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Engineering

最適化、テストおよび小型ホールスラ スターの診断

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

Summary

ここでは、テストし、小型のホール型スラスターに基づく宇宙推進システムを最適化するためのプロトコルを提案する.

Abstract

小型の宇宙船および衛星スマート、高効率で耐久性のある低推力スラスター、出席および調整なしの拡張、信頼性の高い動作が可能が必要です。加速の手段としてガスの熱力学的性質を利用した熱化学スラスターで低効率の排気ガス速度に物理的な限界があります。さらに、これらのエンジンは、小さな推力で非常に低い効率を示すし、連続の宇宙船の方向、速度および位置のリアルタイム適応制御を提供するオペレーティング システムに適したできない場合があります。対照的に、電離気体 (プラズマなど) を加速する電磁界を使用する電気推進システムでは、事実上どんな質量効率と比推力排気速度の面で物理的な制限はありません。低推力ホール推進機は、数千時間の寿命を持ちます。100 と 300 V の公称電力で動作の間に放電電圧範囲 < 1 kW。彼らは 20 から 100 mm のサイズに変わる。大ホールのスラスターは推力の millinewton の分画を提供できます。過去数十年間、小腫瘤、低消費電力、および 50-200 kg のドライブ衛星高効率推進システムが注目されています。この作品で我々 はビルド、テスト、および小さな (30 mm) 約 50 kg の重量を量る小さい衛星を走るホールスラを最適化する方法を示します。スラスターの大型宇宙環境シミュレータで動作を示す、推力を測定する方法を記述してプラズマ特性を含む電気パラメーターを収集し、キー スラスター パラメーターを評価するために処理されます。史上最も効率的な小型スラスターのいずれかにするスラスターを最適化する方法についても説明します。課題と新しいスラスター材料によって示される機会も取り組みます。

Introduction

宇宙産業に新たな関心が一部されて触媒による高効率な電気推進システム、ますます減らされた打ち上げで強化された配信ミッション機能コスト1,2,3。宇宙電気推進機器の多くの異なる種類が提案されている最近、空間に現代の関心でサポートされているテスト済み4,5,6,7,8探査9,10。その中で、格子点イオン11,12ホール型スラスター13,14能力の任意の化学スラスターを上回る、約 80% の高効率化を達成するための主要な関心の最も効率的な酸素-水素系などが効率が約 5000 m に限定/物理のプリンシパル s 法律15,16,17,18。

包括的で信頼性の高いテストは小型スペース スラスターの通常のプラズマパラ メーター測定のためのシステム制御・診断機器、真空設備 (ポンプ) 試験室は、試験設備の大きい複合体が必要です。19、および測定スタンドや他の多くを推力スラスター、電力供給システム、推進剤供給装置などの操作を維持補助装置の広い範囲20,21。また、別に効率に影響を与えるいくつかの単位から成っている典型的な空間推進スラスターと全体の寿命スラスト系と個別にもスラスター アセンブリ22の一部としてテストすることができます。 23。これは大幅テスト手順を複雑に、長いテスト期間24,25を意味します。スラスターの陰極部の信頼性だけでなく、スラスター別の推進体を使用する場合の操作は、特別な配慮26,27も必要です。

電気推進システムの性能を定量化し、宇宙ミッションの運用展開のためのモジュールを対象に地上試験リアルな空間のシミュレーションを可能にする設備環境が推進のマルチ スケールのテストのため必要単位28,29,30。このようなシステムの例は、宇宙推進センター-シンガポール (SPC S、図 1 ab)31に位置する大縮尺空間環境シミュレーション室です。このようなシミュレーション環境の開発、次のプライマリとセカンダリの考慮事項考慮する必要があります。主な懸念事項は内蔵の診断システムは、システムの性能評価の中に精密で正確な診断を提供する必要がこのように作成された宇宙環境する必要があります正確かつ確実に現実的なスペース環境をシミュレートできることです。セカンダリ懸念として模擬宇宙環境は高速にインストールを有効にする高度にカスタマイズする必要があります、高スループットの最適化テストに合わせてできる必要があります異なる推進力と診断モジュール、および環境のテスト、します。放電と複数のユニットの運用条件同時に。

宇宙環境シミュレータとポンプ設備

ここでは、2 つのシミュレーション施設 SPC S で実装されている小型電気推進システムでは、同様に統合されたモジュールのテストを示します。これらの 2 つの施設、スケールが異なるは、主に下記のとおりパフォーマンス評価の過程でさまざまな役割があります。

大型スペースチャンバ作動 (型)

