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Engineering

Otimização, teste e diagnóstico dos propulsores miniaturizados Hall

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

Aqui, apresentamos um protocolo para testar e otimizar sistemas de propulsão espacial baseados em propulsores de Hall-tipo miniaturizados.

Abstract

Satélites e naves espaciais miniaturizados requerem inteligentes, altamente eficientes e duráveis baixa propulsão propulsores, capazes de operação estendida, confiável, sem atendimento e ajuste. Os propulsores termoquímicos que utilizam propriedades termodinâmicas de gases como um meio de aceleração tem limitações físicas na sua velocidade de gás de exaustão, resultando em baixa eficiência. Além disso, estes motores demonstram extremamente baixa eficiência em pequenas pressões e podem ser inadequados para continuamente os sistemas operacionais que oferecem controle adaptável em tempo real da orientação espacial, velocidade e posição. Em contraste, sistemas de propulsão elétrica que utilizam campos eletromagnéticos para acelerar gases ionizados (i.e., plasmas) não têm qualquer limitação física em termos de velocidade de exaustão, permitindo que virtualmente qualquer massa eficiência e impulso específico. Propulsores de baixa propulsão Hall tem um tempo de vida de vários milhares de horas. Suas escalas de tensão de descarga entre 100 e 300 V, operando com uma potência nominal de < 1 kW. Eles variam de 20 a 100 mm de tamanho. Propulsores de grande Hall podem fornecer frações de millinewton de empuxo. Ao longo das últimas décadas, tem havido um crescente interesse em massa pequena, de baixa potência e sistemas de propulsão de alta eficiência para satélites de movimentação de 50-200 kg. Neste trabalho, vamos demonstrar como construir, testar e otimizar um pequeno (30 mm) dos propulsores de Hall capaz de impulsionar um satélite pequeno, pesando aproximadamente 50 kg. Vamos mostrar o propulsor operando em um simulador de ambiente de grande espaço e descrever como o empuxo é medido e parâmetros elétricos, incluindo características de plasma, são recolhidos e tratados para avaliar parâmetros chave propulsor. Também demonstraremos como o propulsor é otimizado para torná-lo um dos propulsores pequenos mais eficientes já construídos. Iremos também abordar os desafios e oportunidades apresentadas pelos novos materiais de propulsor.

Introduction

Renovou o interesse na indústria espacial em parte tem sido catalisado por sistemas de propulsão elétrica altamente eficiente que recursos de missão entregar reforçada no lançamento cada vez mais reduzido custo1,2,3. Muitos tipos diferentes de dispositivos de propulsão elétrica espaço recentemente têm sido propostos e testados4,5,6,7,8 suportados pelo interesse atual no espaço exploração de9,10. Entre eles, íon quadriculado11,12 e de13,de propulsores de Hall-tipo14 são de principal interesse devido à sua capacidade para alcançar eficiência muito elevada, de cerca de 80%, superior de qualquer produto químico de impulso, incluindo os sistemas mais eficientes de oxigênio-hidrogênio, a eficiência do que é limitada a cerca de 5000 m/s pela entidade física leis15,16,17,18.

Abrangente e confiável testes de propulsores miniaturizados espaço normalmente requer um grande complexo de instalações de teste que inclui câmaras de ensaio, instrumentos de controle e diagnóstico, instalações de vácuo (bombas), um sistema para medição dos parâmetros do plasma 19e uma vasta gama de equipamentos auxiliares que sustentam o funcionamento do propulsor, como um sistema de abastecimento de energia elétrica, unidade de alimentação de combustível, pressão carrinho de medição e muitos outros20,21. Além disso, um propulsor de propulsão espacial típico consiste de várias unidades separadamente, influenciar a eficiência e vida útil de todo o sistema de pressão e portanto, poderia ser testada separadamente e como parte do propulsor montagem22, 23. Significativamente, isto complica procedimentos de teste e implica teste longos períodos24,25. Fiabilidade de cátodo unidade de um propulsor, bem como o funcionamento dos propulsores quando propelentes diferentes são usados também requer consideração especial26,27.

Para quantificar o desempenho de um sistema de propulsão elétrica e para se qualificar módulos para implantação operacional em missões espaciais, terra testando instalações que permitem a simulação do espaço realista ambientes são necessários para testes de propulsão multi-escala unidades28,29,30. Um exemplo de tal sistema é uma câmara de simulação de ambiente de grande escala espaço localizada no espaço propulsão centro-Singapore (SPC-S, Figura 1a, b)31. Ao desenvolver um ambiente de simulação tão, as seguintes considerações primárias e secundárias precisam ser tomadas em conta. Principais preocupações são que o ambiente do espaço assim criado deve com precisão e confiabilidade simular um ambiente de espaço realista, e os sistemas de diagnósticos embutido devem fornecer diagnósticos precisos e exatos durante avaliação de desempenho de um sistema. Preocupações secundárias são que os ambientes simulados espaço devem ser altamente personalizáveis para permitir a rápida instalação e testes de propulsão diferente e módulos de diagnósticos e o ambiente devem ser capaz de acomodar alto throughput testes para otimizar descarga e condições operacionais de várias unidades simultaneamente.

