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Résumé

Nous présentons ici un protocole pour tester et optimiser les systèmes de propulsion spatiale issus des propulseurs de type Hall miniaturisés.

Résumé

Lanceurs et satellites miniaturisés nécessitent des propulseurs à faible poussée intelligents, très efficaces et durables, capables de l’opération prolongée et fiable sans la présence et l’ajustement. Thermochimiques propulseurs qui utilisent les propriétés thermodynamiques du gaz comme moyen d’accélération ont des limitations physiques sur leur vitesse des gaz d’échappement, résultant en une faible efficacité. En outre, ces moteurs montrent une efficacité extrêmement faible à petites poussées et peuvent ne pas convenir pour continuellement les systèmes d’exploitation qui fournissent le contrôle adaptatif en temps réel de l’orientation de la sonde, de vitesse et de position. En revanche, les systèmes de propulsion électrique qui permet d’accélérer les gaz ionisés (c.-à-d., les plasmas) champs électromagnétiques n’ont pas aucune limitation physique en termes de vitesse d’échappement, ce qui permet l’efficacité pratiquement toute la masse et l’impulsion spécifique. Propulseurs à faible poussée Hall ont une durée de vie de plusieurs milliers d’heures. Leurs gammes de tension de décharge entre 100 et 300 V, fonctionnant à une puissance nominale de < 1 kW. Ils varient de 20 à 100 mm de taille. Propulseurs large Hall peuvent fournir des fractions de millinewton de poussée. Dans les dernières décennies, il y a eu un intérêt croissant pour la petite masse, de faible puissance et systèmes de propulsion de haute efficacité aux satellites lecteur de 50 à 200 kg. Dans ce travail, nous allons démontrer comment construire, tester et optimiser un petit (30 mm) propulseur Hall capable de propulser un petit satellite pesant environ 50 kg. Nous montrera le propulseur fonctionnant dans un simulateur d’environnement de grand espace et décrire comment mesure-t-on l’orientation et des paramètres électriques, y compris les caractéristiques de plasma, sont collectées et traitées pour évaluer les paramètres de clé de propulseur. Nous allons également démontrer comment le propulseur est optimisé afin de faire l’un des propulseurs de petits plus efficaces jamais construits. Nous aborderons également défis et possibilités offertes par les nouveaux matériaux de propulseur.

Introduction

Regain d’intérêt pour l’industrie spatiale a en partie été catalysée par des systèmes de propulsion électrique très efficace que capacités mission livrer amélioré au lancement de plus en plus réduit coûte1,2,3. Beaucoup de différents types de dispositifs de propulsion électrique de l’espace ont récemment été proposées et testées4,5,6,7,8 pris en charge par l’intérêt actuel dans l’espace exploration de9,10. Parmi eux, ion maillées11,12 et Hall de type propulseurs13,14 sont de première importance en raison de leur capacité à atteindre un rendement très élevé d’environ 80 %, supérieure à celle de n’importe quel propulseur chimique, y compris les systèmes d’oxygène-hydrogène les plus efficaces, dont l’efficacité est limitée à environ 5000 m/s par l’entité de sécurité physique lois15,16,17,18.

Complet, fiable test de propulseurs espace miniaturisé en général nécessite un grand complexe d’installations d’essai comprenant chambres d’essai des installations sous vide (pompes), instruments de contrôle et de diagnostic, un système de mesure des paramètres du plasma 19et un large éventail d’équipements auxiliaires qui soutiennent le fonctionnement de l’hélice, telles qu’un système d’approvisionnement en énergie électrique, unité d’approvisionnement en carburant, thrust mesure stand et beaucoup d’autres20,21. En outre, un propulseur de propulsion spatiale typique se compose de plusieurs unités qui séparément une influence sur l’efficacité et durée de vie de l’ensemble système de poussée et par conséquent, pourrait être testée séparément et dans le cadre de l’Assemblée de propulseur22, 23. Significativement, cela complique les procédures d’essai et implique le test longues périodes24,25. Fiabilité du corps d’un propulseur cathode, ainsi que l’opération de propulseurs lorsqu’on utilise des ergols différents nécessite également une attention spéciale26,27.