型は 4.75 m (長さ) の寸法 × 2.3 m (直径)、タンデムで働く多数の大容量ポンプから成るスイート ポンプ真空。10-6ペンシルベニア州より低いベース圧力を達成することが真空制御読み出しとポンプ活性化/パージのシステムが避難し、商工会議所の削除するしています。ライン テスト設備を提供するために、多数のカスタマイズ可能なフランジ、電気フィードスルー、視覚診断舷窓それ装備です。これ、一緒に内部的には、マウントされている診断機能の完全スイートにより、マルチ モーダル診断の急速に変更します。型のスケールは、シミュレートされた環境でのアプリケーションのための完全に統合されたモジュールのテストもできます。

型 SPC S 主力宇宙環境シミュレーション施設です (図 1 c、d)。その大きさは、quadfilar ステージ上にマウントされたいくつかの U までの完全なモジュールのテストをことができます。この方法の利点は、スペースへのペイロードの原工作推進モジュールで異なるペイロードに影響方法のリアルタイムの可視化になるでしょう。これは、マウントをシミュレートされ、独自の quadfilar のペイロード全体の懸濁液推力計測プラットフォーム。スラスターを解雇し、ことができますとスラスター ペイロードと中断されたプラットフォームは、スペース条件に従って試験するでしょう。商工会議所の全面的な圧力変更されていないこと、したがって、現実的な宇宙環境32 を維持確保するため真空のスイートが効率的に電気推進モジュール経由でテスト環境を入力する推進剤ガス原料を送り出す、 ,33,34。また、電気推進システムは通常プラズマの生産関係し、推力35を生成するために、システムを終了する荷電粒子の軌跡の操作を悪用します。小規模シミュレーション環境で壁に料金やプラズマのシースの蓄積がパフォーマンスに影響する放電推進システムは、特に micropropulsion に近いのためのプラズマ-壁相互作用を通じて、典型的な推力値は、millinewtons の順です。したがって、特別な注意と強調する必要がありますを考慮し、このような要因の36からの貢献を過小評価されます。型の大型プラズマ-壁相互作用、無視、放電パラメーターのより正確な表現を与えると電気推進モジュール内のプルーム プロファイルの監視を有効にするレンダリングを最小限に抑えます。型は通常地上スペース資格の準備でテスト運用準備システムにスラスターのプロトタイプの迅速な翻訳を可能にする完全なモジュール評価およびシステム統合/最適化プロセスで使用されます。

スケール プラズマ宇宙環境シミュレータ (ピコ秒)

PSEC には 65 cm × 40 cm 100 × の寸法 cm、タンデム (ドライ真空ポンプ ・ ターボ分子・ クライオ真空ポンプ) で働く六つの高容量ポンプで構成され真空ポンプ スイート。ポンプ システム全体が動作すると 10-5 Pa より低いベース圧力を達成することは (すべてのポンプは、使用で)。監視する圧力及び噴射剤フロー統合マスフロー読み出しボックスと圧力計をリアルタイム。スラスターの耐久試験に、PSEC を主に採用します。スラスターは長時間の放電路とその寿命のプラズマ ダメージの影響を評価するために起動されます。さらに、図 2のように、この施設内で複雑なガス流量コント ローラー ネットワークにより陰極と陽極新規推進剤とスラスターの互換性との効果をテストするための他の原料推進薬の迅速な接続、後者は、スラスター性能の。これは「空気呼吸」電気スラスター操作中に新しいロケットを活用に取り組んでいる研究グループへの関心の高まりです。

統合された診断設備 (マルチ モーダル診断)

異なる統合診断設備、自動化された統合ロボット システム (放送 μ S)19、23、装備は PSEC と型で異なる規模や目的に応じて診断に対応するために 2 つのシステムのために開発されています。

PSEC の内蔵診断機能

PSEC の診断ツールは、本質的に拡張の操作を通じて放電のリアルタイム モニタ リングにかかっています。品質マネジメント システムは、放電中に材料のスパッタから生じる汚染物質種の設備内の残留ガスを監視します。これらの微量定量的、スラスターの寿命を推定するスラスターの電極と放電チャネルの侵食速度を評価する時間をかけて監視されます。光学放出分光計 (OES) は、電子機器からの銅など腐食による汚染物質種の電子遷移に対応するスペクトル線を監視することによってこの手順を補完します。OES は、プラズマの非侵襲的および質的スラスターの性能を評価するプルーム プロファイルのアクティブな監視もできます。最後に、リモート制御または完全自律モードに設定することができますロボット ファラデーのプローブを使用して、放電条件 (図 3) をパラメトリック変動を通してビームのコリメーションを最適化するプルーム プロファイルの簡単なスイープを派生します。