Simuladores de ambiente do espaço e instalações de bombeamento

Aqui, podemos ilustrar duas simulação instalações no SPC-S que foram implementadas para teste de sistemas de propulsão elétrica miniaturizados, módulos, bem como integrados. Estas duas instalações são de diferentes escalas e principalmente, têm diferentes papéis no processo de avaliação de desempenho, conforme descrito abaixo.

Câmara de atuação plasma grande espaço (PSAC)

O PSAC tem dimensões de 4,75 m (comprimento) x 2,3 m (diâmetro) e tem um vácuo bombeamento suite que é composto por inúmeras bombas de alta capacidade, trabalhando em conjunto. É capaz de atingir uma base pressão inferior a 10-6 PA. Tem um vácuo leitura e bomba de ativação/purge sistema integrado para evacuação e purga da câmara. É equipado com numerosas flanges personalizáveis, feedthroughs elétricos e vigias diagnósticos visuais para fornecer instalações de teste de linha. Isto, juntamente com um conjunto completo de capacidades de diagnóstico, montado internamente, permite que rapidamente sejam modificadas para diagnóstico multimodal. A escala do PSAC também permite testes de módulos completamente integrados para aplicações em um ambiente simulado.

PSAC é a SPC-S emblemático espaço simulação a protecção do ambiente (Figura 1 c, d). Sua dimensão permite testes de módulos completos de até do alguns U montagem num palco de quadfilar. A vantagem desse método seria a visualização em tempo real de como os módulos de propulsão como montado em diferentes cargas podem influenciar in-situ manobras de cargas no espaço. Isso é simulado através da montagem e suspensão da carga inteira em um proprietário quadfilar plataforma de medição de pressão. O propulsor em seguida pode ser despedido, e a plataforma suspensa com o propulsor e a carga seria testada de acordo com as condições do espaço. Matérias-primas de gás propelente que entram no ambiente de teste através dos módulos de propulsão elétrica são bombeados para fora eficientemente pela suíte de vácuo para assegurar que pressão global da câmara não é alterada, assim, manter um ambiente de espaço realista32 ,33,34. Além disso, sistemas de propulsão elétrica normalmente envolvem a produção de TVs de plasma e exploram a manipulação de trajetórias de partículas carregadas, saindo do sistema a fim de gerar empuxo35. Em ambientes menores de simulação, o acúmulo das bainhas de carga ou plasma na parede pode afetar o desempenho de descarga através de interações de plasma-parede devido à sua proximidade com o sistema de propulsão, especialmente para micropropulsion onde típico axiais os valores são da ordem de millinewtons. Portanto, a ênfase e atenção especial devem ser feitas para contabilizar e marginalizar as contribuições de tais fatores de36. Tamanho grande do PSAC minimiza as interações de plasma-parede, tornando-os insignificantes, dando uma representação mais precisa dos parâmetros de descarga e permitindo o monitoramento de perfis de pluma em módulos de propulsão elétrica. O PSAC é normalmente usado no módulo completo de avaliação e sistemas de integração/processos de otimização que permite a tradução rápida de protótipos dos propulsores em sistemas operacionalmente prontos para teste em preparação para a qualificação do espaço à terra.

Simulador de ambiente dimensionado plasma espacial (PSEC)

O PSEC tem dimensões de 65 cm x 40 cm x 100 cm e tem uma suíte de bombeamento de vácuo que compreende de seis bombas de alta capacidade, trabalhando em conjunto (bomba de vácuo seca, bombas de vácuo turbomolecular e crio). É capaz de atingir uma base pressão inferior a 10-5 Pa, quando todo o sistema de bombeamento está operando (todas as bombas estão em uso). Pressão e propelente fluxos são monitorados em tempo real através de caixas de leitura de fluxo de massa integrada e manômetros. O PSEC é empregada principalmente em testes de resistência dos propulsores. Propulsores são disparados por longos períodos de tempo para avaliar os efeitos de danos de plasma em canais de descarga e na sua vida. Além disso, conforme mostrado na Figura 2, uma rede de controlador de fluxo de gás complexo nesta instalação permite conexão rápida de outros propelentes de matéria-prima para o cátodo e ânodos para testar a compatibilidade dos propulsores com propelentes romance e efeitos da Este último no desempenho dos propulsores. Isto é de maior interesse para grupos de pesquisa trabalhando em "respiram ar" propulsores elétricos utilizando propelentes romance durante a operação.

Instalações de diagnósticos integradas (diagnóstico multimodal)

Diferentes instalações de diagnósticos integradas, equipadas com sistemas automatizados de robóticas integrada (AIRS-µS)19,23, foram desenvolvidas para os dois sistemas em PSEC e PSAC para atender para diagnósticos em diferentes escalas e fins.

Diagnóstico integrado em PSEC

As ferramentas de diagnóstico em PSEC essencialmente dependem de monitoramento em tempo real de descarga por meio de operações estendidas. Sistema de gestão da qualidade monitora gás residual na instalação para espécies de contaminante que surgem a partir de material que sputtering durante uma descarga. Estes vestígios são quantitativamente monitorados ao longo do tempo para avaliar as taxas de erosão do canal de descarga e eletrodos do propulsor para estimar o tempo de vida do propulsor. O espectrômetro de emissão óptica (OES) complementa este procedimento ao monitoramento de linhas espectrais correspondentes a transições electrónicas de espécies contaminantes devido à erosão, tais como o cobre de eletrônica. OES também permite diagnóstico não-invasivo de plasma e monitoramento ativo do perfil de pluma que avalia qualitativamente o desempenho do propulsor. Finalmente, uma sonda de Faraday robótica que pode ser controlada remotamente, ou definida para o modo totalmente autónomo, é usada para derivar varreduras rápidas do perfil pluma para otimizar a colimação do feixe através de variáveis parametricamente condições de descarga (Figura 3).

