Waiting
Login processing...

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

Engineering

Optimering, Test och diagnostik av Miniaturized Hall bogpropellrar

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

Här presenterar vi ett protokoll för att testa och optimera utrymmet framdrivningssystem baserat på miniatyriserade Hall-typ drivraketer.

Abstract

Miniatyriserade rymdfarkoster och satelliter kräver smart, mycket effektiva och hållbara låg-dragkraft drivraketer, utökade, tillförlitlig fungera utan närvaro och justering. Termokemisk raketmotorer som använder termodynamiska egenskaper av gaser som ett medel för acceleration har fysiska begränsningar på deras avgaser gas hastighet, vilket resulterar i låg effektivitet. Dessutom, dessa motorer visar extremt låg verkningsgrad vid små stötar och kan vara olämpliga för kontinuerligt operativsystem som tillhandahåller realtid adaptiv styrning av rymdfarkoster orientering, hastighet och position. Däremot har elektriska framdrivningssystem som använder elektromagnetiska fält för att påskynda joniserat gaser (dvs plasmor) inte någon fysisk begränsning när det gäller avgaser hastighet, så att praktiskt taget alla massa effektivitet och specifik impuls. Låg-dragkraft Hall drivraketer har en livslängd på flera tusen timmar. Deras ansvarsfrihet spänning varierar mellan 100 och 300 V, verksamma vid en nominell effekt av < 1 kW. De varierar från 20 till 100 mm i storlek. Stor Hall bogpropellrar kan ge fraktioner av millinewton dragkraft. Under de senaste decennierna, har man ett ökat intresse i liten massa, strömsnål och högeffektiva framdrivningssystem till driva satelliter på 50-200 kg. I detta arbete visar vi hur bygga, testa och optimera en liten (30 mm) Hall bogpropeller kan driver en liten satellit som väger ca 50 kg. Vi kommer att visa den bogpropeller i en simulator med stort utrymme i miljön, och beskriva hur dragkraft mäts och elektriska parametrar, inklusive plasma egenskaper, samlas in och bearbetas för att bedöma nyckel bogpropeller parametrar. Vi kommer också visa hur bogpropellern är optimerad för att göra det en av de mest effektiva små raketmotorer som någonsin byggts. Vi kommer även ta itu med utmaningar och möjligheter som ny bogpropeller material.

Introduction

Förnyat intresse inom rymdindustrin har delvis varit katalyseras av högeffektiva elektriska framdrivningssystem att leverera förbättrad uppdrag kapacitet vid alltmer nedsatt lanseringen kostar1,2,3. Många olika typer av utrymme eldrift enheter har nyligen föreslagits och testade4,5,6,7,8 stöds av den dagens intressen för rymden utforskning9,10. Bland dem är inrutade ion11,12 och Hall-typ drivraketer13,14 av primärt intresse på grund av deras förmåga att nå mycket hög verkningsgrad på ca 80%, överstiger eventuella kemiska bogpropeller, inklusive de mest effektiva syre-väte-systemen, effektiviteten av som är begränsad till ca 5000 m/s som huvudansvarige fysiska lagar15,16,17,18.

Omfattande, tillförlitlig testning av miniaturized utrymme drivraketer vanligtvis kräver ett stort komplex av försöksenheter som inkluderar testkammare, vakuum faciliteter (pumpar), kontroll och diagnostik instrument, ett system för mätning av plasma parametrar 19och ett brett utbud av utrustning för att upprätthålla driften av bogpropellern, såsom en elkraft försörjningssystem, drivgas förkopplingsapparaten, dragkraft mätning stativ och många andra20,21. Dessutom en typisk utrymme framdrivning bogpropeller består av flera enheter som separat påverkar effektiviteten och livslängd av hela dragkraft system, och därför kunde testas både separat och som en del av bogpropeller församling22, 23. Detta avsevärt försvårar provningsförfaranden och innebär långa test perioder24,25. Tillförlitligheten i en bogpropeller katod enhet, samt drift av bogpropellrar när olika drivmedel används också kräver särskild hänsyn26,27.

För att kvantifiera en elektrisk framdrivning systemets prestanda och för att kvalificera moduler för operativa distribution i rymduppdrag, marken provningsanläggningar som möjliggör simulering av realistiskt utrymme behövs miljöer för testning av multi-skalas framdrivning enheter28,29,30. Ett exempel på ett sådant system är en stor skalad utrymme miljön simuleringskammare ligger på Space Propulsion centrum-Singapore (SPC-S, figur 1a, b)31. När man utvecklar en sådan simulering miljö, behöver följande primära och sekundära överväganden beaktas. Primära oro är således skapade utrymme miljön måste korrekt och tillförlitligt sätt simulera en realistisk rymdmiljön, som de inbyggda diagnostiska systemen måste ge exakt och korrekt diagnostik under utvärdering av ett system prestanda. Sekundär oro är att de simulerade utrymme miljöerna måste vara mycket anpassningsbara aktivera snabb installation och testning av olika framdrivning och diagnostiska moduler och miljön måste kunna rymma hög genomströmning tester för att optimera ansvarsfrihet och driftförhållanden vid flera enheter samtidigt.

Utrymme miljön och pumpande faciliteter

Här visar vi två simulering Faciliteter på SPC-S som har genomförts för testning av miniaturized elektriska framdrivningssystem, samt som integrerade moduler. Dessa två anläggningar är av olika skalor, och har primärt olika roller i processen för utvärdering av prestanda, som beskrivs nedan.

Stor plasma utrymme aktivering kammare (PSAC)

PSAC har måtten 4,75 m (längd) x 2,3 m (Diameter) och har ett vakuum pumpar svit som består av många höga kapacitet pumpar arbetar i tandem. Det ska kunna uppnå en bastrycket som är lägre än 10-6 Pa. Den har ett integrerat vakuum avläsning och pump aktivering/purge kontrollsystem för evakuering och utrensning av kammaren. Den är utrustad med ett flertal anpassningsbara flänsar, elektriska feedthroughs och visuella diagnostiska ventiler att tillhandahålla linje testanläggning. Detta, kan tillsammans med en full svit av diagnostik kapacitet mounted internt, det ändras snabbt för multimodala diagnostik. Omfattningen av PSAC möjliggör också testning av helt integrerade moduler för applikationer i en simulerad miljö.

PSAC är SPC-S flaggskepp utrymme miljön simulering anläggning (figur 1 c, d). Dess storlek möjliggör provning av färdiga moduler av upp till ett par US monterad på ett quadfilar skede. Fördelen med denna metod skulle vara i realtid visualisering av hur modulerna framdrivning som monterade på olika nyttolaster kan påverka jordbaserad manövrering av payloads i rymden. Detta simuleras genom montering och tillfälligt upphävande av hela nyttolasten på en egenutvecklad quadfilar dragkraft mätplattform. Bogpropellern kan sedan avfyras och svävande plattformen med bogpropeller och nyttolasten skulle provas enligt utrymme villkor. Propellant gasar de råvaror som anger testmiljön via elektrisk framdrivning modulerna pumpas ut effektivt genom vakuum suite att se till att avdelningens totala trycket inte ändras, därför att upprätthålla en realistisk utrymme miljö32 ,33,34. Dessutom elektriska framdrivningssystem vanligtvis involverar produktion av plasmor och utnyttja manipulering av banor av laddade partiklar ut ur systemet för att generera dragkraft35. I mindre simulering miljöer, ackumulering av kostnad eller plasma slidor på väggen kan påverka ansvarsfrihet prestanda genom skärmvägg interaktioner på grund av dess närhet till framdrivningssystemet, särskilt för micropropulsion där typiska dragkraft värden är i storleksordningen millinewtons. Därför måste särskild uppmärksamhet och fokus göras att redogöra för och marginalisera bidrag från sådana faktorer36. Den PSAC stor storlek minimerar skärmvägg interaktioner, gör att de är försumbara, vilket ger en riktigare bild av ansvarsfrihet parametrar och aktivera övervakning av plume profiler i elektrisk framdrivning moduler. PSAC används vanligtvis i full modul utvärdering och system integration/optimering processer som möjliggör snabb översättning av bogpropeller prototyper i operativt redo system för marken testning inför utrymme kvalifikation.