型の内蔵診断機能

同時にさまざまな診断のためのプラグおよび演劇のようインストールが可能、モジュラー デザインにより様々 な場所に複数のスラスター システムが搭載可能な型の物理的な空間の贅沢。図 4は、その最も顕著な恒久的なフィクスチャをされて完全に中断された quadfilar 推力の計測プラットフォームと、さまざまな構成で、型の内部の断面を示します。砲塔システム、自律制御型またはワイヤレス Android アプリがマイコンと Bluetooth モジュールを使用して、経由でマウントできますさまざまなプローブの取付けを通ってプルームの特性を得るためのスラスターを直面しているモジュラー方法でファラデーやラングミュア遅らせる潜在的なアナライザー (RPA)。また、図 4に示す、型の各種のプラズマパラ メーターの迅速な同時診断用スラスター システムの構成可能な取り付けを可能にすることです。スラスターは単一の列に縦方向に取り付けることができます、テストを迅速に、異なるスラスター システム間の相互作用を避けるために別の後に 1 つ。単一のインスタンスで最大 3 つの異なるモジュール評価の効率化が可能であれば、このように大幅避難中にダウンタイムを削減し、システムを個別にテストする場合それ以外の場合に必要なプロセスを削除済み。その一方で、このシステムは同一の衛星上の束が動作するスラスター アセンブリをテストするための貴重な機会です。スラスターは単一の列に縦方向に取り付けることができます、テストを迅速に、異なるスラスター システム間の相互作用を避けるために別の後に 1 つ。それは、大幅に避難中にダウンタイムを削減し、パージ システムを個別にテストする場合それ以外の場合に必要なプロセスの単一のインスタンスで最大 3 つの異なるモジュール評価に有効であるためにテストされています。

Micropropulsion システム正確にので推力を決定することが重要効率ηeffや特定の衝動などのパラメーターを私sp、従って正確では、依存性の信頼性の高い表現を与える推進剤流量方程式 1 および 2 に示すように、スラスターの異なる端末に供給される電力など様々 な入力パラメーターのスラスターの性能。明示的に、micropropulsion システムの性能評価は、通常様々 な動作パラメーターにシステムから発生する推力の測定を中心に展開します。したがって、システム性能評価は、宇宙環境診断および彼らの信頼性と精度19確保するテストで使用するためにインストールする前に一連の標準に従って校正する必要があります。

Equation 1

Equation 2

典型的なシステムでは、推力測定単位が38テスト環境にインストールする前に、外部力校正が採用しています。しかし、このようなシステムは、校正基準の材料の特性に影響を与える宇宙環境、電気、真空を考慮しないし、熱のダイナミック コースに校正基準の劣化に影響を与えるスラスターの性能評価。図 5に示す無線自動校正ユニットは、他の一方で、スラスターが運用する前に模擬環境におけるシステムの in-situ 校正のためことができます。これはテスト環境の動的な効果のアカウントの測定ステージ上、前のスラスターの発砲システムの急速な再校正できます。システムはまた独立して推力を確認し対称モジュラー null 推力検証ユニットを備えています。それは作動するスラスターは、派生の in situ 解析の運用から与えられた推圧放電条件。全体のプロセスは MATLAB のアプリケーション、ハードウェアの最適化と推進システムの設計に焦点を当てることができますを介して行われます、そのようなシステムのテストを迅速化します。このメソッドの詳細については、次のサブセクションで詳しく説明でしょう。

