Waiting
Login processing...

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

Engineering

Оптимизация, испытания и диагностика миниатюрных Холл подруливающие устройства

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

Здесь мы представляем протокол для тестирования и оптимизации космических двигательных систем на основе миниатюрных Холл тип подруливающие устройства.

Abstract

Умные, очень эффективный и прочный малой тяги двигателей, способный расширенный, надежной работы без посещаемости и перестройки требуют миниатюрных космических аппаратов и спутников. Термохимические подруливающих устройств, которые используют термодинамических свойств газов как средства ускорения имеют физические ограничения на скорость их выхлопных газов, что приводит к низкой эффективности. Кроме того эти двигатели демонстрируют крайне низкий КПД при небольших тяги и могут быть неподходящими для непрерывно операционных систем, которые обеспечивают в реальном времени адаптивного управления аппарата ориентации, скорости и позиции. В отличие от электродвигательные системы, которые используют электромагнитных полей для ускорения ионизированные газы (то есть, плазма) не имеют каких-либо физических ограничений с точки зрения скорости выхлопных газов, позволяя практически любой массы эффективности и удельный импульс. Двигателей малой тяги Hall имеют несколько тысяч часов. Диапазоны напряжения разряда между 100 и 300 V, работающих на номинальной мощности < 1 кВт. Они варьируются от 20 до 100 мм. Большой зал подруливающие устройства может обеспечить фракций миллиньютон тяги. За последние несколько десятилетий наблюдается растущий интерес к небольшой массы, низким энергопотреблением и высокой эффективности двигательных систем привода спутников 50-200 кг. В этой работе мы покажем, как создавать, тестировать и оптимизировать небольшой (30 мм) Холл подруливающего устройства способны метательным малоразмерных спутников весом около 50 кг. Мы покажем подруливающим устройством, работающих в среде симулятор большого пространства и описывают, как измеряется тяги и электрических параметров, включая характеристики плазмы, собираются и обрабатываются для оценки параметров ключа подруливающим устройством. Мы также покажем, как толкатель оптимизирован чтобы сделать его одним из наиболее эффективных малых двигателей когда-либо построенных. Мы также будем решать проблемы и возможности, предоставляемые новыми материалами подруливающим устройством.

Introduction

Возрождение интереса к космической промышленности в части был катализируемой высокоэффективных электродвигательные системы обеспечивают расширение возможностей Миссии на более ограниченной запуска стоит1,2,3. Недавно были предложены многие различные типы устройств Эрд пространства и протестированных4,5,6,,78 поддерживается современным интерес в космосе разведки9,10. Среди них сетчатая Ион11,12 и холл типа двигателей13,14 , основной интерес из-за их способность достичь очень высокой эффективностью около 80%, превышающей любого химического подруливающим устройством, включая наиболее эффективных систем кислорода и водорода эффективность которого ограничена примерно до 5000 м/s принципалом физические законы15,16,17,18.

Всеобъемлющей, надежной проверки миниатюрных космических двигателей обычно требуется большой комплекс испытательные объекты, которые включают тест камеры, вакуумные (насосы), приборы контроля и диагностики, система для измерения параметров плазмы 19и широкий спектр вспомогательного оборудования, поддерживать операции подруливающим устройством, например систему поставок электроэнергии, топлива питания, тяга измерение стенд и многие другие20,21. Кроме того подруливающим устройством двигательных типичных пространства состоит из нескольких единиц, которые отдельно влияют на эффективность и срок службы всего направленность системы и таким образом, может испытываться как отдельно, так и в рамках подруливающим устройством Ассамблеи22, 23. Это значительно усложняет процедуры испытаний и предполагает долгий тест периоды24,25. Надежность функционирования блока катод подруливающим устройством, а также эксплуатации двигателей при различных топлив используются также требует особого рассмотрения26,27.

Для количественной оценки производительности электродвигательные системы и квалифицировать модули для оперативного развертывания в космических полетах, наземное тестирование услуги, позволяющие моделирование реалистичные пространства среды необходимы для тестирования multi масштабируется тяги единиц28,29,30. Примером такой системы является большой масштабной космической среды моделирования камеры расположен в пространстве силовой центр-Сингапур (SPC-S, Рисунок 1a, b)31. При разработке такого моделирования окружающей среды, необходимо принимать во внимание следующие первичного и вторичного соображения. Основные проблемы, что таким образом создан космической среды необходимо точно и достоверно имитировать реалистичные космической среды, и построен в диагностических систем должны предоставить точные и точной диагностики во время оценки производительности системы. Вторичные проблемы, что среды моделирования пространства должен быть высоко настраиваемый, чтобы включить быструю установку и тестирование различных двигательных и диагностических модулей и окружающей среды должны быть в состоянии обеспечить высокую пропускную способность тестирования для оптимизации разряда и условий эксплуатации нескольких устройств одновременно.

Космической среды тренажеры и насосных станций

Здесь мы иллюстрируют два моделирования помещений в SPC-S которые были выполнены для тестирования миниатюрных электродвигательные системы, а также интегрированных модулей. Эти два учреждения различных шкал и прежде всего имеют разные роли в процессе оценки эффективности работы, как указано ниже.