Diagnóstico integrado no PSAC

O luxo do espaço físico no PSAC permite a instalação de vários sistemas de propulsão em vários locais, devido ao seu design modular, permitindo a instalação de plug-e-jogo-como para diagnósticos diversos simultaneamente. A Figura 4 mostra a seção transversal interna do PSAC em várias configurações, com a plataforma de medição de empuxo quadfilar totalmente suspenso sendo sua fixação mais notável e permanente. Sistemas de torre, controlada de forma autônoma ou sem fio através de apps Android utilizando microcontroladores e módulos Bluetooth, podem ser montados de forma modular, enfrentando o propulsor para obter as características da pluma através da instalação de várias sondas como Faraday, Langmuir e retardando o potencial Analyzer (RPA). Também é mostrado na Figura 4 é a capacidade do PSAC para permitir a montagem configurável de sistemas propulsores para diagnóstico rápido de simultâneo de vários parâmetros do plasma. Os propulsores podem ser montados verticalmente em uma única coluna e testaram rapidamente, um após o outro para evitar interações entre os sistemas diferentes dos propulsores. Verificou-se que é possível, significativamente reduzindo assim o tempo de inatividade durante a evacuação e purga processos necessários caso contrário ao testar sistemas individualmente eficiente avaliação de até 3 módulos diferentes em uma única instância. Por outro lado, este sistema é uma valiosa oportunidade para testar os assemblies de propulsor que devem operar em um monte, no mesmo satélite. Os propulsores podem ser montados verticalmente em uma única coluna e testaram rapidamente, um após o outro para evitar interações entre os sistemas diferentes dos propulsores. Ele foi testado para ser eficaz na avaliação de até 3 módulos diferentes em uma única instância, significativamente reduzindo o tempo de inatividade durante a evacuação e purgação processos necessários, caso contrário, quando sistemas de teste individualmente.

É vital para determinar o teor em micropropulsion sistemas com precisão então que parâmetros tais como a eficiência, ηFEP e o impulso específico eusp, são precisos, assim, dando uma representação confiável da dependência de desempenho dos propulsores em vários parâmetros de entrada como o fluxo de combustível e energia fornecida aos terminais diferentes dos propulsores, conforme mostrado nas equações 1 e 2. Explicitamente, avaliação de desempenho dos sistemas de micropropulsion normalmente gira em torno da medição da pressão gerada a partir do sistema em vários parâmetros de funcionamento. Portanto, sistemas de avaliação de desempenho precisam ser calibrado de acordo com um conjunto de normas, antes de ser instalado no ambiente do espaço para uso em diagnóstico e testes para garantir a sua fiabilidade e precisão19.

Equation 1

Equation 2

Típicos sistemas empregam força calibração externamente antes de unidades de medida de pressão são instaladas para o ambiente de teste38. No entanto, esses sistemas não conta para os ambientes de espaço que afetam as propriedades materiais dos padrões de calibração e de vácuo elétrico, e térmica influencia sobre a degradação dos padrões calibrados no curso dinâmico de avaliação de desempenho dos propulsores. A unidade de calibração automática de sem fios mostrada na Figura 5, por outro lado, permite calibração in-situ do sistema no ambiente simulado antes o propulsor está operacional. Isto explica os efeitos dinâmicos do ambiente de teste na fase de medição e permite a rápida re-calibração do sistema antes da queima dos propulsores. O sistema também possui uma unidade de verificação de empuxo nulo modular simétrica que verifica o impulso de forma independente. É operado enquanto o propulsor está operacional para análise in situ da derivada condições de descarga de impulsos de determinado. Todo o processo é feito via MATLAB apps, permitindo que os usuários se concentrar na otimização de hardware e design de sistemas de propulsão e acelera a testes de tais sistemas. Detalhes deste método seriam elaborados na subseção seguinte.

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Protocol

Aqui apresentamos os protocolos para a avaliação de desempenho e procedimento de calibração do impulso, impulso independente verificação via nula profilometry medição e pluma através da detecção de dados espaciais no local.