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Protocol

ここで推力の校正手順と性能評価のためのプロトコル、空間の原データ計測による null 測定と噴煙形状測定を介して独立した推力検証を提案します。

1. 推力校正手順と推力の性能評価

  1. 図 5に示すように、すべてのコンポーネントが商工会議所にインストールされていることを確認します。
  2. 部屋を密閉する前に外部診断ツールの接続をテストします。
  3. 商工会議所をシールするのに統合施設管理を使用します。
  4. ドライ ポンプからカスケード順に真空ポンプをオンに (商工会議所 1 に到達するまで Pa)、ターボ分子ポンプ (5 〜 10-4 Pa x それまで)、し、極低温ポンプ。
    メモ: 型は左下の高真空ポンプに (< 〜 10-5 Pa) 空間環境をシミュレートします。プロトコルはここで一時停止することができます。
  5. 商工会議所で無線のトランスポンダーとデバイスを同期に開発されたアプリを使用します。トランスポンダーの光-発光ダイオード (LED) の点滅が止まります同期プロセスは完了します。
  6. 目的の掃除を取得すると、レーザー変位センサーを基準としての読書 (アナログ電圧) が初期を取る。
  7. 開発したアプリを使用して、トリガー quadfilar ステージ上で力変換用 (銅のループの正確に知られており、校正の質量) の重量の低下します。
    注: 各銅線の質量は、使用されている quadfilar の段階の目的の感度に依存します。この場合、各銅線の質量の拡張校正体制の 100 mg と 10 mg 細かい校正体制の順であった。詳細については、代表的な結果を参照してください。
  8. レコード質量を完全に下げた後にトリガーされたレーザ変位センサーとその重量から変位 (アナログ電圧) は、水平方向の力に変換されます。
  9. 重みを下げると quadfilar ステージの変位の記録すべてのキャリブレーションの重みを展開するまでのプロセス (手順 1.7 および 1.8) を繰り返します。すべてのウェイト自動的に返されます平衡位置に校正ユニットでスラスターを解雇することができます前に、平衡の位置に到達する quadfilar ステージを許可するシーケンスが完了した後。校正係数を保存 (ファイル|付けて保存|"Factor.txt")。
  10. (MN/V) でキャリブレーション係数が力/電圧グラフの勾配は quadfilar ステージ上インストール システムのキャリブレーション係数は入手する較正曲線を描画します。
  11. スラスターを焼成前に再度レーザー変位センサーからベースラインのアナログ電圧を記録します。
  12. その場でアクティブにするを計算するための MATLAB プログラム式 3 (代表的な結果を参照してください) を使用して瞬時に推力し、1.9 の手順で派生したキャリブレーション係数を入力 (ファイル|オープン|"Factor.txt")。
  13. スラスターを再度発射し、ことができます。社内のデータ収集プログラムを使用してリアルタイムで目的のパラメーターをキャプチャします。
    注: また、統合アプリケーション使用できますそれに応じて、モーターの作動シーケンスとセンサーからのデータ取得の同期中に校正プロセスを完全に自動化します。

2. 独立した推力確認のため測定プロトコルは null します。

  1. まず、平衡位置でスラスターの (レーザー変位センサー) からベースライン (アナログ電圧) 読書を取る。
  2. スラスター コントロール パネルから操作パラメーターを必要な値に切り替えるし、スラスターを発射します。
  3. スラスターを解雇すると、安定させるために quadfilar 振り子の振動を待ちます。
  4. 後、quadfilar は、定常状態に安定させる、重量の低下をトリガーするのに null 計測システム用制御アプリケーションを使用します。レーザ式変位センサーからの測定値を同時にモニターします。重みは、quadfilar 段階は平衡に作動するまで継続的に下げています。
  5. 平衡位置に達すると、作動シーケンスを終了し、平衡に戻る quadfilar システムをもたらすために必要な力を決定します。
  6. 移動から quadfilar ステージを停止するストッパー ブロックをトリガーします。
  7. 計算質量平衡にシステムをプルするために必要な水平力に対応します。

3. 空間の原データのセンシングとプルームの形状測定ロボットの砲塔の駆動

注: スラスターの操作、オペレーターのプルーム特性の特定の場所を取得または自動化されたシーケンスをトリガーに必要な角度を手動でシステムを作動させるために選択可能性があります。

  1. 実験を開始する前に、(型の場合) のように移動ステージでスラスターをマウントします。
  2. ステージが実験中に作動することを防ぐために停止バー メカニズムをアクティブ化します。
  3. 測定プロトコルとサーボをトリガー 0 ° の位置にプローブを作動させるためにモーター。
  4. プローブからの測定を取得します。
    注: インストールされているプローブの種類に応じて測定プロセスは完全な空間プルーム放電のプロファイルを取得するためのプログラマブル順序に従って変更できます。(a) ファラデー プローブがマウントされている場合は、(-30 V のバイアスが継続的に適用されるガード リング) ソース メーターから読書は取られます。(b) ラングミュア プローブがマウントされている場合鋸歯状電圧波形は、プローブおよび I-V 特性が得られるし、解釈。(c) 場合、RPA がマウントされている鋸歯状電圧波形弁別のグリッドに適用および I-V 特性が得られるし、解釈。
  5. プローブ シーケンスが起動され、再度計測を行う、次の角の位置に移動する、マイクロ コント ローラーを使用してサーボ モーターをトリガーします。
  6. データ マトリックスで個別にマーキングされたアレイの測定値を保存します。
  7. 3.5、3.6 完全スイープ 180 ° までの手順を実行すると、プローブが 0 ° に戻されます。
  8. 保存されたデータを分析します。

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Representative Results

推力校正手順と推力性能評価

Quadfilar 推力測定ステージから推力値の評価は 2 段階入って来します。最初の段階は、図 5の右側に示されている自動無線校正ユニットから較正係数を取得です。この校正プロセスで quadfilar ステージをスラスターに添付ファイルとして水平力換算重量の垂直の効果で滑らかなポリテトラフルオロ エチレン バー内結構重みが下がります。高解像度レーザー変位センサー、それに応じて各間隔で変位を測定します。これは図 6に示すように、データ集録アプリケーション経由でオペレーターによって監視され、システムに多数の校正ウェイトを下げてどこシリーズの終わりでキャリブレーション係数が得られました。キャリブレーション係数Sが水平力-変位グラフのベスト フィット直線から得られ、後続の推力は、方程式 3 を使用して計算されます。

