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摘要

在这里, 我们提出了一个基于小型化霍尔型推进器的空间推进系统测试和优化协议。

摘要

微型航天器和卫星需要智能、高效和耐用的低推力推进器, 能够在不出勤和调整的情况下延长、可靠的运行。利用气体的热力学特性作为加速手段的热化学推进器对其废气速度有物理限制, 导致效率低下。此外, 这些发动机在小推力下效率极低, 可能不适合对航天器方向、速度和位置进行实时自适应控制的连续运行系统。相反, 利用电磁场加速电离气体 (即等离子体) 的电力推进系统在排气速度方面没有任何物理限制, 几乎允许任何质量效率和特定的脉冲。低推力霍尔推进器有几千小时的寿命。它们的放电电压在100至 300 v 之间, 以 lt;1 千瓦的额定功率工作。它们的大小从20毫米到100毫米不等。大型霍尔推进器可以提供千吨推力的分数。在过去的几十年里, 人们对小质量、低功耗和高效率的推进系统越来越感兴趣, 以驱动50-200 公斤的卫星。在这项工作中, 我们将演示如何建造、测试和优化一个能够推进一个重约50公斤的小型卫星的小型 (30 毫米) 霍尔推进器。我们将展示推进器在大型空间环境模拟器中运行, 并描述如何测量推力, 以及如何收集和处理包括等离子体特性在内的电气参数, 以评估关键推进器参数。我们还将演示推进器是如何优化的, 使其成为有史以来建造的最高效的小型推进器之一。我们还将应对新推进器材料带来的挑战和机遇。

引言

高效的电力推进系统在一定程度上促进了人们对空间工业的重新兴趣, 这些系统以日益降低的发射成本提供了更强大的飞行任务能力 1、2、3.最近提出并测试了许多不同类型的空间电力推进装置, 4、5、6、7、8得到了当今对空间的兴趣的支持勘探9,10。其中, 网格离子11、12和霍尔型推进器13,14是主要关注的问题, 因为它们能够达到80% 左右的非常高的效率, 超过任何化学推进器的效率,包括最有效的氧氢系统, 其效率被主要物理定律15、16、17、18 限制在 5000 m 左右。

对小型化空间推进器进行全面、可靠的测试通常需要大量复杂的测试设施, 包括测试室、真空设施 (泵)、控制和诊断仪器, 这是一个测量等离子体参数的系统1 9日, 以及支持推进器运行的各种辅助设备, 如供电系统、推进剂供应装置、推力测量台等许多20、21 台。此外, 一个典型的空间推进推进器由几个单元组成, 分别影响整个推力系统的效率和使用寿命, 因此, 可以单独测试, 也可以作为推进器组件22的一部分进行测试, 23岁这使测试程序变得更加复杂, 并意味着测试周期很长,24,25。推进器阴极单元的可靠性, 以及在使用不同推进剂时推进器的运行, 也需要特别考虑 26、27.

为量化电力推进系统的性能, 并使模块有资格在空间飞行任务中进行业务部署, 需要有地面测试设施, 以便能够模拟现实的空间环境, 从而进行多尺度推进测试单元 28,29,30。这种系统的一个例子是位于新加坡空间推进中心 (spc-s, 图 1a, b)31的大型空间环境模拟室。在开发这样的模拟环境时, 需要考虑以下主要和次要因素。主要关注的问题是, 所创造的空间环境必须准确、可靠地模拟现实的空间环境, 内置的诊断系统必须在系统性能评估期间提供精确和准确的诊断。次要考虑的是, 模拟空间环境必须是高度可定制的, 以便能够快速安装和测试不同的推进和诊断模块, 并且环境必须能够适应高吞吐量测试以优化同时排放和运行条件。

空间环境模拟器和抽水设施

在这里, 我们展示了 spc-s 的两个仿真设施, 它们已用于测试微型化电力推进系统以及集成模块。如下文所述, 这两个设施的规模不同, 主要在业绩评价过程中发挥不同的作用。