Большие плазменные пространства срабатывания палата (PSAC)

PSAC имеет размеры 4,75 м (длина) x 2,3 м (диаметр) и имеет вакуумной откачки люкс, который состоит из многочисленных насосы высокого потенциала, работая в тандеме. Она способна добиться базового давление ниже, чем 10-6 ПА. Он имеет систему активации/продувка комплексного контроля вакуума индикации и насос для эвакуации и продувка камеры. Он оснащен многочисленными настраиваемый фланцы, проходные соединители электрические и визуальные диагностических иллюминаторы предоставлять линия полигона. Это, вместе с полный набор возможностей диагностики, смонтированы внутренне, позволяет быстро изменять для мульти-модальных диагностики. Масштаб PSAC также позволяет для тестирования полностью интегрированных модулей для приложений в моделируемой среде.

PSAC является SPC-S флагманский пространства Фондом окружающей среды моделирования (рис. 1 c, d). Его размер позволяет тестирование полного модулей до несколько U монтируется на quadfilar сцене. Преимущество этого метода будет в реальном времени визуализации как двигательных модулей как монтируется на различных полезных данных может повлиять на месте маневрирования полезных в пространстве. Это моделируется путем монтажа и приостановление всей полезной нагрузки на собственные quadfilar тяги измерения платформы. Толкатель затем могут быть уволены, и подвесные платформы с подруливающим устройством и полезная нагрузка будет испытываться по космических условий. Пороховых газов сырьевых материалов, которые ввозятся тестовой среды через модули Эрд откачивается эффективно, вакуумные Люкс для обеспечения что общее давление в камере не изменяется, таким образом, поддержание реалистичные космической среды32 ,,33-34. Кроме того электродвигательные системы обычно включают производство плазмы и эксплуатировать манипуляции траекторий заряженных частиц, выход из системы для создания тяги35. В небольших средах, моделирование, накопление заряда или плазмы шубы на стене может повлиять на производительность разряда через взаимодействие плазмы стены из-за его близости к системе тяги, особенно для micropropulsion, где типичный тяги значения являются порядка millinewtons. Таким образом особое внимание и внимание должны быть сделаны для учета и маргинализировать взносов таких факторов36. PSAC большого размера минимизирует взаимодействия плазмы стена, делая их незначительна, дает более точное представление параметров разряда и включение мониторинга шлейфа профилей в электрических двигательных модулей. PSAC обычно используется в полный модуль систем оценки и интеграции/оптимизации процессов, что позволяет для быстрого перевода подруливающим устройством прототипов в оперативной готовности систем для наземных испытаний в рамках подготовки к квалификации пространства.

Масштабируется плазмы космической среды симулятор (PSEC)

PSEC имеет размеры 65 x 40 см x 100 см и имеет вакуумные насосные люкс, который состоит из шести насосы высокого потенциала, работая в тандеме (сухой вакуумный насос, Насосы турбомолекулярные и крио). Она способна добиться базового давление ниже, чем 10-5 Па при работающем весь насосной системы (все насосы используются). Давление и топлива потоки отслеживаются в режиме реального времени через интегрированный массы потока индикация коробки и манометры. PSEC главным образом заняты в выносливости испытаний двигателей. Подруливающие устройства будут срабатывать для длительных периодов времени, чтобы оценить последствия ущерба плазмы разряда каналов и его жизни. Кроме того, как показано на рисунке 2, комплекс газовой сети контроллер потока в этот объект позволяет быстрое подключение других топлив сырья на катод и аноды для тестирования совместимости подруливающие устройства с Роман ракетного топлива и эффекты Последний на производительность подруливающим устройством. Это повышенный интерес для научно-исследовательских групп, работающих на «дышащих воздухом» Электрические подруливающие устройства, используя Роман ракетного топлива во время работы.

Комплексные средства диагностики (мульти-модальных диагностика)

Различные комплексной диагностики зал, оборудован автоматизированной комплексной робототехнических систем (проветривает µS)19,23, были разработаны для двух систем в PSEC и PSAC для диагностики в различных масштабах и целях.

Комплексная диагностика в PSEC

Средства диагностики в PSEC по существу петля на мониторинг в реальном времени разгрузки через расширенных операций. Система менеджмента качества контролирует остаточных газов в объекте для видов загрязнений, которые возникают от распыления материала во время разгрузки. Эти следовых количеств количественно контролируются со временем оценить темпы эрозии канала разряда и электроды толкатель для оценки подруливающим устройством жизни. Оптических выбросов спектрометр (ОЕЛП) дополняет эту процедуру мониторинга спектральные линии, соответствующие электронные переходы видов загрязнений вследствие эрозии, таких как медь от электроники. OES также позволяет диагностика неинвазивные плазмы и активный мониторинг профиль шлейфа, который качественно оценивает производительность толкатель. Наконец Роботизированная Фарадея зонд, который можно управлять удаленно, или полностью автономный режим, используется для получения быстрого зачисток шлейфа профиля для оптимизации коллимации луча через параметрически различные условия разгрузки (рис. 3).