Equation 3

Vベースラインはスラスターの発砲の前を読むレーザ変位センサーからのアナログ基準電圧、スラスターの場での操作中に、センサーから測定した電圧は、 Vを測定します。

校正システムの明確な表現を図 7に示します。緑の線と赤丸、例示目的のみと、目のためのガイドとしてだけに注意が必要です。実際には、緑色の線はマウントされたスラスターとを結ぶ罰金マデイラ ポリアミド繊維です。校正の重みが高精度の質量バランスによって慎重に検討されている銅の小さなループと最初 (と大衆の違いで小さい間隔)、細かい校正体制とするを許可するようにそれに応じて調整できます、拡張政権 (より大きい固まりが校正シーケンスの終わりに追加されます)。

図 8に示すように、典型的な力電圧のグラフは直線になるとき校正ユニット、レーザー変位センサーや quadfilar プラットフォームが正しくインストールされています。この場合、プロットは力の広い範囲にわたって 27.65 mN∙V-1推力測定の標準化された設定でキャリブレーション係数 (グラデーション) を生成します。

キャリブレーション係数は、quadfilar のプラットフォームは、quadfilar ワイヤの長さなどいくつかの要因に依存するの感度を変更することによって変更できます。図 8セットアップの感度拡張制度の校正ウェイトに合わせて変更されています。細・粗校正重みが収量はどちらの政権に線形校正印刷に含まれます。

推力測定の場測定のサンプルを図 9に示します。この場合、それはオペレーターが放電が消灯するまで放電電圧に推力の実験の過程で依存性を監視することを示します。推力に及ぼす他の入力パラメーターは、同じ方法で監視できます。

測定ステージを推力、quadfilar を使用して、放電電流印加電圧によって与えられた、さまざまな入力の力で私たちのホール推進機によって生成された推圧を測定することができました。変化は、この情報をEquation 4とEquation 5に関して入力電力を得ることができます。図 10 a、bを示していますどのように推力 4 異なる質量流量の入力電力と。最後に、図 10 の cの異なる質量流量で入力電力に対する効率がプロットされます。結果を示す私たちのスラスターが 100 W、19のほぼ 30 の効率で低流量をもたらしました下入力の権限で動作するように最適化されています。最適化、前にスラスターはやっと 83 W と 5.5 sccm で 20% の効率を達成しました。結果を示す私たちのスラスターが 100 W、19のほぼ 30 の効率で低流量をもたらしました下入力の権限で動作するように最適化されています。これは間違いなく、その効率が 30% 〜 40% と同じようなサイズと入力力の他のホールのスラスターの変化 SPT100 ホールスラに比べてまともな成果です。図 10 dは、イオン電流密度の自動プロットのプロファイルを示しています。

独立した推力検証のため null 測定プロトコル

スラスターを解雇されては、校正ユニット終了に対応する右側のポリアミド線余裕残っています。スラスターの場での操作中に対称 null 単位検証することができますトリガーされます。図 5に示すようにロボットの校正システムと同様の方法で動作する対称 null 単位罰金ポリアミド ワイヤに接続されているミニチュア校正ウェイト システムが低下し、, 推進システムに適用される水平方向の力を作成します。この場合、水平方向の力が平衡に戻るスラスターの操作時に避難されている quadfilar システムをプルする適用されます。このプロセスは、図 11のプロセス進化の概略時間依存に表示されます。スラスターは t で発射される最初 = 0 s、a シリーズのパネルに対応します。Quadfilar ステージ、推進ユニットから水平力の結果として右に転置します。環境は空間シミュレーターで暗くなりますので (b) のスラスターの見かけの動きとステージの動きが見られています。Quadfilar ステージは、振動を停止し、(c) に示すように、平衡の定常変位に到達します。このインスタンスを null システムがトリガーされ、平衡に戻って quadfilar ステージを引っ張って (d) に示すように、ステッピング モーターが作動します。ステッピング モーターは、レーザ変位センサーが舞台は平衡位置に戻って、作動が停止しているを検出ポイントにトリガーされます。測定を撮影し、それに応じてこのシステムからスラスト値を指定します。