Skalade plasma utrymme miljön simulator (PSEC)

PSEC har måtten 65 cm x 40 cm x 100 cm och har en vakuum pumpning svit som består av sex hög kapacitet pumpar arbetar i tandem (torr vakuumpump, turbomolecular och cryo vakuumpumpar). Det ska kunna uppnå en lägre än 10-5 Pa bastrycket när hela pumpsystem är i drift (alla pumpar är i bruk). Trycket och drivmedel flöden övervakas i realtid via integrerad massflödet avläsning lådor och tryckmätare. PSEC används primärt i uthållighet testning av bogpropellrar. Drivraketer eldas för längre tid att utvärdera effekter av plasma skador på ansvarsfrihet kanaler och dess livstid. Dessutom som visas i figur 2, ett komplext flöde controller gasnätet i denna anläggning möjliggör snabb anslutning av andra råmaterial drivmedel till katoden och anoder att testa kompatibilitet av bogpropellrar med nya drivmedel och effekterna av den senare på bogpropeller prestanda. Detta är ökat intresse att forskargrupper arbetar på ”luft-andning” elektriska bogpropellrar utnyttja nya drivmedel under drift.

Integrerat diagnostiska hjälpmedel (multimodala diagnostik)

Olika integrerade diagnostiska hjälpmedel, utrustad med automatisk integrerad robotsystem (AIRS-µS)19,23, har utvecklats för de två systemen i PSEC och PSAC att tillgodose diagnostik vid olika skalor och ändamål.

Integrerad diagnostik i PSEC

Diagnostiska verktyg i PSEC gångjärn i huvudsak på realtidsövervakning av ansvarsfrihet genom utökad verksamhet. Kvalitetsledningssystemet övervakar resterande gas i anläggningen för främmande arter som uppstår från sputtring av material under en urladdning. Dessa spårmängder övervakas kvantitativt över tid att utvärdera erosion andelen kanalen urladdning och elektroder av bogpropellern att uppskatta den bogpropeller livstid. Optiska utsläpp spektrometern (OES) kompletterar detta förfarande genom att övervaka spektral-fodrar motsvarande elektroniska övergångar av främmande arter på grund av erosion, såsom koppar från elektroniken. OES möjliggör också en icke-invasiv plasma diagnostik och aktiv övervakning av plume profil som kvalitativt utvärderar prestanda av bogpropellern. Slutligen används en robotic Faraday-sond som kan fjärrstyras eller helt självständigt-läge, att härleda snabba svep av plume profilen att optimera collimation av beam genom parametriskt varierande ansvarsfrihet villkor (figur 3).

Integrerad diagnostik i PSAC

Lyxen av fysiskt utrymme i PSAC möjliggör installation av flera bogpropeller system på olika platser modulära konstruktionen möjliggör plugg-och-lek-liknande installation för olika diagnostik samtidigt. Figur 4 visar PSAC inre tvärsnitt i olika konstellationer, med fullt svävande quadfilar thrust mätning plattformen att vara dess mest anmärkningsvärda och permanent fixtur. Torn-system, kontrollerade självständigt eller trådlöst via Android appar med mikrokontroller och Bluetooth-moduler, kan sedan monteras på ett modulärt sätt inför bogpropellern för att erhålla egenskaper av plymen genom installation av olika sonder såsom Faraday, Langmuir och fördröjer potentiella Analyzer (RPA). Också visas i figur 4 är PSAC förmåga att möjliggöra konfigurerbara montering av bogpropeller system för snabb samtidig diagnostik av olika parametrar i plasma. Bogpropellrar kan monteras vertikalt i en enda kolumn och testade snabbt, en efter en annan för att undvika interaktioner mellan olika bogpropeller system. Det har kontrollerats att effektiv utvärdering av upp till 3 olika moduler i en enda instans är möjligt, därmed avsevärt minska driftstopp under evakuering och självrensning processer krävs annars när du testar systemen individuellt. Å andra sidan, är detta system en värdefull möjlighet för att testa de bogpropeller sammansättningar som ska fungera i ett gäng, på samma satellit. Bogpropellrar kan monteras vertikalt i en enda kolumn och testade snabbt, en efter en annan för att undvika interaktioner mellan olika bogpropeller system. Det har testats för att vara effektiv i utvärderingen av upp till 3 olika moduler i en enda instans, avsevärt minska driftstopp under evakuering och självrensning processer krävs annars när du testar systemen individuellt.

Det är viktigt att bestämma inriktningen i micropropulsion system noggrant så att parametrar såsom effektivitet, ηeff och specifika impulsen jagsp, är korrekta, således, ger en tillförlitlig representation av beroendet av Bogpropeller prestanda på olika indataparametrar som drivgas flöde och kraften som levereras till de olika terminalerna av drivraketer som visas i ekvationer 1 och 2. Explicit, kretsar utvärdering av micropropulsion system vanligtvis kring mätning av dragkraft som genereras från systemet på olika parametrar. Därför, system för utvärdering av prestanda behöver kalibreras enligt en uppsättning normer innan de installeras i utrymme miljön för användning inom diagnostik och tester för att säkerställa deras tillförlitlighet och noggrannhet19.

Equation 1

Equation 2

Typiska system anställa kraft kalibrering externt innan framstöten måttenheter är installerade i de test miljö38. Men sådana system ska inte redogöra för de utrymme miljöer som påverkar den materiella rekvisitan av standarder kalibrering och för elektriska, vakuum och termisk påverkan på nedbrytningen av de kalibrerade standarderna under dynamiska utvärdering av drivraketer i prestanda. Automatisk trådlös kalibrering enheten visas i figur 5, möjliggör å andra jordbaserad kalibrering av systemet i simulerad miljö innan bogpropellern är operativa. Detta står för de dynamiska effekterna av testmiljön på mätning scenen och möjliggör snabb omkalibrering av systemet innan bränning av bogpropellrar. Systemet har också en symmetrisk modulära null dragkraft kontroll enhet som kontrollerar framstöten självständigt. Det drivs medan bogpropellern är operationell för jordbaserad analys av den härledda överskjutningar från viss ansvarsfrihet villkor. Hela processen sker via MATLAB appar, så att användarna kan fokusera på optimering av hårdvara och design av framdrivningssystem, och underlättar testning av sådana system. Detaljer av denna metod skulle utarbetas i följande underavsnitt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Här presenterar vi de protokoll för dragkraft kalibrering förfarande och prestanda utvärdering, oberoende dragkraft verifiering via null mätning och plume profilometry via jordbaserad spatialdata avkänning.