Afin de quantifier les performances d’un système de propulsion électrique et qualifiera les modules de déploiement opérationnel dans les missions spatiales, sol essais des installations qui permettent la simulation de l’espace réaliste des environnements sont nécessaires pour les essais de propulsion multi échelle unités de29,28,30. Un exemple d’un tel système est une salle de simulation d’environnement de grand espace à l’échelle située à la Propulsion spatiale Centre-Singapour (SPC-S, Fig. 1 a, b)31. Lors du développement d’un tel environnement de simulation, les considérations primaires et secondaires suivantes doivent être prises en compte. Principales préoccupations sont que l’environnement de l’espace ainsi créé doit simuler, précise et fiable, un environnement spatial réaliste et les systèmes de diagnostic intégré doivent fournir un diagnostic précis et exact au cours de l’évaluation de la performance d’un système. Préoccupations secondaires sont que les environnements de simulation spatiale doivent être hautement personnalisables pour permettre une installation rapide et essais de propulsion différente et des modules de diagnostics et de l’environnement doit être en mesure d’accueillir le haut débit stable afin d’optimiser décharge et des conditions de fonctionnement des unités multiples simultanément.

Simulateurs d’environnement spatial et des installations de pompage

Ici, Nous illustrons deux simulation nstallations SPC-S qui ont été mis en place pour l’essai de systèmes de propulsion électriques miniaturisés, modules ainsi aussi intégrés. Ces deux installations sont de différentes échelles et surtout ont des rôles différents dans le processus d’évaluation des performances, comme nous l’expliquons.

Chambre de plasma grand espace actionnement (AFPC)

L’AFPC a des dimensions de 4,75 m (longueur) x 2,3 m (diamètre) et possède un vide pompage suite qui comprend de nombreuses pompes de grande capacité, travaillant en tandem. Il est capable d’atteindre une pression de base inférieure à 10-6 pa. Il possède un système d’activation/purge intégrée contrôle vide lecture et pompe pour l’évacuation et le nettoyage de la chambre. Il est équipé nombreuses brides personnalisables, traversées électriques et hublots diagnostics visuels à fournir des installations de test de ligne. Ceci, avec une suite complète de capacités de diagnostic monté en interne, lui permet d’être rapidement modifié pour les diagnostics multimodale. L’échelle de l’AFPC permet également de tester des modules entièrement intégrés pour des applications dans un environnement simulé.

L’AFPC est le SPC-S phare espace simulation pour l’environnement (Figure 1 c, d). Sa taille, permettant des tests de modules complets de jusqu'à quelques U monté sur une scène de quadfilar. L’avantage de cette méthode serait dans la visualisation en temps réel de comment les modules de propulsion et monté sur différentes charges utiles peuvent influencer une manoeuvre in situ de charges utiles dans l’espace. C’est simulé par le biais de la fixation et suspension de la charge entière sur un propriétaire quadfilar plate-forme de mesure de poussée. Le propulseur peut alors être tiré, et la plate-forme suspendue avec l’étrave et la charge utile serait testée selon les conditions de l’espace. Charges d’alimentation gaz propulseur qui entrent dans l’environnement de test via les modules de propulsion électrique sont efficacement pompés par la suite sous vide pour s’assurer que la pression globale de la chambre n’est pas altérée, ainsi, maintenir un environnement réaliste de l’espace32 ,33,,34. En outre, systèmes de propulsion électrique en général impliquent la production des plasmas et exploitent la manipulation des trajectoires de particules chargées, quittant le système afin de générer la poussée35. Dans les petits environnements de simulation, l’accumulation des gaines frais ou plasma sur le mur peut affecter la performance de décharge à travers l’interaction plasma-paroi en raison de sa proximité avec le système de propulsion, notamment pour la micropropulsion cas typique de poussée les valeurs sont dans l’ordre millinewtons. L’accent et une attention particulière s’impose donc à comptabiliser et de marginaliser les contributions de ces facteurs de36. Les grandes dimensions de l’AFPC minimise les interactions plasma-mur, rendant négligeable, ce qui donne une représentation plus exacte des paramètres de décharge et permettant le suivi des profils de panache dans les modules de propulsion électrique. L’AFPC est généralement utilisée dans le module complet système d’évaluation et intégration/optimisation des processus permettant une traduction rapide de prototypes de propulseur en systèmes opérationnellement prêts pour les essais en vue de la qualification d’espace de terrain.