Комплексная диагностика в PSAC

Роскошь физического пространства в PSAC позволяет установку нескольких подруливающих систем в различных местах благодаря своей модульной конструкции, позволяющие plug и играть как установки для различных диагностики одновременно. Рисунок 4 показывает внутреннего поперечного сечения PSAC в различных конфигурациях, с полностью приостановлено quadfilar тяги измерения платформы, являющейся наиболее заметным и постоянное приспособление. Башенка систем, контролируемых автономно или беспроволочно через Android приложений с использованием микроконтроллеров и Bluetooth модули, затем может быть установлен в модульный образом сталкивается с подруливающим устройством для получения характеристик шлейфа путем установки различных датчиков Например, Фарадей, Ленгмюра и анализатор тормозящего потенциальных (РПА). Также показано на рисунке 4 является способность PSAC для настраиваемых монтажа систем подруливающим устройством для быстрой одновременной диагностики различных параметров плазмы. Подруливающие устройства может быть установлен вертикально в одном столбце и испытаны быстро, один за другим, чтобы избежать взаимодействия между системами различных подруливающим устройством. Это было проверено, что эффективной оценки до 3 различных модулей в одном экземпляре возможен, тем самым значительно уменьшая время простоя во время эвакуации и продувка процессы, в противном случае требуется при тестировании систем индивидуально. С другой стороны эта система представляет собой ценную возможность для тестирования сборки подруливающее устройство, которые должны действовать в кучу, на тот же спутник. Подруливающие устройства может быть установлен вертикально в одном столбце и испытаны быстро, один за другим, чтобы избежать взаимодействия между системами различных подруливающим устройством. Она была протестирована эффективность в оценке до 3 различных модулей в одном экземпляре, значительно сократить время простоя во время эвакуации и продувка процессы, в противном случае требуется при тестировании систем индивидуально.

Важно, чтобы определить направленность в micropropulsion системах точно так что такие параметры, как эффективность, ηeff и удельный импульс яsp, являются точными, таким образом, давая представление надежной зависимость подруливающее устройство производительность на различных входных параметров, как топлива, потока и питания различных терминалов подруливающие устройства, как показано в уравнения 1 и 2. Явно Оценка эффективности систем micropropulsion обычно вращается вокруг измерения осевая из системы в различных эксплуатационных параметров. Таким образом системы оценки служебной деятельности должны быть откалиброваны в соответствии набор стандартов до установки в космической среды для использования в диагностике и тестирования для обеспечения их надежности и точности19.

Equation 1

Equation 2

Типичные системы используют калибровки силы извне до единицы измерения тяги устанавливаются в среде тестирования38. Однако такие системы не учитывается для космической среды, влияющих на свойства материала калибровки стандартов и электрические, вакуум и тепловой влияет на ухудшение калибровки стандартов в течение динамического Оценка производительности двигателей. Блок автоматической калибровки беспроводных, показано на рисунке 5, с другой стороны, позволяет на месте калибровки системы в моделируемой среде до толкатель оперативной. Это счета за динамического воздействия среды тестирования на этапе измерения и позволяет для быстрой повторной калибровки системы до стрельбы подруливающие устройства. Система также имеет блок проверки симметричных Модульная null тяги, который самостоятельно проверяет направленность. Он управляется пока толкатель оперативного анализа на месте производного тяги от данного условия сброса. Весь процесс осуществляется через MATLAB приложений, позволяя пользователям сосредоточиться на оптимизации оборудования и проектирование систем тяги и ускоряет тестирование таких систем. Детали этого метода будет разрабатываться в следующем подразделе.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Здесь мы представляем протоколы для тяги калибровочной процедуры и оценки, независимый направленность проверки через null измерения и шлейфа profilometry через зондирования пространственные данные на месте.