大等离子空间驱动室 (psac)

psac 的尺寸为4.75 米 (长度) x 2.3 米 (直径), 并有一个真空泵送套件, 其中包括许多大容量泵一起工作。它能够实现低于10-6 帕的基压.它有一个集成的真空控制读数和泵激活清洗系统, 用于疏散和清洗室。它配备了许多可定制的法兰, 电气穿通和视觉诊断门廊, 以提供在线测试设施。这一点, 再加上在内部安装的全套诊断功能, 使其能够快速修改, 以便进行多模式诊断。psac 的规模还允许在模拟环境中测试完全集成的模块, 用于应用程序。

psac 是 spc-s 旗舰空间环境模拟设施 (图 1c,d)。其绝对的尺寸允许测试完整的模块, 最多几个 u 的安装在一个四字座的舞台上。这种方法的优点是实时可视化安装在不同有效载荷上的推进模块如何影响空间有效载荷的现场机动。这是通过在专有的四头推力测量平台上安装和悬挂整个有效载荷进行模拟的。然后可以发射推进器, 并根据空间条件对带有推进器和有效载荷的悬挂平台进行测试。通过电力推进模块进入测试环境的推进剂气体原料通过真空套件有效地抽出, 以确保箱体的整体压力不变, 从而保持现实的空间环境32 ,33,34。此外, 电力推进系统通常涉及等离子体的生产, 并利用操纵带电粒子离开系统的轨迹, 以产生推力35。在较小的模拟环境中, 由于靠近推进系统, 在典型推力的情况下, 通过等离子体壁相互作用, 在墙体上的电荷或等离子体护套的堆积可能会影响放电性能值是千的顺序。因此, 必须特别注意和强调考虑到这些因素的贡献, 并将其边缘化36。psac 的大尺寸最大限度地减少了等离子体壁的相互作用, 使其可以忽略不计, 从而更准确地表示放电参数, 并能够监测电力推进模块中的羽流剖面。psac 通常用于完整的模块评估和系统集成优化过程, 这使得可以快速将推进器原型转换为可操作的可用系统, 用于地面测试, 为空间鉴定做准备。

规模等离子体空间环境模拟器 (psec)

psec 的尺寸为65厘米 x 40 厘米 x 100 厘米, 并有一个真空泵, 其中包括6个大容量泵, 串联工作 (干式真空泵、涡轮分子和冷冻真空泵)。当整个泵送系统运行时 (所有泵都在使用中), 它能够实现低于10-5 帕的基压。通过集成的质量流量读出箱和压力表实时监测压力和推进剂流量。psec 主要用于推进器的耐久性测试。推进器被长时间发射, 以评估等离子体损伤对放电通道及其寿命的影响。此外, 如图 2所示, 该设施中的复杂气体流量控制器网络能够快速将其他原料推进剂连接到阴极和阳极, 以测试推进器与新型推进剂的兼容性以及后者对推进器性能。这引起了从事在运行中使用新型推进剂的 "呼吸空气" 电动推进器的研究小组的兴趣。

集成诊断设施 (多模式诊断)

为 psec 和 psac 的两个系统开发了配备了自动化集成机器人系统 (airs-μs)19、23的不同综合诊断设施, 以满足不同规模和用途的诊断需要。

psec 中的集成诊断

psec 中的诊断工具主要取决于通过扩展操作对放电进行实时监测。质量管理系统监测设施中的残余气体, 以确定在排放过程中材料溅射所产生的污染物种类。随着时间的推移, 对这些痕量进行定量监测, 以评估推进器的放电通道和电极的侵蚀速率, 从而估计推进器的寿命。光学排放光谱仪 (oes) 通过监测与侵蚀引起的污染物物种 (如电子产品中的铜) 的电子过渡相对应的光谱线来补充这一程序。oes 还可以实现非侵入性等离子体诊断和羽流轮廓的主动监测, 从而对推进器的性能进行定性评估。最后, 利用可远程控制或设置为完全自治模式的机器人 faraday 探头, 通过参数变化的放电条件, 对羽流剖面进行快速扫描, 以优化梁的准直 (图 3)。