1. dragkraft kalibrering förfarandet och dragkraft utvärdering av prestanda

  1. Se till att alla komponenter är installerade i kammaren som visas i figur 5.
  2. Testa anslutning av diagnostiska verktyg externt innan försegla kammaren.
  3. Använda integrerad anläggning kontrollen för att försegla kammaren.
  4. Slå på vakuumpumparna i CSS ordning start från de torra pumparna (tills kammaren når 1 Pa), turbo-molekylära pumpar (tills den når ~ 5 x 10-4 Pa), och sedan de kryogena pumparna.
    Obs: PSAC är kvar att pumpa ner till högvakuum (< ~ 10-5 Pa) att simulera utrymme miljön. Protokollet kan pausas här.
  5. Använd de utveckla apps synkronisera enheter med trådlös transpondern i kammaren. Synkroniseringen är klar när lysdiod (LED) på transpondern slutar blinka.
  6. När önskad vakuum har erhållits, ta en inledande läsning (analog spänning) utanför deplacement lasersensorn som utgångspunkt.
  7. Använda appen utvecklade för att utlösa en sänkning med en vikt (av en exakt kända och kalibrerad massa koppar loop) för kraft översättning på quadfilar scenen.
    Obs: Massan av varje koppar slinga beror på avsedda känsligheten för quadfilar scenen som används. I detta fall var massa varje koppar slinga i storleksordningen 100 mg för utökad kalibrering regimen och 10 mg för den fina kalibrering regimen. Se representativa resultat för mer information.
  8. Spela in förskjutningen (analog spänning) från förskjutningen lasersensorn när det utlöses när massan är helt nedsänkt och dess vikt är översatt till en horisontell kraft.
  9. Upprepa processen (steg 1.7 och 1.8) sänka vikterna och inspelning av förskjutningen av quadfilar scenen tills alla kalibreringar vikterna är expanderat. Alla vikter återgår automatiskt till det equilibrium placerar av Kalibrerings enheten efter sekvensen är klar för att tillåta quadfilar scenen för att nå en equilibrium placerar innan bogpropeller kan avfyras. Spara kalibreringsfaktorn ( fil | Spara som | ”Factor.txt”).
  10. Rita en kalibreringskurva för att erhålla kalibreringsfaktorn för system installerat på den quadfilar arenan, där kalibreringsfaktorn (i mN/V) är lutningen av figuren kraft/spänning.
  11. Registrera en baslinje analog spänning från förskjutning lasersensorn igen innan bränning av bogpropeller.
  12. Aktivera den jordbaserad MATLAB-program för beräkning av dragkraft omedelbart med hjälp av ekvation 3 (se de representativa resultat) och mata in kalibreringsfaktorn härrör i steg 1,9 ( fil | Öppen | ”Factor.txt”).
  13. Bogpropellrar kan sedan eldas igen. Fånga de önskade parametrarna i realtid med hjälp av interna data förvärvet programmet.
    Obs: Alternativt en integrerad app kan användas att helt automatisera kalibreringsprocessen medan synkronisera aktivering sekvensen från motorerna och datainsamling från sensorerna med detta.

2. null measurement protocol för oberoende dragkraft kontroll

  1. Först ta en baslinje (analog spänning) läsning (från förskjutning lasersensorn) av bogpropellern i equilibrium placerar.
  2. Växla operativa parametrar till önskade värden från bogpropeller panel och eld av bogpropeller.
  3. När bogpropellern avfyras, vänta svängningarna på quadfilar pendeln för att stabilisera.
  4. Efter quadfilar stabiliserar en steady state, använda appen kontroll för null mätsystemet för att utlösa en sänkning av vikter. Avläsningar från förskjutning lasersensorn övervakas samtidigt. Vikterna sänks kontinuerligt tills quadfilar scenen aktiveras tillbaka i jämvikt.
  5. När positionen jämvikt uppnås, avsluta sekvensen aktivering och bestämmer kraften som krävs för att föra quadfilar systemet tillbaka till jämvikt.
  6. Utlösa en propp block för att stoppa quadfilar scenen från att flytta.
  7. Beräkna massan motsvarar horisontalkraften krävs att dra systemet tillbaka i jämvikt.

3. aktivering av robotic torn för jordbaserad spatialdata avkänning och plume profilometry

Obs: Under drift av bogpropellern, operatören kan välja att aktivera systemet manuellt till önskad vinkel mot plume egenskaper på särskilda platser eller utlösa en automatiserad sekvens.

  1. Montera bogpropellern på en rörlig scen (som i fallet med PSAC) innan experimentet.
  2. Aktivera stop-bar mekanismen för att förhindra att scenen ansättes under experimentet.
  3. Utlösa mätprotokoll och servo motor ansätta sonden till position 0°.
  4. Förvärva en mätning från sonden.
    Obs: Beroende på vilken typ av sonder installerad, mätning processerna kan varieras enligt den programmerbara ordningsföljd för att erhålla fullständig rumsliga plume profiler för ansvarsfrihet. (a) om en Faraday sond monteras, tas en läsning av en källa mätare (där en bias av -30 V kontinuerligt tillämpas guard ringarna). (b) om en Langmuir sond är monterad, sawtooth spänning waveform levereras till sonden och -V är erhållits och tolkas. (c) om en RPA monteras, sawtooth spänning waveform tillämpas diskriminerande rutnätet, och i-V är erhållits och tolkas.
  5. Utlösa en servomotor med mikrokontroller, att flytta till nästa kantiga position där sekvensen sonden triggas för att göra en mätning igen.
  6. Spara mätningarna i individuellt märkta matriser i en DataMatrix.
  7. Upprepa steg 3.5 och 3.6 tills en fullständig sopa upp till 180° har utförts och sonden förs tillbaka till 0°.
  8. Analysera data som sparats.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Thrust kalibreringen och dragkraft utvärdering av prestanda

Utvärdering av dragkraft värden från quadfilar dragkraft mätning scenen kommer i två faser. Den första fasen är genom att erhålla kalibrering faktorer från Automatisk trådlös kalibrering enheten visas till höger i figur 5. I denna kalibreringsprocessen sänks fina vikter över en slät polytetrafluoreten bar som översätter de vertikala effekterna av en vikt till en horisontell kraft som bifogas bogpropellern på quadfilar scenen. En högupplöst laser deplacement sensor mäter sedan förskjutningen på varje intervall med detta. Detta övervakas av en operatör via en app för förvärv av data som visas i figur 6, och en kalibreringsfaktor erhålls i slutet av serien där många kalibrerade vikter sänks på systemet. Kalibreringsfaktorn S erhålls från den bästa anpassa linjen av horisontell kraft-förskjutning grafen, och den efterföljande dragkraften beräknas med ekvation 3:

Equation 3

där Vbaslinjen är analoga baslinjen spänningen från förskjutning lasersensorn Läs före bränning bogpropellern och Vmätt är den uppmätta spänningen från givaren under jordbaserad drift av bogpropellern.

En tydligare representation av kalibrering systemet visas i figur 7. Det ska noteras att gröna linjen och röda cirklar är endast avsedda för illustration och enbart tjäna som vägledning för ögat. I verkligheten är den gröna linjen en fin Madeira polyamid fiber som ansluter till den monterade bogpropellern. Kalibrerade vikterna är små koppar slingor som noggrant har tyngts av en hög precision massbalans och de kan justeras för att möjliggöra en bra kalibrering regim initialt (med mindre intervall i skillnaden mellan massorna), och till en utökade regim (där större massorna läggs i slutet av sekvensen kalibrering).