1. тяга калибровочной процедуры и направленность оценки

  1. Убедитесь, что все компоненты установлены в камере, как показано на рисунке 5.
  2. Проверьте возможность подключения средств диагностики внешне до герметизации камеры.
  3. Используйте элемент комплексного механизма для герметизации камеры.
  4. Включите вакуумные насосы в упорядоченных каскадом, начиная от сухой насосов (до тех пор, пока Палата достигает 1 ПА), турбомолекулярные насосы (до тех пор, пока он достигает ~ 5 x 10-4 ПА) и затем криогенных насосов.
    Примечание: PSAC осталось насоса до высокого вакуума (< ~ 10-5 ПА) для имитации космической среды. Протокол может быть приостановлена здесь.
  5. Используйте развитых приложения для синхронизации устройства с Беспроводной ретранслятор в камере. Процесс синхронизации завершается, когда светодиод (LED) на транспондер перестает мигать.
  6. Получив желаемый вакуум, принять первоначальный чтения (аналоговое напряжение) лазерный датчик перемещения как базовый.
  7. Используйте развитых app чтобы вызвать снижение веса (массы точно известных и калиброванные меди петли) для перевода сил на quadfilar сцене.
    Примечание: Масса каждого меди цикла зависит от предполагаемого чувствительности на quadfilar этапе используется. В этом случае масса меди цикл был порядка 100 мг для режима расширенного калибровки и 10 мг для режима тонкой калибровки. Смотрите результаты представителем для получения дополнительной информации.
  8. Записи перемещения (аналоговое напряжение) от лазерный датчик перемещения, когда он запускается после того, как масса полностью опустил и его вес переводится на горизонтальной силы.
  9. Повторите процесс (шаги 1.7 и 1.8) снижение веса и записи перемещения на quadfilar этапе, до тех пор, пока все калибровку весов расширяются. Все веса будут автоматически возвращены в положении равновесия группой калибровка после завершения последовательности, чтобы позволить на quadfilar этапе достичь равновесия перед подруливающим устройством может быть уволен. Калибровочный фактор сохранить ( файл | Сохранить как | «Factor.txt»).
  10. Нарисуйте калибровочной кривой для получения калибровочный фактор для системы, установленной на quadfilar сцене, где калибровочный фактор (в mN/V) является градиент силы/напряжения графа.
  11. Запись исходных аналогового напряжения от лазерный датчик перемещения снова перед выстрелом толкатель.
  12. Активировать на месте программы MATLAB для расчета тяги, мгновенно с помощью уравнения 3 (см. Представитель результаты) и ввод калибровочный фактор, полученных на шаге 1.9 ( файл | Открытый | «Factor.txt»).
  13. Подруливающие устройства затем могут быть уволены снова. Захват желаемые параметры в режиме реального времени, используя программу приобретения собственных данных.
    Примечание: в качестве альтернативы, интегрированный приложение может использоваться для полной автоматизации процесса калибровки во время синхронизации последовательность срабатывания от двигатели и сбора данных от датчиков, соответственно.

2. null протокол измерений для проверки независимых тяги

  1. Во-первых принять базовый (аналоговое напряжение) чтение (от лазерный датчик перемещения) толкатель в состоянии равновесия.
  2. Переключения эксплуатационные параметры желаемого значения из панели управления подруливающим устройством и огонь толкатель.
  3. После того, как срабатывает толкатель, дождитесь колебаний на quadfilar маятник для стабилизации.
  4. После quadfilar стабилизирует в стабильном состоянии, используйте приложение управления для системы измерения значение null чтобы вызвать снижение веса. Чтения из лазерный датчик перемещения контролируются одновременно. Веса постоянно снижаются до тех пор, пока quadfilar стадия срабатывает обратно в равновесие.
  5. По достижении равновесия прервать последовательность срабатывания и определить силы, необходимые для приведения системы quadfilar вернуться к равновесию.
  6. Триггер Стопорный блок остановить на quadfilar этапе от переезда.
  7. Вычисление массы соответствует горизонтальной силы, необходимых для извлечения системы обратно в равновесие.

3. приведение в действие роботизированные башни для пространственных данных на месте зондирования и шлейфа profilometry

Примечание: Во время работы двигателя, оператор может выбрать для приведения в действие системы вручную желаемого углы получить характеристики шлейфа в конкретных местах или спровоцировать автоматизированной последовательности.

  1. Смонтируйте толкатель на движущихся сцене (как в случае PSAC) до начала эксперимента.
  2. Активируйте стоп бар механизм для предотвращения срабатывания в ходе эксперимента на стадии.
  3. Протокол измерений и серво двигатель для приведения в действие зонд в положение 0°.
  4. Приобрести измерения от зонда.
    Примечание: В зависимости от установленных датчиков, измерения процессов может изменяться согласно программируемой последовательности для получения полного пространственных шлейфа профили разряда. a если установлен зонд Фарадея, чтения на метр источник берется (где уклон-30 V постоянно применяется к гвардии кольца). (b) Если зонд Ленгмюра монтируется, Пилообразная напряжения сигнала поставляется на зонд и -V характеристики получены и интерпретировать. (c) Если РПА монтируется, Пилообразная напряжения сигнала применяется к сетке дискриминацию, и -V характеристики получены и интерпретировать.
  5. Триггер серводвигателя с помощью микроконтроллера, чтобы перейти к следующему угловое положение, где зонд последовательность активирована для измерения снова.
  6. Сохраняйте измерения отдельно помеченные массивов в матрице данных.
  7. Повторите шаги 3.5 и 3.6, до тех пор, пока полный размах до 180° была выполнена, и зонд возвращается к 0°.
  8. Анализ сохраненных данных.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Процедура калибровки тяги и направленность оценки

Вычисление значений тяги от стадии измерения тяги quadfilar приходит в два этапа. Первый этап — путем получения коэффициентов калибровки от блока автоматической беспроводной калибровки, показано справа на рисунке 5. В этот процесс калибровки штраф веса опускаются через гладкой политетрафторэтилена бар, который переводит вертикальных эффектов веса в горизонтальной силы, как прилагается к толкатель на quadfilar сцене. Высоким разрешением лазерный датчик перемещения затем измеряет смещение на каждом интервале соответственно. Это контролируется оператором через приложение сбора данных, как показано на рисунке 6, и калибровочный фактор получается в конце серии, где многочисленные калиброванные весов снижаются в систему. Калибровочный фактор S получается из лучших линии горизонтальной силы перемещение графа, и последующие тяги рассчитывается с помощью уравнения 3:

Equation 3

где Vбазовый аналоговый базового напряжения от лазерный датчик перемещения читать до стрельбы толкатель, и Vизмеренное это измеренное напряжение от датчика во время на месте эксплуатации толкатель.