psac 中的集成诊断

由于采用模块化设计, psac 拥有豪华的物理空间, 可在不同位置安装多个推进器系统, 从而同时安装类似即插即用的设备和游戏, 用于各种诊断。图 4显示了各种配置中 psac 的内部横截面, 完全悬挂的四头推力测量平台是其最显著的永久夹具。转塔系统, 通过使用微控制器和蓝牙模块的 android 应用程序自主或无线控制, 然后可以以模块化的方式安装, 面向推进器, 通过安装各种探头获得羽流的特性如法拉第、朗穆伊尔和缓动电位分析仪 (rpa)。图 4中还显示了 psac 的能力, 它允许可配置地安装推进器系统, 以便同时快速诊断各种等离子体参数。推进器可以垂直安装在一个列中, 并进行快速测试, 一个接一个, 以避免不同推进器系统之间的相互作用。已经验证, 在一个实例中可以对多达3个不同的模块进行有效评估, 从而显著减少单独测试系统时在疏散和清除过程中所需的停机时间。另一方面, 该系统是测试应该在同一颗卫星上一堆运行的推进器组件的宝贵机会。推进器可以垂直安装在一个列中, 并进行快速测试, 一个接一个, 以避免不同推进器系统之间的相互作用。它已被测试为在一个实例中有效地评估多达3个不同的模块, 显著减少了疏散过程中的停机时间, 并在单独测试系统时需要这样做。

准确确定微推进系统中的推力是至关重要的, 这样, 效率、 效率和特定的脉冲 i sp等参数都是准确的, 从而可靠地表示了微推进系统的依赖性。推进器在不同输入参数上的性能, 如推进剂流量, 以及提供给推进器不同端子的功率, 如公式1和2所示。显然, 微推进系统的性能评估通常围绕着在各种操作参数下测量系统产生的推力。因此, 在安装到空间环境中用于诊断和测试之前, 需要根据一套标准对性能评价系统进行校准, 以确保其可靠性和准确性19。

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figure-introduction-5352

在将推力测量单元安装到测试环境中之前, 典型的系统在外部使用力校准38。但是, 这类系统并不考虑影响校准标准材料特性的空间环境, 也不考虑电气、真空和热对校准标准在动态过程中的降解的影响。推进器的性能评估。另一方面,图 5所示的自动无线校准单元允许在推进器运行前在模拟环境中对系统进行现场校准。这说明了测试环境对测量阶段的动态影响, 并允许在发射推进器之前对系统进行快速重新校准。该系统还具有对称的模块化空推力验证单元, 可独立验证推力。它是在推进器运行时运行的, 以便对来自特定放电条件的衍生推力进行现场分析。整个过程是通过 matlab 应用程序完成的, 允许用户专注于硬件优化和推进系统的设计, 并加快此类系统的测试。这种方法的细节将在以下小节中详细说明。

研究方案

本文介绍了推力标定程序和性能评价的协议, 通过空测量进行独立推力验证, 通过空间现场数据传感进行羽流轮廓测量。

1. 推力校准程序和推力性能评估

  1. 确保所有组件都安装在机箱中, 如图 5所示。
  2. 在密封腔体之前, 请在外部测试诊断工具的连接性。
  3. 使用集成的设施控制来密封箱体。
  4. 打开真空泵的级联顺序, 从干泵 (直到腔室达到1帕), 涡轮分子泵 (直到它达到 ~5 x 10-4 帕), 然后低温泵。
    注: psac 可将泵送至高真空 (< ~10-5帕), 以模拟空间环境。协议可以在这里暂停。
  5. 使用开发的应用程序将设备与室内的无线应答器同步。当应答器上的发光二极管 (led) 停止闪烁时, 同步过程就完成了。
  6. 一旦获得所需的真空, 将初始读数 (模拟电压) 从激光位移传感器作为基线。
  7. 使用开发的应用程序触发重量的降低 (精确已知和校准的铜循环质量), 以便在四头蛇阶段进行力转换。
    注: 每个铜循环的质量取决于所使用的四边数阶段的预期灵敏度。在这种情况下, 每个铜循环的质量在扩展校准系统中的质量为100毫克, 对于精细校准系统的质量为10毫克。有关详细信息, 请参阅具有代表性的结果。
  8. 记录激光位移传感器在质量完全降低并将其重量转化为水平力后触发时的位移 (模拟电压)。
  9. 重复降低四头段的权重并记录四头数阶段位移的过程 (步骤1.7 和 1.8), 直到展开所有校准权重。在序列完成后, 校准单元将自动将所有权重返回到平衡位置, 以允许四边形阶段在发射推进器之前达到平衡位置。保存校准因子 (文件另存为"工厂. txt")。
  10. 绘制校准曲线, 以获得安装在四极阶段的系统的校准系数, 其中校准因子 (mn/2) 是强制电压图的梯度。
  11. 在发射推进器之前, 再次记录激光位移传感器的基线模拟电压。
  12. 激活使用公式3即时计算推力的原位 matlab 程序 (参见代表性结果), 并输入步骤 1.9 (文件) 中导出的校准因子开盘"工厂. txt")。
  13. 然后, 推进器可以再次发射。使用内部数据采集程序实时捕获所需参数。
    注: 或者, 集成的应用程序可用于完全自动化校准过程, 同时同步电机的驱动序列, 并相应地从传感器采集数据。