En typisk kraft-spänning Graf kommer att producera en rak linje som visas i figur 8 när enheten kalibrering, laser deplacement sensor och quadfilar plattform är korrekt installerad. I det här fallet ger tomten en kalibreringsfaktor (gradient) 27.65 mN∙V-1 i en standardiserad uppsättning upp för dragkraft mätningar över ett brett spektrum av styrkor.

Kalibreringsfaktorn kan ändras genom att ändra känsligheten hos den quadfilar plattformen, som beror på flera faktorer såsom längden på quadfilar kablar. I figur 8, har känslighet inställningar ändrats för att passa i kalibrering vikter för utökade regimer. Både fina och grova kalibrering vikter ingår att ge en kalibreringskurva som är linjär i båda regimerna.

Ett urval av in situ mätningar för dragkraft mätt visas i figur 9. I det här fallet, visar det hur en operatör ska kunna övervaka beroendet av dragkraft på spänning urladdning under experimentet tills ansvarsfrihet är släckt. Effekter av andra ingående parametrar på inriktningen kan också övervakas på samma sätt.

Använda quadfilar dragkraft mätning scenen, vi har kunnat mäta den dragkraft som genereras av vår hall bogpropeller på olika indata powers, ges av ansvarsfrihet nuvarande och tillämpad spänning. Genom denna information, variationen av Equation 4 och Equation 5 med avseende på tillförd effekt kan erhållas. Figur 10a,b visar hur inriktningen och variera med ineffekt på 4 olika massflöden. Slutligen, ritas effektivitet mot den tillförda effekten på olika massflöden i figur 10 c. Resultaten visar att vår bogpropeller har optimerats för att arbeta på ingående befogenheter under 100 W, där låga flöden har resulterat i effektivitetsvinsterna av nästan 30%19. Före optimering uppnått bogpropellern knappt 20% verkningsgrad på 83 W och 5,5 sccm. Resultaten visar att vår bogpropeller har optimerats för att arbeta på ingående befogenheter under 100 W, där låga flöden har resulterat i effektivitetsvinsterna av nästan 30%19. Detta är utan tvekan en anständig prestation jämfört med den SPT100 Hall bogpropeller, vars effektivitet varierar mellan 30% till 40%, och andra Hall styrpropellrar av liknande storlek och ingående befogenheter. Figur 10 d illustrerar ion strömtäthet automatiskt plottade profil.

Null measurement protocol för oberoende dragkraft kontroll

Medan bogpropellern är eldas, lämnas polyamid tråden till höger motsvarar kalibrering enheten slutet slack. Under jordbaserad driften av bogpropellern, kan symmetrisk null kontroll måttenhet sedan utlösas. Symmetrisk null måttenhet fungerar på ett liknande sätt som den robotic kalibreringssystem som visas i figur 5. miniatyr kalibrering vikter bifogas en fina polyamid tråd sänks i systemet och skapa en horisontell kraft som anbringas framdrivningssystemet. I det här fallet används horisontalkraften för att dra det quadfilar systemet som har fördrivits på drift av bogpropellern tillbaka till jämvikt. Denna process visas i tidsberoende Schematisk av processen evolutionen i figur 11. Bogpropellern avfyras först vid t = 0 s, motsvarande panel (a) i serien. Quadfilar scenen sedan förflyttar till höger till följd av horisontalkraften från enheten propulsion. Eftersom miljön mörkare i rymden simulatorn ses rörelse i scenen som den skenbara rörelsen av bogpropellern i (b). Quadfilar scenen och sedan stannar oscillerande och når en jämvikt steady-state förskjutning som visas i (c). I denna instans, null systemet utlöses och stegmotor aktiveras för att dra quadfilar scenen tillbaka till jämvikt som visas i (d). Stegmotor utlöses till en punkt där laser deplacement sensorn upptäcker att scenen är tillbaka i det equilibrium placerar och aktivering stoppas. En mätning tas därefter och dragkraft värdet från detta system ges med detta.

Aktivering av robotic torn för jordbaserad spatialdata avkänning och plume profilometry

Modulära robotic turret system installeras också i både PSAC och PSEC för anpassningsbara diagnostik av plume profiler. Dessa robotic torn är också monterade på motor manövrerad stadier för korrekt sondens positionering enligt axial mittlinjen av drivraketer externt. De robotic torn består av skärmad rostfritt stål höljen som innehåller programmerbara microcontrollers bifogas trådlösa transpondrar för mottagande och överföring av data. Detta tillåter också användare att kontrollera förflyttning av sonden externt, samtidigt som den tar emot data från sensorer utan ytterligare elektriska anslutningar till systemet. Det är också värt att notera att den modulära designen av de mikro-servomotor manövrerad torn tillåter snabb förfining av mätning setup som möjliggör flera sond arrays inklusive Langmuir, Faraday sond och RPAs monteras på samma ställa in enligt operativa krav vid tidpunkten för tiden. Figur 12 visar en Schematisk illustration av den experimentella setup för plume profilometry.

Under drift av bogpropellern, operatören kan välja att manuellt manövrera systemet till önskad vinkel som illustreras i figur 12 plume egenskaper på vissa platser, eller en automatiserad sekvens kan utlösas. Beroende på vilken sonder är installerade, kan mätning processerna varieras enligt den programmerbara ordningsföljd för att erhålla fullständig rumsliga plume profiler för ansvarsfrihet.

Sådan en sekvens möjliggör snabb spatial visualisering av plume profilen som hjälper optimera konstruktion och processoptimering i möjliggör beam collimation för effektiv bogpropeller drift. Manövrerad torn och programmerbara sensorsystem möjliggör autonoma förvärv av plume egenskaper vid varje punkt, där plasma parametrar kan vara härlett och beräknas genom programmerbara system. Detta kan påskynda testning av sådana system med lätt analys och manipulation av stora mängder data genom enkla robotic och manövrerad autonoma system. I figur 10 d, exempelvis är parametern plasma analyseras här ion strömtäthet vid olika kantiga positioner. Det visar hur ansvarsfrihet makt påverkar omfattningen av strömtätheten peak ion och i full bredd på halva maxima med detta. Dessa resultat visar att högre ansvarsfrihet spänningar inte översätter nödvändigtvis till bättre bogpropeller prestanda. Här, resulterar högre makt i att vidga plume profilen som är en icke önskvärd egenskap för en bogpropeller. Detta innebär att vissa av avgaser partiklar har hastigheter som inte är vinkelrät mot bogpropeller exit planet, vilket resulterar i en dragkraft i en oavsiktlig riktning och göra exakt manövrar utmanande. Avgifterna från plymen kan dessutom skada nyttolasten eller andra delsystem på rymdfarkosten. För att optimera bogpropellern för att producera en mer kollimerad plym, kan den nuvarande levereras till de magnetiska spolarna och potentiella nedgången vid anoden justeras tills en tillfredsställande full bredd på halva maxima (FWHM) värde har uppnåtts. Innan plume profil optimering, dess FWHM var 33,1 ° på 140 W men efter optimering, den reducerade till 23,7 ° vid 110 W. Detta innebär att plymen nu är mer parallellt.