1. avaliação de desempenho de processo e impulso de calibração de pressão

  1. Certifique-se de que todos os componentes são instalados na câmara, como mostrado na Figura 5.
  2. Teste a conectividade das ferramentas de diagnóstico externamente antes de selar a câmara.
  3. Use o controle da usina integrada para selar a câmara.
  4. Ligar as bombas de vácuo em ordem em cascata a partir as bombas secas (até a câmara atinge 1 Pa), turbo-molecular bombas (até atingir ~ 5 x 10-4 Pa) e então as bombas criogênicas.
    Nota: PSAC é deixado a bomba para alto vácuo (< ~ 10-5 Pa) para simular o ambiente espacial. O protocolo pode ser pausado aqui.
  5. Use os apps desenvolvidos para sincronizar os dispositivos com o transmissor sem fio na câmara. O processo de sincronização está completo quando o diodo emissor de luz (LED) o transponder para de piscar.
  6. Uma vez que foi obtido o vácuo desejado, leve uma leitura inicial (tensão analógica) do sensor de deslocamento do laser como uma linha de base.
  7. Use o aplicativo desenvolvido para acionar a redução de peso (uma massa precisamente conhecida e calibrado de cobre) para tradução de força na fase quadfilar.
    Nota: A massa de cada loop cobre depende a sensibilidade pretendida da fase quadfilar sendo usado. Neste caso, a massa de cada loop de cobre foi na ordem de 100 mg para o regime de calibração estendida e 10 mg para o regime de calibração fina. Veja os resultados representativos para obter mais informações.
  8. Recorde o deslocamento (tensão analógica) a partir do sensor de deslocamento do laser, quando ele é acionado depois que a massa é totalmente abaixada e seu peso é traduzido em uma força horizontal.
  9. Repita o processo (as etapas 1.7 e 1.8), de diminuir os pesos e gravação do deslocamento da fase quadfilar, até que todos os pesos de calibrações são expandidos. Todos os pesos automaticamente retornará à posição de equilíbrio pela unidade de calibração após a sequência é concluída para permitir que a fase de quadfilar alcançar uma posição de equilíbrio antes dos propulsores podem ser demitido. Salvar o fator de calibração ( arquivo | Salve como | "Factor.txt").
  10. Desenhe uma curva de calibração para obter o fator de calibração para o sistema instalado na fase de quadfilar, onde o fator de calibração (em mN/V) é o gradiente do gráfico força/tensão.
  11. Grave uma tensão analógica de linha de base do sensor de deslocamento a laser novamente antes de disparar o propulsor.
  12. Ativar o in-situ programa MATLAB para calcular empuxo instantaneamente através da equação 3 (veja os resultados representativos) e o fator de calibração derivado na etapa 1.9 de entrada ( arquivo | Aberto | "Factor.txt").
  13. Os propulsores podem então ser acionados novamente. Capture os parâmetros desejados em tempo real usando o programa de aquisição de dados internos.
    Nota: Como alternativa, um aplicativo integrado pode ser usado para automatizar totalmente o processo de calibração, enquanto sincronizando a sequência de acionamento de motores e aquisição de dados dos sensores em conformidade.

2. protocolo de medição para verificação de propulsão independente de null

  1. Em primeiro lugar, fazer uma leitura de linha de base (tensão analógica) (a partir do sensor de deslocamento de laser) do propulsor na posição de equilíbrio.
  2. Alternar entre parâmetros operacionais para valores desejados do painel de controle dos propulsores e fogo o propulsor.
  3. Uma vez que o propulsor é acionado, espere que as oscilações no pêndulo quadfilar para estabilizar.
  4. Após o quadfilar estabiliza-se a um estado estacionário, use o aplicativo de controle para o sistema de medição nulo para acionar a descida dos pesos. Leituras do sensor de deslocamento a laser são monitoradas simultaneamente. Os pesos são abaixados continuamente até que a fase de quadfilar é atuada volta ao equilíbrio.
  5. Uma vez que a posição de equilíbrio é atingida, encerrar a sequência de acionamento e determinar a força necessária para trazer o sistema de quadfilar volta ao equilíbrio.
  6. Desencadear um bloco batente para parar o estágio de quadfilar de mover-se.
  7. Calcule a massa correspondente a força horizontal necessária para colocar o sistema no equilíbrio.

3. Acionamento das torretas robóticos para dados espaciais em situ sensoriamento e plume profilometry

Nota: Durante a operação do propulsor, um operador pode optar por acionar o sistema manualmente para ângulos desejados para obter as características de pluma em locais específicos ou acionar uma sequência automatizada.

  1. Monte o propulsor num palco em movimento (como no caso do PSAC) antes de iniciar o experimento.
  2. Ative o mecanismo de paragem-bar para evitar que o palco de actuação durante o experimento.
  3. Acionar o protocolo de medição e servo motor para accionar a sonda para a posição 0°.
  4. Adquira uma medição da sonda.
    Nota: Dependendo do tipo de sondas instaladas, os processos de medição podem ser variados de acordo com a sequência programável para a obtenção de perfis de pluma espacial completa da descarga. (a) se uma sonda de Faraday é montada, uma leitura do medidor fonte for tomada (onde um viés de -30 V continuamente é aplicado para os anéis de guarda). (b) se uma sonda de Langmuir é montada, uma forma de onda dente de serra tensão é fornecida para a sonda e as características-V são obtidas e interpretadas. (c) se um RPA é montado, uma forma de onda dente de serra de tensão é aplicada à grade de discriminação, e as características-V são obtidas e interpretadas.
  5. Acionar o servo motor usando o microcontrolador, para mover para a próxima posição angular, onde a sequência de sonda é acionada para fazer uma medição novamente.
  6. Salve as medições em matrizes marcados individualmente em uma matriz de dados.
  7. Repita os passos de 3.5 e 3.6, até uma completa varredura até 180° foi realizado, e a sonda é trazida de volta para 0°.
  8. Analise os dados salvos.