Четкое представление калибровки системы показан на рисунке 7. Это следует отметить, что зеленая линия и красные круги являются только для иллюстрации и просто служить в качестве руководства для глаз. В действительности зеленая линия является штраф Мадейра полиамидных волокон, который подключается к навесные подруливающим устройством. Калиброванные веса являются небольшие медные циклы, которые были тщательно взвешены на баланс массы высокой точности, и они могут корректироваться соответствующим образом разрешить для тонкой калибровки режима первоначально (с меньших интервалов в разницу между МАСС) и Расширенный режим (где более большие массы добавляются в конце последовательности калибровки).

Диаграмму типичного напряжения сил будет производить прямой линии, как показано на рисунке 8 калибровки единицы, перемещения лазерный датчик и quadfilar платформы при правильно установлены. В этом случае сюжет дает калибровочный фактор (градиент) 27.65 mN∙V-1 в стандартный набор вверх для измерения тяги в широком диапазоне сил.

Калибровочный фактор может быть изменено путем изменения чувствительности quadfilar платформы, которая зависит от нескольких факторов, таких как длина провода quadfilar. В рисунке 8чувствительность установки был изменен в калибровке весов для расширенных режимов. Обе тонкой и грубой калибровки весов включены приносить калибровки сюжет, что линейные в обоих режимах.

Образец натурных измерений для измерения тяги показано на рисунке 9. В этом случае он показывает, как оператор имеет возможность контролировать зависимость тяги на напряжение разряда в ходе эксперимента, до тех пор, пока гаснет разряда. Эффекты других входных параметров на тяги может также контролироваться таким же образом.

С помощью quadfilar тяги этапе измерения, мы смогли измерить осевая наш холл подруливающим устройством в различных входных полномочия, предоставленные ток и прикладной напряжение разряда. Через эту информацию, вариации Equation 4 и Equation 5 что касается входной мощности могут быть получены. Рисунок 10А,b показывает как направленность и меняться с входной мощности в 4 различных массового расхода. Наконец эффективность заговор против входной мощности в разных массового расхода в рисунке 10 c. Результаты показывают, что наши подруливающим устройством был оптимизирован для работы на входной полномочия ниже 100 Вт, где низкий расхода привели к эффективности почти 30%19. До оптимизации толкатель едва достиг 20% КПД при 83 Вт и 5,5 sccm. Результаты показывают, что наши подруливающим устройством был оптимизирован для работы на входной полномочия ниже 100 Вт, где низкий расхода привели к эффективности почти 30%19. Это вероятно достойной достижение по сравнению с подруливающим устройством SPT100 холл, эффективность которого колеблется от 30% до 40% и другие Холл подруливающие устройства аналогичных размеров и ввода держав. Рисунок 10 d иллюстрирует автоматически построены профиль плотности ионного тока.

Протокол измерений значение NULL для проверки независимых тяги

Хотя толкатель является увольняют, полиамид провод на правой стороне соответствующий конец блока калибровки осталось слабину. Во время на месте эксплуатации толкатель затем может быть вызвана группа проверки симметричных null измерения. Симметричный null измерения работает аналогичным образом робот калибровки системы показан на рисунке 5; Миниатюрный калибровка весов придается провод тонкой полиамид снижаются в системе и создать горизонтальные силы, приложенной к системе тяги. В этом случае горизонтальная сила применяется к тянуть quadfilar система, которая были перемещены после операции подруливающее устройство обратно к равновесию. Этот процесс показан в зависимости от времени схема процесса эволюции на рисунке 11. Толкатель сначала обстреляли t = 0 s, соответствующий дискуссионный форум (a) в серии. Этап quadfilar затем вытесняет справа результате горизонтальной силы от блока двигателей. Поскольку окружающей среды становится темнее в космический симулятор, движение этапа рассматривается как явное движение подруливающее устройство (b). Quadfilar этап затем останавливается колебательных и достигает перемещения устойчивого состояния равновесия, как показано на (c). В данном случае значение null система срабатывает и шаговый двигатель активируется, чтобы отступить на quadfilar стадии равновесия, как показано на (d). Шаговый двигатель запускается до точки, где лазерный датчик перемещения обнаруживает сцене вернулся в положении равновесия и приведение в действие прекращается. Затем измерения, и соответственно задано значение тяги из этой системы.