Figure 1
Figur 1 : Stort utrymme miljöfonden för provning av elektrisk framdrivning drivraketer. Detta flaggskepp anläggning ligger vid Space Propulsion centrum Singapore, National Institute of Education, Nanyang Technological University. (en) sidovy av kammaren illustrerar transparent ventiler för visuell diagnostik av testsystem och den flera vakuum grade elektriska foder-genomföringar som möjliggör kommunikation, kontroll och diagnostik av system under testet. (b) vakuumpumpar. (c) sidovy av kammaren med en sida laddar lucka öppna. (d) syn på utrymme simulering kammaren med en operatör installera diagnostiska system. Omtryckt med tillåtelse från J. Lim et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 46, 338 (2018) och J. Lim et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 46, 345 (2018). Copyright 2018 IEEE. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2 : Bakifrån av en skalad plasma utrymme miljön simulator (PSEC). PSEC består av totalt 6 pumpar inklusive hög kapacitet kryogen pumpar, turbo-molekylära pumpar och torra pumpar. Installationen innehåller också integrerad bogpropeller diagnostik. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3 : Översikt över en plasma diagnostics Svit i PSEC. Höger på figuren illustrerar en förstorad bild av systemen sett från hyttventil från framsidan av kammaren. Den visuella diagnostiska porten fungerar också som en aveny för optisk utsläpp spektroskopi (OES) göras. Som visas i vyn exteriör på avdelningen, är en quadropole masspektrometer utrustad för resterande gasanalys att utvärdera materiell erosion priser tack vare sputtring i kammaren under långvarig bogpropeller drift. Dessutom är trådlöst kontrollerade robotic Faraday sonder också monterade internt för att utvärdera plume profiler av de drivraketer som genomgår utvärdering av prestanda. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4 : Översikt av integrerad plasma diagnostics suite i PSAC. (en) anpassningsbar design visar en robotic Faraday sonden torn placeras tillsammans med en quadfilar dragkraft prestanda utvärderingsfasen och en in situ-kalibrering viktenhet. (b), anpassningsbara funktioner tillåter upp till tre olika bogpropellrar att monteras och testas samtidigt, minska operativa driftstopp och maximera forskning utgång. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5 : Schematisk layout av kontrollen symmetriska modulära null dragkraft affärsenhet Till skillnad från kalibrering systemet drivs null dragkraft kontroll enheten medan bogpropellern eldas för att möjliggöra oberoende verifiering av dragkraft värden erhålls. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6 : Data förvärv app användargränssnitt. Användargränssnittet för appen MATLAB-baserade tillåter operatören att övervaka dragkraft och spänning läsning från förskjutning lasersensorn i realtid. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7 : Kalibrering affärsenhet En robotic Kalibrerings enheten kan styras via en trådlös operatör ingång eller via fullt autonoma kalibrering sekvenser för snabb kalibrering av ett quadfilar system. Utformning: minimera yttre påverkan; använda tunna, lätta vikt sträng och millinewton vikter; Använd låg statisk koefficienten bar; rad måste vara tillräckligt flexibla för att producera ”u-loop”. För kalibrering stativet, använda trådlös styrenhet, fina Madeira monofilament polyamid (nylon) fiber (ca 4,0 µm), små koppar slingor som vikter och en smidig polytetrafluoreten bar. Linje bör kopplas till baksidan av monterade bogpropeller på quadfilar pendel eller i linje med mitten av reflektor plattan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 8
Figur 8 : Typiska kraft-spänning och kraft-spänning diagram för modifierade installation. (en) kraft-spänning diagram. Mängden vikt som har sänkt och översatt till en horisontell kraft ritas mot motsvarande spänningen läsning på deplacement lasersensorn. Kalibreringsfaktorn (i mN/V) är lutningen av kraft/spänning grafen som kommer att användas i figuren data förvärv app. (b) kraft/spänning. Känsligheten hos setup mot tillämpad kraft höjdes för att rymma för både fina och grova kalibrering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 9
Figur 9 : In situ-prestanda utvärdering. En annan programvara som tillåter dragkraft prestanda övervakas i realtid när en indataparameter, ansvarsfrihet spänningen i det här fallet ändras gradvis. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 10
Figur 10 : Utvärdering av bogpropeller egenskaperna. (en, b) Dragkraft och specifika puls som funktioner av ineffekt på fyra olika massflöden. (c) effektivitet plottas mot den tillförda effekten på olika massflöden. (d) den automatiskt plottade profil av ion strömtäthet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 11
Figur 11 : Tid utvecklingen av null dragkraft kontroll enheten i drift under bränning av en Hall bogpropeller på SPC-S. (en) t = 0 s, där den Hall bogpropellern är första sparken och flyttar från positionen där jämvikt. (b), Quadfilar skede förflyttar till höger framgår av släktingen vinkar av den Hall bogpropellern. (c), Quadfilar scenen slutar oscillerande och når en jämvikt steady state position. Null-systemet utlöses och den stepper motor aktivering påbörjas. (d), Null systemet utlöses att långsamt dra bogpropellern monterad på quadfilar scenen tillbaka till jämvikt. (e), bogpropeller når en equilibrium placerar. Måttenhet för null slutar den stepper motor aktivering. Mätning tas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 12
Figur 12 : Schematisk bild av aktivering av modulära flera sond tornet. Hela systemet styrs trådlöst och Faraday sonden kan bytas snabbt genom att knäppa på en annan sond modul. Anslutningar görs via BNC-typ adaptrar för enkel twist-on konvertering och installation. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 13
Figur 13 : Scheman över ett Hall-typ bogpropeller. Liknande uppställningar med varierande konfigurationer baserat på en generaliserad layout som presenteras i denna figur har också varit anställd av andra grupper. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 14
Figur 14 : Induktivt kopplad Plasma anläggning för syntes av nya material i Plasma källor ansökan centrum / Space Propulsion centrum, Singapore. En kraftfull plasmasystem möjliggör syntesen av kisel-baserade material för innovativa, högeffektiva solceller, liksom bornitrid och andra Nanostrukturerade material för applikationer i de moderna miniatyriserade drivraketer.  Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Typical Hall-typ drivraketer44 är relativt enkla, Billiga och högeffektiva enheter som kan påskynda en ion flux att hastigheterna av flera tiotals km/s, som tillhandahåller dragkraft krävs för accelererande satelliter och rymdfarkoster, samt för manövrering, orientering, position och attityd kontroll, och de kretsar kring slutet av sin livslängd för drift. Tillämpningen av Hall drivraketer på satelliter och andra orbital nyttolaster förbättra uppdraget livstid, låta orbital överföring och bildning/konstellation flyga flera satelliter, och möjliggöra multi mission kapacitet. Strukturellt (se scheman i figur 13), en Hall bogpropeller är en koaxial kammare med en anod som installerats på ena sidan och en katod placeras nära avfarten. Enkelt joniserat men relativt tung, Xe gas, används vanligen som drivmedel, men andra faktorer, såsom jod kan användas i vissa fall45. En ion flux accelereras av ett elektrostatiskt fält som ligger mellan anoden och katoden, medan ett magnetfält som skapas av en uppsättning spolar eller ett system av permanentmagneter garanterar en elektron drift nuvarande runt den centrala delen av den kammare46. Denna elektron drift ström säkerställer effektiv jonisering av en neutral gas och samtidigt, det ger ersättning av en positiv Jon förändring.

