליד היציאה. Xe גז מיונן בקלות אבל כבד יחסית, משמש בדרך כלל דלק, אך רכיבים אחרים כגון יוד יכול לשמש במקרים מסוימים45. השטף יון מואץ על ידי שדה אלקטרוסטטי מוגדר בין אנודת קטודית, בעוד שדה מגנטי שנוצר על-ידי קבוצת סלילים או מערכת של קבועים magnets מבטיח של סחיפה אלקטרון הנוכחי סביב החלק המרכזי של הקאמרית46. זרם הסחף הזה אלקטרון מבטיחה יינון יעיל של גז נייטרלי, בו זמנית, זה מספק פיצוי של שינוי יון חיובי.

היעילות של מנוע חשמלי הנעה תלוי באופן משמעותי על העיצוב שלה, במיוחד את הצורה ואת התצורה של אלקטרודות ופרמטרים של השדה המגנטי, וכן החומרים המשמשים עבור ערוץ מאיץ, אנודת מוסיף emissive ב הקתודה. לדוגמה, ניתן להגדיר את הטופולוגיה שדה מגנטי של מנוע כך כי המיקום של הכוח המרבי של שדה מגנטי, ומכאן, אזור יינון יידחפו נוסף במורד הנהר, ליד השקע ערוץ, לפיכך, צמצום האינטראקציה בין יונים אנרגיה גבוהה הערוץ קיר47. זה בתורו מפחית שחיקת שערי החומה ערוץ והתלות שלו תכונות החומר קיר, והחלפתה קיר גשמי יותר ריאלי. החיים של המדחפים אולם מסוג מאוד תלוי החומרים אשר השתמשו בהם את מרכיביו, במיוחד אלה הנמצאים בקשר עם הפלזמה. הולך קדימה, חומרים חדשניים, כמו גם ציוד וטכניקות של סינתזה שלה ובדיקות48,49 יש צורך לשפר את אורך החיים של אולם מסוג מדחפים.

חומרים חדשניים הם מסונתז במעבדות PSAC/SPCS שימוש בעיקר על פלזמה inductively בשילוב חזקים, גמישים מאוד, יעיל מתקן (איור 14)50,51. קשת של חומרים חדשניים כולל, אך אינו מוגבל מבוססי סיליקון ופלים תאים סולריים חדשנית, יעילה במיוחד, כמו גם ניטריד בורון, המכילות גראפן52,nanostructures53, metamaterials54 ,55 וחומרים אחרים nanostructured עבור יישומים מודרניים מדחפים מיניאטורי, שבו הם משמשים התעצמות משמעותית ואופטימיזציה של פרמטרים מרכזיים של המדחפים56,57. ציוד זמינים אחרים כוללים קשת מערכות פלזמה קיבולי מצמידים לטיפול פלזמה מתקדמים של חומרים58. אכן, שיפור משמעותי של פרמטרים מנוע יכול ניתן להשגה באמצעות יישום של מבחן מתוחכמים, עיצוב, חומרים, סימולציה ואופטימיזציה טכניקות59,60. יתר על כן, יישומים של חומרים חדשניים ומערכות גשמי יכולה להבטיח גישות יעיל, למשל, החום העברה61, ללבוש התנגדות62, ו בעיות אחרות הקשורות את היעילות ואת חיי השירות של מיניאטורי שטח מדחפים. מתקנים חומרים מבוססי פלזמה לאפשר סינתזה, בדיקת ויישום של חומרים מתקדמים ביותר של המדחפים כעת להיות מעוצב63. אכן, זה כבר הוכח כי טכניקות מאופשר פלזמה שכרוכים פלקסים מאוד אנרגטי על חומר ואנרגיה, מאפשרים הפעלה יעילה של משטחים64,65 , ומכאן, שליטה ארגון עצמי, התגרענות66,67,68 ותהליכים אחרים מתוחכמת המבוססת על פני שיוביל ליצירת של המתקדמים ביותר חומרים69,70, 71. שימו לב כי חומרים המכילים פחמן כגון קירות נאנו פחמן, צינוריות ומערכים גראפן מונחות אנכית יכול להיות די מבטיח עבור היישום המדחפים הנעה חשמלית כמו האלקטרון פולט חומרים72, 73 , 74 , החומר מבטיח עבור הקירות של ערוצי האצה, הפרשות צ'יימברס75.

חומרים נקבוביים, מרובה שכבות ליבה-קליפה מתוצרת פלזמה76 יכול למצוא גם יישומים בחלקים שונים מערכות הנעה חשמליות77. סינתזה מבוקרת של צינוריות פחמן עם קירות יחיד מתכתי78 וצמיחה מאופשר פלזמה, ללא זרז צינוריות פחמן בכתב מכנית סי תכונות79 אפשרי גם תהליך מונחה פלזמה80.

לסיכום, הוצגו פרוטוקול כדי לבדוק ולמטב את מערכות הנעה חלל ולמחקר. ציוד sophisticatedly מעוצב רבגוניים, צ'יימברס ואקום גדולות, פלטפורמות שאיבה חזק, מתחמי אבחון שונים שימשו כדי לבצע אפיון מדויק, אינפורמטיבי של מיקרו-הנעה מדחפים בתנאים לאלה נמצא בחלל הפתוח. כוח אדם מיומן, סימולציה נאותה, תמיכה תיאורטית הם גם חשיבות מרכזית לשמור את micropropulsion עיצוב וטכנולוגיה מתקדמים בהתמדה. פיתוח של חומרים חדשניים הוא הגורם השני יכול להבטיח פריצות דרך משמעותיות בשיפור מאפייני ביצועים של מערכות הנעה חשמליות מודרניים, כולל לוויינים קטנים CubeSats עם סט שלם של מערכות הספק מכשירים היקפיים, וכלים המטען.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים אינטרסים מתחרים לא כספיים או אחרים.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה חלק ע"י OSTIn-קמעונאי/מפיצים של EDB, קרן מחקר לאומי (סינגפור), אקדמיים מחקר קרן AcRF Tier 1 RP 6/16 (סינגפור), ו. ג'ורג ' וושינגטון המכון על ננו-טכנולוגיה (ארה ב). א ל' מאשר התמיכה של בית הספר לכימיה, פיזיקה, הנדסת מכונות, המדע, ההנדסה הפקולטה, האוניברסיטה הטכנולוגית של קווינסלנד.

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

הנדסה גיליון 144 הנעה חשמלית בדיקה אולם המדחפים טכנולוגיית החלל הפרשות טכנולוגיה
אופטימיזציה, בדיקה ואבחון של הול ולמחקר מדחפים
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