Срабатывание роботизированные башни для пространственных данных на месте зондирования и шлейфа profilometry

Модульные роботизированные башни системы установлены в PSAC и PSEC настраиваемые диагностики шлейфа профилей. Также эти роботизированные башни смонтированы на мотор приводом этапов для надлежащего щупа позиционирования согласно осевой осевой подруливающих устройств извне. Роботизированные башни состоят из корпуса экранированный из нержавеющей стали, содержащие программируемых микроконтроллеров, прилагается к беспроводной транспондеров для приема и передачи данных. Это также позволяет пользователям контролировать движение probe внешне, при получении данных от датчиков без дополнительного электрического подключения к системе. Также стоит отметить, что модульная конструкция микро-серводвигателя сработанный башни позволяет быстро уточнение установки измерения, что позволяет несколько массивов зонд, включая Ленгмюр, зонд Фарадея и РСП быть установлен на том же настроить согласно оперативные требования с точки зрения времени. На рисунке 12 показано схематическое изображение экспериментальной установки для profilometry шлейфа.

Во время работы двигателя оператор может выбрать вручную приводить в действие систему для желаемого углов, как показано на рисунке 12 для получения характеристик факела в конкретных местах, или автоматизированной последовательности могут быть активированы. В зависимости от того, какие датчики установлены измерения процессов может быть изменено согласно программируемой последовательности для получения полного пространственных шлейфа профили разряда.

Такая последовательность позволяет быстро пространственных визуализация профиля шлейфа, который помогает оптимизировать техники и оптимизации процессов в разрешении для коллимации луча для эффективного подруливающим устройством операции. Сработанный башенки и программируемых систем зондирования позволяют автономная приобретение характеристик факела в каждой точке, где могут быть получены и рассчитывается посредством программируемых систем параметров плазмы. Это может ускорить тестирование таких систем с простого анализа и обработки больших объемов данных через простой робот и сработанный автономных систем. Рисунок 10 dнапример, параметр плазмы, анализируемый здесь является плотность тока иона в различных угловых позиций. Он показывает, как разряд энергии влияет величина плотности тока иона пик и полной ширины на половину Максима соответственно. Эти результаты показывают, что более высокое напряжение разряда не обязательно переводить для лучшей производительности подруливающим устройством. Здесь высокой мощности приводит к расширению шлейфа профиль, который является нежелательным характеристикой подруливающим устройством. Это означает, что некоторые из частиц выхлопа скорости, которые не перпендикулярно плоскости выхода подруливающим устройством, приводит к тяги в непредвиденные направлении и делая точных маневров сложной. Кроме того обвинения от шлейфа может повредить полезной нагрузки или других подсистем на космический корабль. Чтобы оптимизировать толкатель производить более коллимированных шлейфа, ток, подаваемый на магнитных катушек и электробезопасность на аноде может быть скорректирована до тех пор, пока был достигнут удовлетворительный полной ширины на половину Максима (FWHM) значение. До оптимизации профиля шлейфа его Полувысоте был 33.1 ° 140 W, но после оптимизации, он уменьшен до 23,7 ° на 110 Вт. Это означает, что шлейфа теперь более коллимированного.