Effektiviteten i en elektrisk framdrivning bogpropeller är betydligt beroende av dess design, särskilt formen och konfiguration av elektroder och parametrar av magnetfält, och material som används för den accelererande kanalen, anod och emissive skär i den katod. Exempelvis magnetfält topologin för bogpropellern kan konfigureras på ett sådant sätt att platsen för maximal magnetisk fältstyrka och därmed zonen jonisering skjuts ytterligare nedströms, nära kanalen utlopp, således minska interaktionen mellan hög energi joner och kanalen vägg47. Detta minskar i sin tur erosion andelen kanal väggen och dess beroende av väggen materialegenskaper, att göra väggen materiell ersättning mer genomförbart. Hall-typ drivraketer livstid är starkt beroende av de material som används för dess komponenter, särskilt de som är i kontakt med plasma. Framöver, nya material, samt utrustning och tekniker för dess syntes och testning48,49 behövs för att ytterligare förbättra livslängden på Hall-typ drivraketer.

Nya material syntetiseras i PSAC/SPCS labb använder främst en kraftfull, mycket anpassningsbar, effektiv induktivt kopplad plasma anläggning (figur 14)50,51. Ett spektrum av nya material inkluderar, men begränsas inte till kiselbaserade wafers för innovativa, högeffektiva solceller, liksom bornitrid, grafen-innehållande nanostrukturer52,53, metamaterial54 ,55 och andra Nanostrukturerade material för applikationer i moderna miniatyriserade drivraketer, där de används för betydande intensifiering och optimering av nyckelparametrarna drivraketer56,57. Andra tillgängliga utrustning inkluderar arc och kapacitiv kopplad plasma-system för den avancerade plasma behandling av material58. Faktiskt skulle en betydande förbättring av bogpropeller parametrar kunna uppnås genom genomförandet av sofistikerade test, design, material och simulering optimering tekniker59,60. Dessutom tillämpningar av nya material och materialsystem kunde säkerställa effektiva metoder mot, exempelvis värme överföring61, slitage motstånd62, och andra problem som är förknippade med effektivitet och livslängd miniatyriserade utrymme drivraketer. Plasma-baserade material faciliteter aktivera syntes-, test- och tillämpningen av de mest avancerade material i raketmotorer för närvarande designade63. Det har faktiskt redan visats att plasma-aktiverade tekniker som inbegriper mycket energisk flussmedel på materia och energi, möjliggör effektiv aktivering av ytor64,65 och därmed kontroll över självorganisering, kärnbildning66,67,68 och andra sofistikerade yta-baserade processer som leder till skapandet av den mest avancerade material69,70, 71. Observera att kolhaltiga material såsom kol nanoväggar, nanorör och vertikalt orienterade grafen matriser kan vara ganska lovande för tillämpning i de eldrift drivraketer som elektron avger material72, 73 , 74 och lovande material för väggarna av acceleration kanaler och ansvarsfrihet chambers75.

Plasma-made multilayered, core-skal och porösa material76 kunde också hitta program i olika delar av elektrisk framdrivning system77. Kontrollerad syntes av metalliska enkelväggs kolnanorör78 och plasma-aktiverade, katalysator-fri tillväxt av kolnanorör på mekaniskt skrivna Si funktioner79 är också möjligt i plasma-driven process80.

Sammanfattningsvis har vi presenterat ett protokoll för att testa och optimera miniatyriserade utrymme framdrivningssystem. Diversifierad sophisticatedly utformad utrustning, stora vakuumkammare, kraftfull pumpning plattformar och olika diagnostiska komplex användes för att utföra exakt, informativ karakterisering av mikro-framdrivning drivraketer villkor nära dem hittade i öppet utrymme. Kompetent personal, lämpliga simulering och teoretiskt stöd är också viktigt att hålla micropropulsion design och tekniken utvecklas stadigt. Utvecklingen av nya material är den andra viktiga faktorn som kan garantera betydande genombrott i att förbättra prestandaegenskaperna för moderna elektriska framdrivningssystem, inbegripet små satelliter och CubeSats med hela uppsättningen av försörjningssystem, perifera instrument, verktyg och nyttolast.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna förklarar inget konkurrerande ekonomiska eller andra intressen.