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Representative Results

Procedimento de calibração de pressão e empuxo de avaliação de desempenho

Avaliação dos valores de pressão desde a fase de medição quadfilar impulso vem em duas fases. A primeira fase é através da obtenção de fatores de calibração da unidade de calibração sem fio automatizado mostrada à direita da Figura 5. Neste processo de calibração, bem pesos são abaixados olhares num bar de politetrafluoroetileno suave que traduz os efeitos verticais de peso em uma força horizontal como anexado para o propulsor na fase quadfilar. Um sensor de deslocamento de laser de alta resolução em seguida mede o deslocamento em cada intervalo em conformidade. Isto é monitorado por um operador através de uma app de aquisição de dados conforme mostrado na Figura 6, e um fator de calibração é obtido no final da série onde numerosos pesos calibrados são abaixados no sistema. O fator de calibração S é obtido a melhor linha de ajuste do gráfico força-deslocamento horizontal, e as linhas subsequentes é calculada utilizando a equação 3:

Equation 3

onde Vlinha de base é a tensão de base analógica do sensor de deslocamento a laser ler antes de disparar o propulsor, e Vmedido é a tensão medida do sensor durante a operação no local do propulsor.

Uma representação mais clara do sistema de calibração é mostrada na Figura 7. É de notar que a linha verde e os círculos vermelhos são apenas para fins ilustrativos e apenas servem como um guia para o olho. Na realidade, a linha verde é uma fibra de poliamida de Madeira bem que liga para o propulsor de montado. Os pesos calibrados são pequenas loops de cobre que foi cuidadosamente pesados por um balanço de massa de alta precisão, e pode ser ajustados em conformidade para permitir um regime de calibração bem inicialmente (com intervalos menores na diferença entre massas) e de um regime estendido (onde maiores massas são adicionadas no final da sequência de calibração).

Um gráfico típico força tensão produzirá uma linha reta, conforme mostrado na Figura 8 quando a unidade de calibração, plataforma de sensor e quadfilar de deslocamento do laser são devidamente instalado. Neste caso, o enredo produz um fator de calibração (gradiente) de 27.65 mN∙V-1 em um conjunto padronizado acima para medições de pressão sobre uma ampla gama de forças.

O fator de calibração pode ser alterado modificando-se a sensibilidade da plataforma quadfilar, que depende de vários fatores tais como o comprimento dos fios quadfilar. Na Figura 8, a sensibilidade da instalação foi modificada para caber em pesos de calibração para regimes estendidos. Os dois pesos de calibração finas e grossas são incluídos para render uma trama de calibração que é linear em ambos os regimes.

Uma amostra das medições in situ para o impulso medido é mostrada na Figura 9. Neste caso, ele mostra como um operador é capaz de monitorar a dependência de impulso de tensão de descarga durante o curso do experimento até a descarga está extinta. Efeitos de outros parâmetros de entrada sobre o empuxo também podem ser monitorados da mesma forma.

Usar o quadfilar fase de medição de pressão, fomos capazes de medir o impulso de nosso propulsor de salão em várias potências de entrada, dada pela tensão aplicada e atual de descarga. Através desta informação, a variação de Equation 4 e Equation 5 em relação ao poder de entrada podem ser obtidos. Figura 10a,b mostra como o empuxo e variam de acordo com a potência de entrada em 4 diferentes caudais mássicos. Finalmente, a eficiência é plotada contra a entrada de alimentação em diferentes caudais mássicos na Figura 10 c. Os resultados mostram que nosso propulsor foi otimizado para trabalhar na entrada potências abaixo de 100 W, onde taxas de fluxo baixas resultaram em eficiências de quase 30%19. Antes da otimização, o propulsor dificilmente atingido 20% de eficiência em 83 W e 5,5 sccm. Os resultados mostram que nosso propulsor foi otimizado para trabalhar na entrada potências abaixo de 100 W, onde taxas de fluxo baixas resultaram em eficiências de quase 30%19. Este é sem dúvida uma realização decente em comparação com o propulsor SPT100 Hall, cuja eficiência varia entre 30% a 40% e outros propulsores de Hall de entrada poderes e tamanhos semelhantes. Figura 10 d ilustra o perfil automaticamente plotado de densidade de corrente do íon.

Protocolo de medição nulo para verificação de propulsão independente

Enquanto o propulsor está sendo demitido, o fio de poliamida no lado direito, correspondente ao fim de unidade de calibração é deixado frouxo. Durante a operação no local do propulsor, então pode ser acionada a unidade de verificação de medida nula simétrica. A unidade de medida nula simétrica Opera de forma semelhante ao sistema robótico de calibração mostrada na Figura 5; os pesos de calibração em miniatura anexados a um fio fino de poliamida são abaixados no sistema e criar uma força horizontal aplicada ao sistema de propulsão. Neste caso, a força horizontal é aplicada para puxar o sistema quadfilar, que foi deslocado durante operação do propulsor de volta ao equilíbrio. Este processo é mostrado no tempo-dependente esquemático da evolução do processo na Figura 11. Primeiro, o propulsor é acionado em t = 0 s, o que corresponde ao painel (um) na série. O estágio de quadfilar então desloca para a direita como resultado da força horizontal da unidade de propulsão. Desde que o ambiente é escurecido no simulador espacial, o movimento do palco é visto como o movimento aparente do propulsor em (b). O estágio de quadfilar em seguida, para de oscilação e atinge um deslocamento de estado constante de equilíbrio, como mostrado em (c). No caso vertente, o sistema nulo é acionado e o motor de passo é ativado para puxar o palco quadfilar volta ao equilíbrio, como mostrado em (d). O motor de passo é disparado a um ponto onde o sensor de deslocamento do laser detecta que o palco está de volta à posição de equilíbrio e a atuação é interrompida. Uma medição é então levada, e o impulso deste sistema fornecido em conformidade.