2. 用于独立推力验证的空测量协议

  1. 首先, 取推进器的基线 (模拟电压) 读数 (从激光位移传感器) 在平衡位置。
  2. 将操作参数切换到推进器控制面板中的所需值, 然后触发推进器。
  3. 一旦推进器发射, 等待四头轴上的振荡稳定。
  4. 四字符稳定稳定到稳定状态后, 使用空测量系统的控制应用程序来触发权重的降低。同时监测激光位移传感器的读数。重量不断降低, 直到四足阶段被驱动回平衡。
  5. 一旦达到平衡位置, 终止驱动序列, 并确定使四环系统恢复平衡所需的力。
  6. 触发塞子块, 阻止四头肌舞台移动。
  7. 计算与将系统拉回平衡所需的水平力相对应的质量。

3. 用于空间现场数据传感和羽流轮廓测量的机器人炮塔的启动

注: 在推进器的运行过程中, 操作员可以选择手动驱动系统到所需的角度, 以获得特定位置的羽流特性或触发自动序列。

  1. 在开始实验之前, 将推进器安装在移动阶段 (如 psac)。
  2. 启动止损机构, 防止舞台在实验过程中启动。
  3. 触发测量协议和伺服电机, 将探头驱动到0°位置。
  4. 从探头获取测量值。
    注: 根据所安装的探头类型, 测量过程可以根据可编程顺序进行更改, 以获得放电的完整空间羽流轮廓。(a) 如果安装了法拉第探头, 则从源仪表上读取 (在这种情况下, 对防护圈连续施加-30 v 的偏差)。(b) 如果安装了 langmuir 探头, 则向探头提供锯齿电压波形, 并获得和解释 i-v 特性。(c) 如果安装了 rpa, 则将锯齿电压波形应用于判别电网, 并获得和解释 i-v 特性。
  5. 使用微控制器触发伺服电机, 移动到下一个角度位置, 在那里触发探头序列, 再次进行测量。
  6. 将测量值保存在数据矩阵中单独标记的数组中。
  7. 重复步骤3.5 和 3.6, 直到执行高达180°的完全扫描, 并将探头恢复到0°。
  8. 分析保存的数据。

结果

推力校准程序和推力性能评价

四头推力测量阶段推力值的评估分为两个阶段。第一阶段是通过从图 5右侧显示的自动无线校准单元中获取校准因子。在此校准过程中, 在光滑的聚四氟乙烯棒上降低了精细重量, 将重量的垂直效应转换为连接到四片级推进器上的水平力。然后, 高分辨率激光位移?...

讨论

典型的霍尔型推进器44是相对简单、廉价和高效的设备, 可以加速离子通量达到几十公里的速度, 提供加速卫星和航天器所需的推力, 以及在运行寿命结束时进行机动、定位、定位和姿态控制, 并脱轨。霍尔推进器在卫星和其他轨道有效载荷上的应用提高了飞行任务的寿命, 使轨道转移和多颗卫星的飞行星座能够飞行, 并使多飞行任务能够发挥能力。在结构上 (参见图...

披露声明

提交人声明没有相互竞争的经济或其他利益。

致谢

这项工作得到了 ostin-slep/edb、国家研究基金会 (新加坡)、学术研究基金 acf 一级 rp 6/16 (新加坡) 和乔治·华盛顿纳米技术研究所 (美国) 的部分支持。i. l. 感谢昆士兰科技大学化学、物理和机械工程学院、科学和工程学院的支持。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Arduino MicrocontrollerArduinoArduino Uno Rev 3
Bluetooth communication deviceSG BoticWIR-02471
Cryogenic PumpULVACCRYO-U12HLE 
Digital OscilloscopeYokogawaDLM 2054
Dry PumpAgilentTriscroll-600
High resolution laser displacement sensorMicro-EpsilonoptoNCDT ILD-1420-50
Mass Flow ControllerMKSMKS M100B
Optical Emission SpectrometerAvantesAvaSpec-ULS2048XL-EVO
Servo MotorTower ProServo Motor SG90
Stepper MotorOriental MotorPKP213D05A
Turbomolecular PumpPfeifferATH-500M

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