Acknowledgments

Detta arbete fick stöd i en del av OSTIn-SRP/EDB, National Research Foundation (Singapore), akademisk forskning fonden AcRF Tier 1 RP 6/16 (Singapore) och George Washington Institute för nanoteknik (USA). I. L. erkänner stöd från skolan i kemi, fysik och maskinteknik, vetenskap och teknisk fakultet, Queensland University of Technology.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Levchenko, I., Keidar, M., Cantrell, J., Wu, Y. L., Kuninaka, H., Bazaka, K., Xu, S. Explore space using swarms of tiny satellites. Nature. 562, 185-187 (2018).
  2. Kishi, N. Management analysis for the space industry. Space Policy. 39-40, 1-6 (2017).
  3. Chen, Y. China's space policy-a historical review. Space Policy. 37, 171-178 (2016).
  4. Levchenko, I., Bazaka, K., Mazouffre, S., Xu, S. Prospects and physical mechanisms for photonic space propulsion. Nature Photonics. 12, 649-657 (2018).
  5. Mazouffre, S. Electric propulsion for satellites and spacecraft: established technologies and novel approaches. Plasma Sources Sciency and Technology. 25, 033002 (2016).
  6. Rafalskyi, D., Aanesland, A. Brief review on plasma propulsion with neutralizer-free systems. Plasma Sources Sciency and Technology. 25, 043001 (2016).
  7. Levchenko, I., Bazaka, K., Ding, Y., Raitses, Y., Mazouffre, S., Henning, T., Klar, P. J., et al. Space micropropulsion systems for Cubesats and small satellites: from proximate targets to furthermost frontiers. Applied Physics Reviews. 5, 011104 (2018).
  8. Garrigues, L., Coche, P. Electric propulsion: comparisons between different concepts. Plasma Physics and Controlled Fusion. 53, 124011 (2011).
  9. Levchenko, I., Xu, S., Mazouffre, S., Keidar, M., Bazaka, K. Mars Colonization: Beyond Getting There. Global Challenges. 2, 1800062 (2018).
  10. Grimaud, L., Mazouffre, S. Performance comparison between standard and magnetically shielded 200 Hall thrusters with BN-SiO2 and graphite channel walls. Vacuum. 155, 514-523 (2018).
  11. Choueiri, E. Y. A critical history of electric propulsion: the first 50 years (1906-1956). Journal of Propulsion and Power. 20, 193-203 (2004).
  12. In-Orbit Operation of 20 mN Class Xenon Ion Engine for ETS-VIII. Ozaki, T., Kasai, Y., Nakagawa, T., Itoh, T., Kajiwara, K., Ikeda, M. 28th International Electric Propulsion Conference, September 17–20, Florence, Italy, , IEPC-2007-084 (2007).
  13. Ding, Y., Li, H., Li, P., Jia, B., Wei, L., Su, H., Sun, H., Wang, L., Yu, D. Effect of relative position between cathode and magnetic separatrix on the discharge characteristic of hall thrusters. Vacuum. 154, 167-173 (2018).
  14. Ding, Y., Peng, W., Sun, H., Wei, L., Zeng, M., Wang, F., Yu, D. Performance characteristics of No-Wall-Losses Hall thruster. The European Physical Journal - Special Topics. 226, 2945-2953 (2017).
  15. Ahedo, E. Plasmas for space propulsion. Plasma Physics and Controlled Fusion. 53, 124037 (2011).
  16. Charles, C. Plasmas for spacecraft propulsion. Journal of Physics D: Applied Physics. 42, 163001 (2009).
  17. Ding, Y., Sun, H., Li, P., Wei, L., Su, H., Peng, W., Li, H., Yu, D. Application of hollow anode in Hall thruster with double-peak magnetic fields. Journal of Physics D: Applied Physics. 50, 335201 (2017).
  18. Conversano, R. W., Goebel, D. M., Mikellides, I. G., Hofer, R. R. Performance analysis of a low-power magnetically shielded Hall thruster: computational modeling. Journal of Propulsion and Power. 33, 992-1001 (2017).
  19. Chen, F. F. Langmuir probe analysis for high density plasmas. Physics of Plasmas. 8, 3029-3041 (2001).
  20. Neumann, A. Update on diagnostics for DLR’s electric propulsion test facility. Procceedins of Engineering. 185, 47-52 (2017).
  21. Snyder, J. S., Baldwin, J., Frieman, J. D., Walker, M. L., Hicks, N. S., Polzin, K. A., Singleton, J. T. Recommended practice for flow control and measurement in electric propulsion testing. Journnal of Propulsion and Power. 33, 556-565 (2017).
  22. Conversano, R. W., Goebel, D. M., Hofer, R. R., Mikellides, I. G., Wirz, R. E. Performance analysis of a low-power magnetically shielded hall thruster: Experiments. Journal of Propulsion and Power. 33, 975-983 (2017).
  23. Pottinger, S., Lappas, V., Charles, C., Boswell, R. Performance characterization of a helicon double layer thruster using direct thrust measurements. Journal of Physics D: Applied Physics. 44, 235201 (2011).
  24. Ding, Y., Peng, W., Sun, H., Wei, L., Zeng, M., Wang, F., Yu, D. Visual evidence of suppressing the ion and electron energy loss on the wall in Hall thrusters. Japanese Journal of Applied Physics. 56, 038001 (2017).
  25. Ding, Y., Peng, W., Wei, L., Sun, G., Li, H., Yu, D. Computer simulations of Hall thrusters without wall losses designed using two permanent magnetic rings. Journal of Physics D: Applied Physics. 49, 465001 (2016).
  26. Rovey, J. L., Gallimore, A. D. Dormant cathode erosion in a multiple-cathode gridded ion thruster. Journal of Propulsion and Power. 24, 1361-1368 (2008).
  27. Linnell, J. A., Gallimore, A. D. Efficiency analysis of a hall thruster operating with krypton and xenon. Journnal of Propulsion and Power. 22, 1402-1412 (2006).
  28. Laboratory Testing of Hall Thrusters for All-electric Propulsion Satellite and Deep Space Explorers. Funaki, I., Iihara, S., Cho, S., Kubota, K., Watanabe, H., Fuchigami, K., Tashiro, Y. 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Prop. Conf., AIAA Propulsion and Energy Forum (AIAA 2016-4942), , (2016).
  29. Ding, Y., Sun, H., Li, P., Wei, L., Xu, Y., Peng, W., Su, H., Yu, D. Influence of hollow anode position on the performance of a Hall-effect thruster with double-peak magnetic field. Vacuum. 143, 251-261 (2017).
  30. Ding, Y., Peng, W., Sun, H., Xu, Y., Wei, L., Li, H., Zeng, M., Wang, F., Yu, D. Effect of oblique channel on discharge characteristics of 200-W Hall thruster. Physics of Plasmas. 24, 023507 (2017).
  31. Lim, J. W. M., Huang, S. Y., Xu, L., Yee, J. S., Sim, R. Z., Zhang, Z. L., Levchenko, I., Xu, S. Automated Integrated robotic systems for diagnostics and test of electric and μ-propulsion thrusters. IEEE Transaction of Plasma Sciency. 46, 345-353 (2018).
  32. Underwood, C., Sergio, P., Lappas, V. J., Bridges, C. P., Baker, J. Using CubeSat/micro-satellite technology to demonstrate the autonomous assembly of a reconfigurable space telescope (AAReST). Acta Atronaut. 114, 112-122 (2015).
  33. Kamahawi, H., Huang, W., Haag, T. Investigation of the effects of facility background pressure on the performance and voltage-current characteristics of the high voltage hall accelerator. AIAA. , (2014).
  34. Lim, J. W. M., Huang, S. Y., Sun, Y. F., Xu, L., Sim, R. Z. W., Yee, J. S., Zhang, Z. L., Levchenko, I., Xu, S. Precise calibration of propellant flow for practical applications and testing in Hall thruster setups. IEEE Transaction on Plasma Science. 46, 338-344 (2018).
  35. Boeuf, J. P. Tutorial: Physics and modeling of Hall thrusters. Journal of Applied Physics. 121, 011101 (2017).
  36. Ikeda, T., Togawa, K., Tahara, H., Watanabe, Y. Performance characteristics of very low power cylindrical Hall thrusters for the nanosatellite ‘PROITERES-3. Vacuum. 88, 63-69 (2013).
  37. Jackson, S. W., Marshall, R. Conceptual design of an air-breathing electric thruster for CubeSat applications. J. Spacecraft Rockets. , (2018).
  38. Rohaizat, M. W. A. B., Lim, M., Xu, L., Huang, S., Levchenko, I., Xu, S. Development and calibration of a variable range stand for testing space micropropulsion thrusters. IEEE Transaction on Plasma Science. 46, 289-295 (2018).
  39. Raitses, Y., Fisch, N. J. Parametric investigations of a nonconventional Hall thruster. Physics of Plasmas. 5, 2579 (2001).
  40. Vaudolon, J., Mazouffre, S., Henaux, C., Harribey, D., Rossi, A. Optimization of a wall-less Hall thruster. Applied Physics Letters. 107, 174103 (2015).