Acionamento das torretas robóticos para dados espaciais em situ sensoriamento e plume profilometry

Sistemas modulares robóticos torre também são instalados em PSAC e PSEC para diagnósticos personalizáveis de perfis de pluma. Estas torres robóticos também são montadas no motor estágios atuados por sonda adequada posicionamento de acordo com a linha central axial dos propulsores externamente. As torretas robóticas compõem por compartimentos blindados de aço inoxidável contendo microcontroladores programáveis anexado para repetidores sem fio para recepção e transmissão de dados. Isso também permite aos usuários controlar o movimento da sonda externamente, ao receber dados dos sensores sem ligações eléctricas adicionais ao sistema. Também é interessante notar que o design modular do micro-servo motor atuada torre permite rápido refinamento da instalação de medição que permite múltiplas matrizes de sonda, incluindo Langmuir, sonda de Faraday e RPAs ser montado sobre o mesmo configurado de acordo com exigências operacionais no ponto de tempo. A Figura 12 mostra uma ilustração esquemática da instalação experimental para plume profilometry.

Durante a operação do propulsor, um operador pode escolher a accionar manualmente o sistema de ângulos desejados como ilustrado na Figura 12 , para obter as características de pluma em locais específicos, ou pode ser desencadeada uma sequência automatizada. Dependendo de quais sondas são instaladas, os processos de medição podem ser variados de acordo com a sequência programável para a obtenção de perfis de pluma espacial completa da descarga.

Tal sequência permite rápida visualização espacial do perfil pluma que ajuda otimizar engenharia e otimização de processos em permitindo a colimação de feixe para a operação eficiente dos propulsores. Atuada torres e sistemas de sensoriamento programáveis permitem aquisição autónoma das características de pluma em cada ponto, onde os parâmetros do plasma podem ser derivados e calculados através de sistemas programáveis. Isso pode agilizar o teste desses sistemas com facilitar a análise e manipulação de grandes quantidades de dados através de sistemas autônomos robóticos e atuados simples. Na Figura 10 d, por exemplo, o parâmetro de plasma sendo analisado aqui é a densidade de corrente de íons em diferentes posições angulares. Ele mostra como o poder de descarga influencia a magnitude da densidade de corrente do íon de pico e a largura total no maxima metade em conformidade. Esses resultados mostram que umas mais altas tensões de descarga não se traduzem necessariamente a um melhor desempenho do propulsor. Aqui, poder superior resulta no alargamento do perfil pluma que é uma característica indesejável de um propulsor. Isto significa que algumas das partículas de exaustão têm velocidades que não são perpendiculares ao plano de saída do propulsor, resultando em um impulso no sentido de não intencional e precisos a fazer manobras desafiando. Além disso, as acusações da plume podem danificar a carga ou outros subsistemas na nave espacial. Para otimizar o propulsor para produzir uma nuvem mais colimada, a corrente fornecida para as bobinas magnéticas e a queda de potencial no ânodo pode ser ajustada até uma largura total satisfatória no valor de metade maxima (FWHM) tenha sido alcançada. Antes da otimização do perfil de pluma, seu FWHM era 33,1 ° 140 W, mas após a otimização, reduziu a 23,7 ° a 110 w. Isto implica que a pluma mais agora é colimada.