Figure 1
Рисунок 1 : Экологический фонд большое пространство для испытания двигателей Эрд. Это флагман расположен в космических двигательных центр Сингапура, Национальный институт образования, Наньянг технологический университет. () сбоку камеры иллюстрирует прозрачный иллюминаторы для визуальной диагностики тест-систем, и несколько вакуумная сорт электрические корма throughs, позволяют коммуникации, контроля и диагностики систем тестирования. Насосы вакуумные (b). (c) сбоку камеры с боковой загрузкой Люк открыть. (d) по мнению камеры моделирования пространства с оператором установки диагностических систем. Перепечатано с разрешения от J. Lim et al., IEEE Trans. плазменной наук 46 338 (2018) и J. Lim et al., IEEE Trans. плазменной наук 46, 345 (2018). Авторское право 2018 IEEE. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2 : Задний вид масштабированных плазмы симулятор космической среды (PSEC). PSEC состоит из в общей сложности 6 насосов, включая высокопроизводительные криогенные насосы, Насосы турбомолекулярные и сухими насосами. Установка также содержит интегрированный подруливающее устройство диагностики. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3 : Обзор пакета диагностики плазмы в PSEC. Правой стороны рисунок иллюстрирует увеличенный вид систем с иллюминатор из передней части камеры. Визуального диагностический порт также служит проспект для оптической эмиссионной спектроскопии (ОЕЛП) предстоит сделать. Как показано в внешний вид камеры, квадрупольный масс-спектрометр оборудована для анализа остаточных газов оценить темпы эрозии материала за счет распыления в камере во время операции длительного подруливающим устройством. Кроме того беспроводная контролируемых роботов Фарадея зонды также смонтированы внутренне оценить профили шлейфа двигателей, прохождения аттестации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4 : Обзор suite диагностика комплексной плазмы в PSAC. () настраиваемый дизайн показывает башенкой-зонд роботизированной Фарадея, помещены вместе с этапа оценки производительности quadfilar тяги и in situ вес калибровки блока. (b) настраиваемые функции позволяют до трех различных двигателей установлены и испытаны одновременно, сокращения оперативных простоя и максимального расширения исследований выход. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5 : Принципиальная схема проверки симметричных Модульная null тяги исполнимых В отличие от калибровки системы блок проверки null тяги эксплуатируется пока толкатель срабатывает для независимой проверки полученных величин тяги. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 6
Рисунок 6 : Приобретение данных приложения пользовательский интерфейс. Пользовательский интерфейс приложения на основе MATLAB позволяет оператору контролировать тяги и напряжения, чтение из лазерный датчик перемещения в режиме реального времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 7
Рисунок 7 : Калибровка исполнимых Роботизированная калибровки может использоваться радиста ввода, или через полностью автономных калибровки последовательности для быстрой калибровки системы quadfilar. Вопросы проектирования: минимизировать внешнего воздействия; Используйте тонкий, легкий вес строку и миллиньютон весов; Используйте низкий Статический коэффициент бар; Строка должна быть достаточно гибкой, чтобы произвести «u петля». Для калибровки стенд используйте беспроводной пульт управления, тонкой Мадейра леска полиамид (нейлон) волокна (около 4,0 мкм), маленькие медные петли в качестве весов и гладкой политетрафторэтилена бар. Линия следует придавать Задние навесные подруливающим устройством на quadfilar маятник, или в соответствии с центре рефлектор пластины. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 8
Рисунок 8 : Типичный напряжения сил и сил напряжения графиков для изменение установки. () силы напряжения граф. Количество веса, которая была снижена и переведены на горизонтальной силы заговор против чтения на лазерный датчик перемещения соответствующего напряжения. Калибровочный фактор (в mN/V) является градиент силы/напряжение графа, который будет использоваться в графе силы/напряжения app. (b) сбора данных. Чувствительность установки к усилие было увеличено до размещения для тонкой и грубой калибровки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 9
Рисунок 9 : Оценка эффективности in-situ. Другое программное обеспечение программа позволяет тяги производительности для мониторинга в режиме реального времени, когда входной параметр, разрядки напряжения в этом случае, изменяется постепенно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 10
Рисунок 10 : Оценка характеристик подруливающим устройством. (, b) Направленность и конкретных пульс как функции входной мощности в четырех различных массового расхода. (c) эффективность заговор против входной мощности в разных массового расхода. (d) автоматически построены профиль плотности ионного тока. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 11
Рисунок 11 : Время эволюции группы проверки null тяги в операции во время обжига Холл толкатель в SPC-S. () t = 0, s, где зал подруливающим устройством является первым выстрелил и отходит от положения равновесия. (b) Quadfilar стадии вытесняет справа, как показано относительное движение Холл подруливающим устройством. (c) Quadfilar стадии останавливается колеблющиеся и достигнет устойчивого состояния равновесия. Значение NULL система срабатывает и начинается шаговый мотор привода. (d) Null система запускается медленно тянуть подруливающее устройство монтируется на quadfilar этапе вернуться к равновесию. (e) подруливающее устройство достигает равновесия. Единица измерения значение NULL останавливает шаговый мотор привода. Измерение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 12
Рисунок 12 : Схематическое изображение срабатывания модульная мульти зонд Башенка. Вся система управляется без проводов, и зонд Фарадея могут быть заменены быстро путем щелкать на другой зонд модуля. Соединения производятся через типа BNC адаптеры для легко твист на преобразования и установки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 13
Рисунок 13 : Схемы Холл тип подруливающим устройством. Аналогичных установок с разнообразных конфигураций на основе обобщенного макета, представленные на этом рисунке также были заняты другими группами. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 14
Рисунок 14 : Индуктивно сочетании плазмы объекта для синтеза новых материалов в центре приложения источников плазмы / Space силовой центр, Сингапур. Мощными плазменными система позволяет синтеза на основе кремния материалов для инновационных, высокоэффективных солнечных батарей, а также нитрида бора и других наноструктурированных материалов для применения в современных миниатюрных подруливающие устройства.  Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Типичные Холл типа двигателей44 относительно простых, дешевых и высокоэффективных устройств, которые может ускорить поток ионов к скорости несколько десятков км/сек, обеспечивая тяги, необходимых для ускорения спутников и космических кораблей, а также для маневрирование, ориентацию, положение и отношение управления и орбиты в конце их срока службы эксплуатации. Приложение зала подруливающие устройства на спутников и других полезных орбитальных расширения миссии жизни, позволяют орбитальных передачи и формирования/созвездие полеты нескольких спутников и многоцелевой возможностей. Структурно (см. схема на рис. 13), холл подруливающим устройством является коаксиальный камере с установлены на одной стороне анод и катод размещены возле выхода. Газ легко ионизированной но относительно тяжелое, Xe, обычно используется в качестве метательного заряда, но другие элементы, такие как йод может использоваться в некоторых случаях45. Ионный поток ускоряется электростатическое поле, которое находится между анодом и катодом, а магнитного поля, созданные набор катушки или системы постоянных магнитов гарантирует текущей вокруг центральной части камеры46дрейф электронов. Этот ток дрейф электронов обеспечивает эффективное ионизации нейтрального газа и одновременно, он обеспечивает компенсацию изменений положительных ионов.