空間の原データのセンシングとプルームの形状測定ロボットの砲塔の駆動

モジュラー ロボットの砲塔システムは、プルーム プロファイルのカスタマイズ可能な診断型のアプリもインストールされます。これらのロボットの砲塔も外部のスラスターの軸中心線によると適切なプローブが位置決めモーター駆動ステージにマウントされています。データの転送と受信のための無線のトランスポンダーに接続されているプログラム可能なマイクロ コント ローラーを含むステンレス製筐体のロボットのタレットを構成します。これはシステムに電気的接続を追加することがなくセンサーからデータを受信しながら、外部からのプローブの動きを制御するユーザーをできます。それはまたのラングミュア、ファラデー プローブおよび Rpa を含む複数のプローブ アレイが同じ上にマウントすることができます測定セットアップの迅速な改良により、作動させたタレット マイクロ サーボ モーター モジュール設計によると設定は注目に値する時間の時点で運用要求をします。プルーム形状測定実験装置の模式図を図 12に示します。

スラスターの操作中にオペレーターをプルーム特性特定の位置に図 12に示すような角度にシステムを手動で作動させるために選択することができます。 または自動化されたシーケンスをトリガーすることができます。どのプローブがインストールされている、に応じて測定プロセスは完全な空間プルーム放電のプロファイルを取得するためのプログラマブル順序に従って変えることができます。

このようなシーケンスは、エンジニア リングおよびビームのコリメーション効率的なスラスター操作のためのプロセス最適化に最適プルーム プロファイルの空間視覚化が可能です。作動させたタレットおよびプログラム可能なセンシング システム各時点で、プラズマのパラメーターが派生されプログラマブル システムによって計算された拡散性状の自律的獲得を可能にします。これは簡単な分析と大量の単純なロボットと作動させた自律システムを介してデータの操作などのシステムのテストを促進があります。図 10 d、たとえば、ここで分析対象プラズマ パラメーターは異なる角度位置でイオン電流密度です。放電電力はそれに応じて最大イオン電流密度と半分マキシマで全角の大きさを影響するかを示しています。これらの結果は、高い放電電圧はスラスター パフォーマンスの向上に必ずしもないことを示します。ここより高い電力結果スラスターの望ましくない特性であるプルーム プロファイルの拡大します。これは、いくつかの排気粒子速度スラスター出口の平面に垂直ではない、意図しない方向に推力にして正確な操縦に挑戦を意味します。さらに、プルームからの料金は、ペイロードや宇宙船の他のサブシステムに損傷があります。平行に羽毛を生産するスラスターを最適化するために磁気コイルと陽極で電位差に供給される電流は半分マキシマ (半値幅) 値で満足のフル幅を達成するまで調整できます。プルーム プロファイルの最適化、前にその半値幅は 140 W で 33.1 ° が、それは 23.7 ・ w ・ 110 ° に削減、最適化後これは、プルームより平行光今ことを意味します。