Figure 1
Figura 1 : Instalação de ambiente grande espaço para testes de motores de propulsão elétrica. Esta facilidade principal está localizada no espaço propulsão centro de Singapura, Instituto Nacional de educação, Universidade Tecnológica de Nanyang. (a) vista lateral da câmara ilustra transparentes vigias para diagnóstico visual de sistemas de teste e os Múltiplo grau de vácuo elétrica alimentação-throughs que permitem a comunicação, controle e diagnósticos de sistemas em teste. bombas de vácuo (b). (c) vista lateral da câmara com um lado carregando a escotilha aberta. (d) vista da câmara de simulação do espaço com um operador de instalação de sistemas de diagnósticos. Reimpresso com permissão de J. Lim et al., IEEE trans. Plasma Sci. 46, 338 (2018) e J. Lim et al, IEEE trans. Plasma Sci. 46, 345 (2018). Copyright 2018 IEEE. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2 : Vista de um simulador de ambiente dimensionado plasma espacial (PSEC) traseira. PSEC compreende um total de 6 bombas, incluindo as bombas criogênicas de alta capacidade, molecular turbo bombas e bombas de seca. A instalação também contém o diagnóstico integrado dos propulsores. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3 : Visão geral de um conjunto de diagnósticos do plasma na PSEC. Lado direito da figura ilustra uma visão ampliada dos sistemas como visualizado a partir o vidro da frente da câmara. A porta de diagnóstico visual também serve como uma avenida para espectroscopia de emissão óptica (OES) para ser feito. Como mostrado na exibição exterior da câmara, um espectrômetro de massa quadropole é equipado para análise de gás residual para avaliar as taxas de erosão do material devido a pulverização catódica na câmara durante a operação prolongada dos propulsores. Além disso, sondas de Faraday robóticas controladas sem fio também são montadas internamente para avaliar perfis de pluma dos propulsores submetidos à avaliação de desempenho. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4 : Visão geral da suíte de diagnóstico integrado de plasma no PSAC. (um) customizável design mostra uma torre de sonda robótica Faraday colocada ao lado de uma fase de avaliação de desempenho de quadfilar de pressão e uma unidade de calibração de peso in situ. (b) customizável recursos que permitem até três propulsores diferentes ser montado e testado em simultâneo, reduzindo tempo de inatividade operacional e maximização de pesquisa de saída. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5 : Layout esquemático da verificação de empuxo nulo modular simétrica unidade Ao contrário do sistema de calibração, a unidade de verificação de empuxo nulo é operada enquanto o propulsor é acionado para permitir a verificação independente dos valores de pressão obtidos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6 : Interface de usuário de app de aquisição de dados. A interface do usuário do aplicativo baseado em MATLAB permite ao operador monitorar o impulso e tensão de leitura do sensor de deslocamento a laser em tempo real. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7 : Unidade de calibração Uma unidade de calibração robótico pode ser operada por uma entrada do operador sem fios, ou através de sequências de calibração totalmente autónoma para calibração rápida de um sistema de quadfilar. Considerações de design: minimizar a influência externa; usar pesos de sequência de caracteres e millinewton fina, de pouco peso; Use a barra de baixo coeficiente estático; linha deve ser flexível o suficiente para produzir "u-laço". Para o stand da calibração, use a unidade de controle sem fio, fibra de poliamida (nylon) de monofilamento de Madeira fina (cerca de 4,0 µm), pequenas loops de cobre como pesos e um bar de politetrafluoroetileno suave. Linha deve ser anexada à traseira do propulsor montado na quadfilar pêndulo ou alinhado com o centro do prato refletor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8 : Típica força-tensão e força tensão gráficos para configuração modificada. (um) força tensão gráfico. A quantidade de peso que foi baixada e traduzido em uma força horizontal é plotada contra a tensão correspondente a ler sobre o sensor de deslocamento do laser. O fator de calibração (em mN/V) é o gradiente do gráfico força/tensão que será usado no gráfico de força/tensão da App. (b) aquisição de dados. A sensibilidade da instalação para a força aplicada foi aumentada para acomodar para calibração de fina e grossa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9 : Avaliação de desempenho in situ. Outro programa de software permite que o impulso de desempenho a ser monitorado em tempo real quando um parâmetro de entrada, neste caso, a tensão de descarga mudou gradualmente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 10
Figura 10 : Avaliação das características do propulsor. (a, b) Impulso e pulso específico como as funções de entrada de alimentação em quatro diferentes caudais mássicos. (c) eficiência plotada contra a entrada de alimentação em taxas de fluxo de massa diferentes. (d) o automaticamente plotados perfil de densidade de corrente do íon. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 11
Figura 11 : Tempo de evolução da unidade de verificação de empuxo nulo em operação durante a queima de um propulsor de Hall no SPC-S. (um) t = 0 s, onde os propulsores de Hall é o primeiro demitido e se afasta da posição de equilíbrio. (b) Quadfilar estágio desloca para a direita, como mostrado pelo movimento relativo do propulsor do Hall. (c) Quadfilar estágio para de oscilação e atinge uma posição de estado estacionário de equilíbrio. Sistema nulo é acionado e começa a atuação de motor deslizante. (d) Null sistema é acionado para lentamente puxar o propulsor montado no palco quadfilar volta ao equilíbrio. (e) propulsor atinge uma posição de equilíbrio. Unidade de medida nula para o acionamento de motor deslizante. Medida é tomada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 12
Figura 12 : Representação esquemática da atuação da torre modular sonda multi. Todo o sistema é controlado sem fio, e sonda de Faraday pode ser substituída rapidamente por meio de encaixe em um módulo de sonda diferentes. As conexões são feitas através de adaptadores do tipo BNC para fácil torcer-em conversão e instalação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 13
Figura 13 : Os esquemas de um propulsor do tipo Hall. Configurações semelhantes com variadas configurações baseadas em um layout generalizado apresentado nesta figura também têm sido empregadas por outros grupos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 14
Figura 14 : Acoplado indutivamente Plasma facilidade para síntese de novos materiais no centro de aplicação de fontes de Plasma / espaço centro de propulsão, Singapore. Um sistema de plasma poderoso permite a síntese de materiais baseados em silício para inovadoras, altamente eficientes células solares, bem como o nitreto de boro e outros materiais nanoestruturados para aplicações nos modernos propulsores miniaturizados.  Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Typical Hall-tipo propulsores44 são relativamente simples, barato e altamente eficientes dispositivos que poderiam acelerar um fluxo de iões para as velocidades de várias dezenas de km/s, fornecendo impulso necessário para aceleração de satélites e naves espaciais, bem como para manobras, orientação, posição e controle de atitude e eliminação em órbita no final de sua vida útil de operação. Aplicação de Hall propulsores de satélites e outras cargas orbitais melhorar a vida de missão, permitir transferência orbital e formação/constelação voar de vários satélites e habilitar os recursos multi missão. Estruturalmente (ver esquema na Figura 13), um propulsor de Hall é uma câmara coaxial com um anodo instalado em um lado e um cátodo colocado perto da saída. Gás de Xe relativamente pesado, mas facilmente ionizado, é usado geralmente como um propelente, ainda outros elementos como o iodo podem ser usados em alguns casos,45. Um fluxo do íon é acelerado por um campo eletrostático é definido entre o ânodo e o cátodo, enquanto um campo magnético criado por um conjunto de bobinas ou um sistema de ímãs permanentes garante uma elétron tração atual em torno da parte central da câmara46. Esta corrente de deriva do elétron assegura eficiente ionização de um gás neutro e, simultaneamente, fornece compensação de uma mudança de íon positivo.