Эффективность подруливающим устройством ЭРД в значительной степени зависит от его конструкции, особенно формы и конфигурации электродов и параметры магнитного поля и материалы, используемые для ускорения канала, анод и эмиссионных вставок в Катод. Например, магнитное поле топология толкатель можно настроить таким образом, что расположение максимум магнитного поля и таким образом, зону ионизации являются отодвинута еще дальше вниз по течению, вблизи канала розетки, таким образом, снижение взаимодействия между высокой энергии ионов и стены канала47. Это в свою очередь снижает темпы эрозии стены канала и его зависимость от свойств материала стены, делая замену материала стены более осуществимым. Жизни Холл тип подруливающие устройства весьма зависит от материалов, используемых для его компонентов, особенно те, которые находятся в контакте с плазмы. Для дальнейшего улучшения жизни Холл тип подруливающие устройства необходимо идти вперед, новых материалов, а также оборудование и методы для его синтеза и тестирования48,49 .

Новые материалы синтезированы в лабораториях PSAC/SPCS, используя главным образом мощный, очень адаптивной, эффективной индуктивно связанной плазмы объекта (рис. 14)50,51. Спектр новых материалов включает, но не ограничивается на основе кремниевых пластин для инновационных, высокоэффективных солнечных батарей, а также нитрида бора, содержащие графена наноструктур52,53, metamaterials54 ,55 и других наноструктурированных материалов для применения в современных миниатюрных подруливающие устройства, где они используются для значительной интенсификации и оптимизации основных параметров двигателей56,57. Другие имеющиеся оборудование включают дуги и емкостной связью плазменных систем для для продвинутых плазменной обработки материалов58. Действительно значительное повышение параметров подруливающим устройством могут быть достигнуты путем осуществления сложных испытаний, дизайна, материалов и моделирования оптимизации методов59,60. Кроме того применение новых материалов и материалов систем может обеспечить эффективные подходы к, например, тепловой передачи61, сопротивление износа62, и другие проблемы, связанные с эффективностью и срок службы миниатюрных Подруливающие устройства пространства. На основе плазмы материальные объекты включить синтеза, испытания и применения самых передовых материалов в подруливающие устройства в настоящее время разработан63. Действительно уже было продемонстрировано, что плазмы с поддержкой методы, включающие высокоэнергетических потоков на материи и энергии, позволяют для эффективной активации поверхности64,65 и следовательно, контроль над самоорганизация, нуклеации66,,6768 и другие сложные процессы, основанные на поверхности, ведущих к созданию самых передовых материалов69,70, 71. Обратите внимание, что углерод содержащих материалов, таких как наноструктурированом углерода, нанотрубок и вертикально ориентированный графена массивы могут быть весьма перспективным для применения в Эрд подруливающие устройства как электрон, излучающих материалов72, 73 , 74 и перспективный материал для стен ускорение каналов и разгрузки камер75.

Плазма сделал многослойный, ядро оболочка и пористые материалы76 может также найти применение в различных частях электродвигательные системы77. Контролируемые синтез металлических одностенных углеродных нанотрубок78 и плазмы включен, катализатор свободный рост углеродных нанотрубок на механически написано Si особенности79 также возможна в процесс, инициируемый плазмы-80.

Таким образом мы представили протокол для тестирования и оптимизации двигательных систем миниатюрных пространства. Диверсифицированной изобретательностью разработан оборудование, большие вакуумные камеры, мощные насосные платформы и различных диагностических комплексов были использованы для выполнения точных, информативный характеристика микро тяги двигателей в условиях близких Найдено в открытом пространстве. Квалифицированного персонала, адекватного моделирования и теоретической поддержки также имеют ключевое значение для держать micropropulsion дизайн и технология, поступательно. Разработка новых материалов является вторым ключевым фактором, который может обеспечить значительные успехи в улучшении характеристик производительности современных электродвигательные системы, включая малых спутников и CubeSats с весь набор систем поставок, периферической инструменты, инструменты и полезных данных.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют не конкурирующие финансовые или иные интересы.

Acknowledgments

Эта работа была поддерживается в часть Остин-ПСП/EDB, Национальный исследовательский фонд (Сингапур), Академический исследовательский фонд AcRF Tier 1 RP 6/16 (Сингапур) и Джордж Вашингтон Институт нанотехнологий (США). I. L. отмечает поддержку от школы химии, физики и машиностроения, науки и инженерного факультета, Квинслендский технологический университет.

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

Инжиниринг выпуск 144 Эрд тестирование холл подруливающих устройств космической техники разряда технологии
Оптимизация, испытания и диагностика миниатюрных Холл подруливающие устройства
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