Figure 1
図 1: 電気推進スラスターのテストのための大空間環境ファシリティ。この旗艦設備は、宇宙推進センター シンガポール研究所教育、ナンヤン工科大学にあります。商工会議所の (、) 側面図は、視覚診断テスト システムや、複数真空グレード電気フィード スルーを可能にする通信・制御・ テスト対象システムの診断のための透明の舷窓を示しています。(b) 真空ポンプ。ハッチを読み込み側の部屋の (c) 側のビューを開きます。(d) 診断システムをインストールするオペレーターのスペース シミュレーションの部屋のビュー。J. 林ら、IEEE 論文誌プラズマ科学 46、338 の許可と再版される (2018 年)、j. 林ら、IEEE 論文誌プラズマ科学 46、345 (2018 年)。著作権 2018 IEEE。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 2
図 2: スケール プラズマ宇宙環境シミュレータ (ピコ秒) の背面図です。PSEC は、大容量極低温ポンプを含む六つのポンプ、ターボ分子ポンプ、ドライポンプの合計で構成されます。セットアップには、統合されたスラスター診断も含まれています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 3
図 3: PSEC. のプラズマ診断スイートの概要図の右側には、商工会議所の前面から舷窓から見たシステムの拡大ビューを示しています。視覚診断ポートは、発光分光 (OES) 行われるための手段としても使用されます。商工会議所の外観のように、四重極質量分析計は長期スラスター操作中に商工会議所にスパッタ法による材料の侵食速度を評価する残留ガス分析が備わっています。また、ワイヤレスで制御されたロボットのファラデー プローブ、性能評価を受けているスラスターのプルームのプロファイルを評価する内部マウントも。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 4
図 4: 型に統合されたプラズマ診断スイートの概要。(、) カスタマイズ可能なデザインは、quadfilar の推力性能評価段階とその場で重量調整ユニットと並んで配置ロボット ファラデー プローブ砲塔を示しています。(b) カスタマイズ可能な機能は、最大 3 つの異なるスラスターをマウントし、運用ダウンタイムを減少させ、最大化研究の出力を同時にテストできます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 5
図 5: 対称モジュラー null 推力検証のスケマティック レイアウト ユニット校正システムとは異なり、null 推力検証ユニットはスラスターは推力値の独立的に検証できるように発生を運営しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 6
図 6: データ集録アプリケーション ユーザー インターフェイスです。MATLAB ベースのアプリケーションのユーザー インターフェイスには、推力とリアルタイムでレーザー変位センサーからの電圧を監視するオペレーターことができます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 7
図 7: 校正ユニットロボットのキャリブレーション ユニットは無線オペレーター入力または quadfilar システムのクイック校正用完全自律校正シーケンスを操作できます。設計に関する考慮事項: 外部の影響を最小限に抑える薄型・軽量の文字列と millinewton の重量; を使用します。静的係数の低いバーを使用します。ラインは柔軟「u ループ」を生成する必要があります。キャリブレーション スタンド無線コントロール ユニット、マデイラ モノフィラメント ポリアミド (ナイロン) 繊維 (約 4.0 μ m)、重みとして小さな銅のループ、滑らかなポリテトラフルオロ エチレン バーを使用します。線は、quadfilar 振り子または反射板の中心と一直線にマウントされたスラスターの背面に接続する必要があります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 8
図 8: 典型的な力電圧と修正したセットアップの力電圧グラフ。(、) 力電圧のグラフ。下げ、水平方向の力に変換されている重量の量は、レーザー変位センサー上を読んで対応する電圧に対してプロットされます。(MN/V) でキャリブレーション係数は、データ集録アプリケーション (b) 力/電圧グラフで使用する力/電圧グラフのグラデーションです。応用力へのセットアップの感度は、細・粗校正に対応に増資。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 9
図 9: その場でパフォーマンス評価します。ときに入力パラメーターにリアルタイムで監視する推力性能により、別のソフトウェア プログラムは、放電電圧はこの場合、徐々 に変更されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 10
図 10: スラスター特性評価します。(、 b)推力と 4 つの異なる質量流量の入力電源の機能として特定のパルス。(c) 異なる質量流量で入力電力に対する効率がプロットされます。イオン電流密度 (d) 自動的にプロットされたプロファイル。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 11
図 11: SPC S でホールスラ スターの焼成時の操作で null 推力検証ユニットの進化の時間(、) t = 0 s、ホール推進機は最初発射し、平衡位置から遠ざかります。(b) Quadfilar ステージは、ホール推進機の相対運動によって示すように、右に変位します。(c) Quadfilar ステージは、振動を停止し、平衡定常位置に達する。Null システムがトリガーされ、ステッピング モーター作動を開始します。Null (d) システムが平衡に戻る quadfilar ステージにマウントされているスラスター プルゆっくりとトリガーされます。(e) スラスター平衡位置に達する。Null の測定単位は、ステッピング モーター作動を停止します。測定は取られます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 12
図 12: モジュラー マルチ プローブ砲塔の作動模式。システム全体がワイヤレスで制御され、ファラデー プローブはプローブ モジュールのスナップを介してすぐに置き換えることができます。簡単にツイストの変換およびインストールの BNC タイプのアダプター経由で接続。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 13
図 13: ホール型スラスターの概略図。この図に示した一般的なレイアウトに基づいてさまざまな構成と同様のセットアップは、他のグループで採用されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 14
図 14: 誘導結合プラズマ施設プラズマ ソース アプリケーション センターでの材料合成/宇宙推進センター、シンガポールします。強力なプラズマ システムにより、窒化ホウ素と同様、革新的な高効率の太陽電池のシリコン系材料の合成と現代の小型スラスターの用その他のナノ構造材料。 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

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Discussion

典型的なホール型スラスター44比較的簡単、安い、イオン流束数万 km/s、推圧を提供することの速度を加速する高効率のデバイスが必要の加速衛星および宇宙船工作、向き、位置および姿勢制御と軌道操作寿命の終わりに。衛星とその他の軌道ペイロード スラスター強化ミッション寿命ホールのアプリケーションは軌道変更と複数の衛星の形成/星座飛行を許可する、マルチ ミッション機能を有効にします。構造的に (図 13の回路図を参照)、ホール推進機は同軸チャンバ 1 つの側面に設置された陽極と陰極の出口の近くに配置します。簡単にイオンが比較的重い、Xe ガスは、ヨウ素など他の要素は、いくつかのケース45で使用される可能性はまだ通常、推進剤として用いられます。一連のコイルまたは磁石のシステムによって作成される magnetic field を保証室46の中央部の周り現在、電子ドリフトしながらイオン流束は陽極と陰極の間設定されている電界によって加速されます。この電子ドリフト電流により高効率イオン化中性ガスのと同時に、肯定的なイオン濃度変化の補償を提供します。