A eficiência de uma hélice de propulsão elétrica depende significativamente de seu design, especialmente a forma e a configuração dos eletrodos e parâmetros do campo magnético e materiais usados para o canal de aceleração, ânodo e emissivo inserções na catodo. Por exemplo, a topologia de campo magnético do propulsor pode ser configurada de tal forma que o local de máxima intensidade do campo magnético e, portanto, a zona de ionização são empurrou ainda mais a jusante, perto da saída do canal, assim, reduzindo a interação entre íons de alta energia e o de parede canal47. Este, por sua vez, reduz as taxas de erosão da parede do canal e sua dependência de propriedades de materiais de parede, tornando mais viável a substituição de material de parede. O tempo de vida dos propulsores de Hall-tipo depende altamente os materiais utilizados para seus componentes, especialmente aqueles que estão em contacto com o plasma. Daqui para frente, novos materiais, bem como equipamentos e técnicas para a sua síntese e48,,49 de teste são necessários para melhorar ainda mais o tempo de vida dos propulsores de Hall-tipo.

Novos materiais são sintetizados nos laboratórios PSAC/SPCS usando principalmente, um mecanismo (Figura 14) poderoso, altamente adaptável, eficiente plasma indutivo50,51. Um espectro de novos materiais inclui, mas não está limitado a bolachas à base de silicone para inovadoras, altamente eficientes células solares, bem como o nitreto de boro, grafeno, contendo nanoestruturas52,53, metamateriais54 ,55 e outros materiais nanoestruturados para aplicações em modernos propulsores miniaturizados, onde eles são usados para intensificação significativa e otimização dos parâmetros chaves de propulsores56,57. Outros equipamentos disponíveis incluem arco e os sistemas de plasma de acoplamento capacitivo para o tratamento de plasma avançado de materiais58. De fato, uma melhoria significativa dos parâmetros dos propulsores poderia ser alcançada através da implementação de teste sofisticado, design, materiais e simulação as técnicas de otimização59,60. Além disso, aplicações de novos materiais e sistemas de material poderiam assegurar abordagens eficientes para, por exemplo, calor transferência61, resistência de desgaste62, e outros problemas associados com a eficiência e vida útil de miniaturizado propulsores de espaço. Instalações de material em plasma enable síntese, teste e aplicação dos materiais mais avançados em seus propulsores atualmente sendo projetado63. Na verdade, já foi demonstrado que habilitados em plasma técnicas que envolvem fluxos altamente energéticos da matéria e da energia, permitir a ativação eficiente de superfícies64,65 e, portanto, controle sobre auto-organização, nucleação66,67,68 e outros processos baseados em superfície sofisticados conducentes à criação dos mais avançados materiais69,70, 71. Observe que o carbono-contendo materiais tais como o carbono nanowalls, nanotubos e matrizes de grafeno verticalmente orientado poderiam ser bastante promissores para a aplicação nos propulsores de propulsão eléctrica como elétrons emitem materiais72, 73 , material promissor para as paredes de canais de aceleração e de câmaras de descarga75e 74 .

Plasma-feito em várias camadas, núcleo-shell e poroso materiais76 também pode encontrar aplicações em várias partes de sistemas de propulsão elétrica77. Controlada de síntese de nanotubos de carbono metálico single-walled78 e habilitados no plasma, catalizador-livre crescimento de nanotubos de carbono em escritos mecanicamente Si características79 também é possíveis no processo orientado por plasma80.

Em resumo, nós apresentamos um protocolo para testar e otimizar sistemas de propulsão espacial miniaturizados. Equipamento projetado sofisticada diversificado, grandes câmaras de vácuo, plataformas de bombeamento poderosas e vários complexos de diagnósticos foram usados para realizar a caracterização precisa, informativa dos propulsores de micropropulsão em condições próximas às encontrados em espaço aberto. Pessoal qualificado, simulação adequada e suporte teórico também são de importância fundamental para manter o micropropulsion design e tecnologia progredindo constantemente. Desenvolvimento de novos materiais é o segundo fator chave que poderia assegurar avanços significativos na melhoria de características de desempenho de sistemas de propulsão elétrica moderna, incluindo pequenos satélites e CubeSats com todo o conjunto de sistemas de abastecimento, instrumentos periféricos, ferramentas e carga.

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Disclosures

Os autores declaram não tem interesses financeiro ou outro concorrente.

Acknowledgments

Este trabalho foi financiado em parte por OSTIn-SRP/EDB, a Fundação Nacional de pesquisa (Singapura), pesquisa acadêmica fundo AcRF Tier 1 RP 6/16 (Singapura) e o George Washington Institute para nanotecnologia (EUA). I. L. reconhece que o apoio da escola de química, física e engenharia mecânica, ciência e engenharia da faculdade, 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

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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).

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