  41. Mazouffre, S., Grimaud, L. Characteristics and Performances of a 100-W Hall Thruster for Microspacecraft. IEEE Transactions on Plasma Science. 46, 330-337 (2018).
  42. Levchenko, I., et al. Recent progress and perspectives of space electric propulsion systems based on smart nanomaterials. Nature Communications. 9, 879 (2018).
  43. Goebel, D. M., Katz, I. Fundamentals of electric propulsion. , Wiley. (2008).
  44. Choueiri, E. Y. Fundamental difference between the two Hall thruster variants. Physics of Plasmas. 8, 5025 (2001).
  45. Ding, Y., Sun, H., Peng, W., Xu, Y., Wei, L., Li, H., Li, P., Su, H., Yu, D. Experimental test of 200 W Hall thruster with titanium wall. Journal of Physics D: Applied Physics. 56, 050312 (2017).
  46. Lemmer, K. Propulsion for CubeSats. Acta Astronautics. 134, 231-243 (2017).
  47. Ding, Y., et al. A 200-W permanent magnet Hall thruster discharge with graphite channel wall. Physics Letters A. 382 (42), 3079-3082 (2018).
  48. Levchenko, I., Bazaka, K., Belmonte, T., Keidar, M., Xu, S. Advanced Materials for Next Generation Spacecraft. Advanced Materials. 30, 1802201 (2018).
  49. Jacob, M. V., Rawat, R. S., Ouyang, B., Bazaka, K., Kumar, D. S., Taguchi, D., Iwamoto, M., Neupane, R., Varghese, O. K. Catalyst-Free Plasma Enhanced Growth of Graphene from Sustainable Sources. Nano Letters. 15, 5702-5708 (2015).
  50. Baranov, O., Bazaka, K., Kersten, H., Keidar, M., Cvelbar, U., Xu, S., Levchenko, I. Plasma under control: Advanced solutions and perspectives for plasma flux management in material treatment and nanosynthesis. Applied Physics Reviews. 4, 041302 (2017).
  51. Levchenko, I., Bazaka, K., Baranov, O., Sankaran, M., Nomine, A., Belmonte, T., Xu, S. Lightning under water: Diverse reactive environments and evidence of synergistic effects for material treatment and activation. Applied Physics Reviews. 5, 021103 (2018).
  52. Bazaka, K., Jacob, M. V., Ostrikov, K. Sustainable Life Cycles of Natural-Precursor-Derived Nanocarbons. Chemical Reviews. 116, 163-214 (2016).
  53. Levchenko, I., Ostrikov, K. K., Zheng, J., Li, X., Keidar, M., Teo, K. B. K. Scalable graphene production: perspectives and challenges of plasma applications. Nanoscale. 8, 10511 (2016).
  54. Levchenko, I., Bazaka, K., Keidar, M., Xu, S., Fang, J. Hierarchical Multi-Component Inorganic Metamaterials: Intrinsically Driven Self-Assembly at Nanoscale. Advanced Materials. 30, 1702226 (2018).
  55. Baranov, O., Levchenko, I., Bell, J. M., Lim, J. W. M., Huang, S., Xu, L., Wang, B., Aussems, D. U. B., Xu, S., Bazaka, K. From nanometre to millimetre: a range of capabilities for plasma-enabled surface functionalization and nanostructuring. Materials Horizons. 5, 765-798 (2018).
  56. Koizumi, H., Kuninaka, H. Miniature Microwave Discharge Ion Thruster Driven by 1 Watt Microwave Power. Journal of Propulsion and Power. 26, 601-604 (2010).
  57. Ding, Y., Su, H., Li, P., Wei, L., Li, H., Peng, W., Xu, Y., Sun, H., Yu, D. Study of the Catastrophic Discharge Phenomenon in a Hall Thruster. Physics Letters A. 381, 3482-3486 (2017).
  58. Baranov, O., Xu, S., Ostrikov, K., Wang, B. B., Bazaka, K., Levchenko, I. Towards universal plasma-enabled platform for the advanced nanofabrication: plasma physics level approach. Reviews of Modern Plasma Physics. 2, 4 (2018).
  59. Taccogna, F. Monte Carlo Collision method for low temperature plasma simulation. Journal of Plasma Physics. 81, 305810102 (2014).
  60. Furukawa, T., Takizawa, K., Kuwahara, D., Shinohara, S. Electrodeless plasma acceleration system using rotating magnetic field method featured. AIP Advances. 7, 115204 (2017).
  61. Levchenko, I., Beilis, I. I., Keidar, M. Nanoscaled metamaterial as an advanced heat pump and cooling media. Advanced Materials Technologies. 1, 1600008 (2016).
  62. Zidar, D. G., Rovey, J. L. Hall-Effect Thruster Channel Surface Properties Investigation. Journal of Propulsion and Power. 28, 334-343 (2012).
  63. Pai, D. Z., Ostrikov, K. K., Kumar, S., Lacoste, D. A., Levchenko, I., Laux, C. O. Energy efficiency in nanoscale synthesis using nanosecond plasmas. Scientific Reports. 3, 1221 (2013).
  64. Rider, A. E., Levchenko, I., Ostrikov, K. Surface fluxes of Si and C adatoms at initial growth stages of SiC quantum dots. Journal of Applied Physics. 101, 044306 (2007).
  65. Bazaka, K., Baranov, O., Cvelbar, U., Podgornik, B., Wang, Y., Huang, S., Xu, L., Lim, J. W. M., Levchenko, I., Xu, S. Oxygen plasmas: a sharp chisel and handy trowel for nanofabrication. Nanoscale. 10, 17494-17511 (2018).
  66. Levchenko, I., Ostrikov, K., Murphy, A. B. Plasma-deposited Ge nanoisland films on Si: is Stranski–Krastanow fragmentation unavoidable? Journal of Physics D: Applied Physics. 41, 092001 (2008).
  67. Hundt, M., Sadler, P., Levchenko, I., Wolter, M., Kersten, H., Ostrikov, K. Real-time monitoring of nucleation-growth cycle of carbon nanoparticles in acetylene plasmas. Journal of Applied Physics. 109, 123305 (2011).
  68. Levchenko, I., Cvelbar, U., Ostrikov, K. Kinetics of the initial stage of silicon surface oxidation: Deal–Grove or surface nucleation? Applied Physics Letters. 95, 021502 (2009).
  69. Han, Z. J., Rider, A. E., Ishaq, M., Kumar, S., Kondyurin, A. Carbon nanostructures for hard tissue engineering. RSC Advances. 3, 11058-11072 (2013).
  70. Levchenko, I., Ostrikov, K. Carbon saturation of arrays of Ni catalyst nanoparticles of different size and pattern uniformity on a silicon substrate. Nanotechnology. 19, 335703 (2008).
  71. Baranov, O., Levchenko, I., Xu, S., Lim, J. W. M., Cvelbar, U., Bazaka, K. Formation of vertically oriented graphenes: what are the key drivers of growth? 2D Materials. 5, 044002 (2019).
  72. Singh, L. A., Sanborn, G. P., Turano, S. P., Walker, M. L. R., Ready, W. J. Operation of a carbon nanotube field emitter array in a Hall effect thruster plume environment. IEEE Transactions on Plasma Science. 43, 95 (2015).
  73. Levchenko, I., Ostrikov, K. Plasma/ion-controlled metal catalyst saturation: Enabling simultaneous growth of carbon nanotube/nanocone arrays. Applied Physics Letters. 92, 063108 (2008).
  74. Milne, W. I., Teo, K. B. K., Amaratunga, G. A. J., Legagneux, P., Gangloff, L., Schnell, J. P., Semet, V., Binh, V. T., Groening, O. Carbon nanotubes as field emission sources. Journal of Materials Chemistry. 14, 933 (2004).
  75. Lee, C., Wei, X., Kysar, J. W., Hone, J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science. 320, 385 (2008).
  76. Fang, J. Plasma-enabled growth of single-crystalline SiC/AlSiC core–shell nanowires on porous alumina templates. Crystals Growth and Design. 12, 2917-2922 (2012).
  77. Fang, J., Levchenko, I., van der Laan, T., Kumar, S., Ostrikov, K. Multipurpose nanoporous alumina–carbon nanowall bi-dimensional nano-hybrid platform via catalyzed and catalyst-free plasma CVD. Carbon. 78, 627-632 (2014).
  78. Han, Z. J., Yick, S., Levchenko, I., Tam, E., Yajadda, M. M. A., Kumar, S., Martin, P. J., Furman, S., Ostrikov, K. Controlled synthesis of a large fraction of metallic single-walled carbon nanotube and semiconducting carbon nanowire networks. Nanoscale. 3, 3214-3220 (2011).
  79. Kumar, S., Levchenko, I., Ostrikov, K. K., McLaughlin, J. A. Plasma-enabled, catalyst-free growth of carbon nanotubes on mechanically-written Si features with arbitrary shape. Carbon. 50, 325-329 (2012).
  80. Levchenko, I., Ostrikov, K., Keidar, M., Xu, S. Deterministic nanoassembly: Neutral or plasma route? Applied Physics Letters. 89, 033109 (2006).

Tags

Ingenjörsvetenskap testning fråga 144 eldrift Hall drivraketer rymdteknik ansvarsfrihet teknik
Optimering, Test och diagnostik av Miniaturized Hall bogpropellrar
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