その設計は、特に形状と電極の構成と、磁場と加速チャネル、陽極で発光の挿入に使用される材料のパラメーターに大きく依存する電気推進スラスターの効率、陰極。そのような方法でスラスターの磁場のトポロジーを構成ことができますたとえば、する最大磁場強度の場所したがって、イオン化ゾーン プッシュされますさらに下流チャネル出口近くしたがって、相互影響を低減と高エネルギー イオンとチャネルの47 をを壁します。チャネルの壁と壁材料交換をより現実的に作る壁材料特性依存性の侵食速度が少なくなり。ホール型スラスターの有効期間は、特にプラズマに接触しているものは、そのコンポーネントに使用される材料に非常に依存します。今後、新規材料、装置、その合成する手法やテスト48,49はホール型スラスターの有効期間をさらに改善するために必要です。

材料は、主に強力な非常に適応、効率的な誘導結合プラズマ施設 (図 14)50,51を使用して型/SPC ラボで合成されます。新規材料のスペクトルが含まれますが、グラフェンを含む窒化ホウ素と同様、革新的な高効率の太陽電池ウェーハのシリコン ベースに限定されないナノ構造52,53, メタマテリアル54 、55とな発達とスラスター56,57のキーのパラメーターの最適化のための使用する現代の小型スラスターの用その他のナノ構造材料。その他の利用可能な機器などアークの静電容量結合プラズマ システム、材料58の高度なプラズマ治療のため。確かに、スラスター パラメーターの大幅な強化は、高度な検査、設計、材料およびシミュレーション最適化テクニック59,60の実施を通じて達成される可能性が。さらに、材料と材料システムのアプリケーションに向けて、例えば、熱転送61、摩耗抵抗62、効率的なアプローチを確保できる、小型化効率の寿命に関連する他の問題スペース スラスター。プラズマ ベースの材料機能有効にする、テストの合成と応用、スラスターの最も先進的な材料設計63中。確かに、それは既に実証されている物質とエネルギーの非常に精力的なフラックスを含むプラズマが有効な技術面64,65の効率的な活性化は、したがって、制御、自己組織化、核66,,6768と最先端材料69,70,の創出につながる高度な他表面ベースのプロセス 71。カーボンナノウォール、カーボンナノ チューブやグラフェンの垂直方向配列など炭素を含む材料が発光材料72,電子電気推進スラスターのアプリケーションで非常に有望である可能性があります、73,74と有望な加速チャンネルと放電室75の壁材。

プラズマ製多層コア-シェルと多孔質材料76 77電気推進システムのさまざまな部分でのアプリケーションを見つけることができるも。78金属単一壁炭素ナノチューブの合成における構造制御とプラズマに対応した触媒無料79機械的に書かれた Si の機能上の単層カーボンナノ チューブ成長もプラズマ駆動プロセス80で可能です。

要約すると、我々 はテストして小型宇宙推進システムを最適化するためのプロトコルを提案しました。洗練されたデザインの多様な機器、大型真空チャンバーやポンプのプラットフォームで強力なさまざまな診断複合体に近い条件下での微小推進スラスターの正確な有益な特性を実行に使用されました。オープン スペースが見つかりました。優秀な人材、適切なシミュレーションおよび理論的なサポート micropropulsion デザインと着々 と技術を保つために重要な鍵とも。新規材料の開発供給システムの全体のセットされた小型衛星および CubeSats を含む近代的な電気推進システムのパフォーマンス特性の向上において飛躍的な成長を確保することが第 2 の主要因であります。周辺機器、ツール、およびペイロード。

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Disclosures

著者は金融やその他の利害を宣言しません。

Acknowledgments

ナノテクノロジー (アメリカ) の部品 OSTIn-SRP/EDB、国立研究財団 (シンガポール)、学術研究基金 AcRF 層 1 RP 6/16 (シンガポール)、およびジョージ ・ ワシントン研究所でこの仕事を受けました。I. l. では、学校の化学、物理学、機械工学、科学と工学部、クイーンズランド工科大学からの支援を認めています。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Arduino Microcontroller Arduino Arduino Uno Rev 3
Bluetooth communication device SG Botic WIR-02471
Cryogenic Pump ULVAC CRYO-U12HLE 
Digital Oscilloscope Yokogawa DLM 2054
Dry Pump Agilent Triscroll-600
High resolution laser displacement sensor Micro-Epsilon optoNCDT ILD-1420-50
Mass Flow Controller MKS MKS M100B
Optical Emission Spectrometer Avantes AvaSpec-ULS2048XL-EVO
Servo Motor Tower Pro Servo Motor SG90
Stepper Motor Oriental Motor PKP213D05A
Turbomolecular Pump Pfeiffer ATH-500M

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工学問題 144、電気推進、テスト、ホール推進機、宇宙技術、放電、技術
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