Simulateur d’environnement spatial plasma à l’échelle (PSEC)

L’UPS a des dimensions de 65 x 40 cm x 100 cm et dispose d’une suite de pompage sous vide qui se compose de six pompes de grande capacité, travaillant en tandem (sec pompe à vide, pompes à vide turbomoléculaire et cryo). Il est capable d’atteindre une pression inférieure à 10-5 Pa de base lorsque le système de pompage est d’exploitation (toutes les pompes sont en cours d’utilisation). Flux de pression et le propergol sont contrôlées en temps réel par le biais de boîtes de lecture intégrée du débit massique et jauges de pression. L’UPS est principalement employée en endurance essais de propulseurs. Propulseurs sont déclenchés pendant de longues périodes de temps pour évaluer les effets des dommages de plasma sur les canaux de décharge et sur sa durée de vie. En outre, tel qu’illustré à la Figure 2, un réseau de contrôleur de flux de gaz complexe dans cette installation permet une connexion rapide d’autres propulseurs de matières premières à la cathode et les anodes pour tester la compatibilité de propulseurs à propergols roman et les effets de la ce dernier sur les performances du propulseur. Il s’agit d’un intérêt accru aux groupes de recherche travaillant sur « aérobie » propulseurs électriques utilisant des propergols roman au cours de l’opération.

Établissements de diagnostic intégrés (diagnostic multi modale)

Différents centres de diagnostic intégrés, équipés de systèmes automatisés de robotique intégrée (sari-µS)19,23, ont été développés pour les deux systèmes ups et AFPC pour répondre aux diagnostics à différentes échelles et fins.

Diagnostics intégrés dans PSEC

Les outils de diagnostic en PSEC dépendent essentiellement une surveillance en temps réel du débit à travers des opérations étendues. Le système de gestion qualité surveille des gaz résiduel dans l’installation pour les espèces contaminant qui découlent de la pulvérisation du matériau pendant une décharge. Ces traces sont quantitativement surveillées au fil du temps pour évaluer les taux d’érosion de la canal de décharge et les électrodes de l’hélice pour estimer la durée de vie de l’hélice. Le spectromètre d’émission optique (OES) vient compléter cette procédure de surveillance des raies spectrales correspondant aux transitions électroniques des espèces contaminant en raison de l’érosion, tels que le cuivre de l’électronique. OES permet également le diagnostic non invasif de plasma et une surveillance active du profil de panache qui qualitativement évalue le rendement de l’hélice. Enfin, une sonde de Faraday robotisée qui peut être commandée à distance, ou la valeur mode entièrement autonome, est utilisée pour dériver des balayages rapides du profil panache pour optimiser la collimation du faisceau à travers paramétriquement différentes conditions (Figure 3) de la décharge.

Diagnostics intégrés dans l’affaire AFPC

Le luxe de l’espace physique dans l’AFPC permet l’installation de plusieurs systèmes de propulseur à divers endroits en raison de sa conception modulaire, permettant une installation plug et play-type-pour les différents diagnostics en même temps. La figure 4 montre la section transversale intérieure de l’AFPC dans différentes configurations, avec la plate-forme de mesure de poussée entièrement suspendu quadfilar étant son luminaire plus notable et permanente. Systèmes de tourelle, contrôlé de manière autonome ou sans fil via les applications Android à l’aide de microcontrôleurs et modules Bluetooth, peut ensuite être montée de façon modulaire face le propulseur pour obtenir les caractéristiques du panache grâce à l’installation de diverses sondes comme Faraday, Langmuir et analyseur potentiel de ralentissement (EPR). Également montré à la Figure 4 est la capacité de l’AFPC à permettre un montage configurable des éjecteurs pour diagnostics rapides de simultanée des différents paramètres du plasma. Les propulseurs peuvent être montés verticalement dans une seule colonne et testé rapidement, un après l’autre afin d’éviter les interactions entre les différents d’éjecteurs. Il a été vérifié qu’une évaluation efficace de jusqu'à 3 modules différents à une seule instance est possible, donc considérablement réduisant les temps d’arrêt lors de l’évacuation et purge des processus requis autrement lors de l’essai de systèmes individuellement. En revanche, ce système est une occasion précieuse pour tester les assemblys de propulseur qui doivent fonctionner dans un tas, sur le même satellite. Les propulseurs peuvent être montés verticalement dans une seule colonne et testé rapidement, un après l’autre afin d’éviter les interactions entre les différents d’éjecteurs. Il a été testé pour être efficace dans l’évaluation de jusqu'à 3 modules différents à une seule instance, considérablement réduire les temps d’arrêt lors de l’évacuation et la purge des processus requis autrement lors de l’essai de systèmes individuellement.

Il est essentiel de déterminer la poussée dans les systèmes de micropropulsion avec précision ce qui les paramètres tels que l’efficacité, ηeff et l’impulsion spécifique j’aisp, sont exacts, ainsi, donner une représentation fiable de la dépendance de performance de propulseur sur divers paramètres d’entrée tels que le flux de gaz propulseur et puissance fournie aux bornes différentes des propulseurs, comme indiqué dans les équations 1 et 2. Explicitement, évaluation de la performance des systèmes de micropropulsion tourne généralement autour de la mesure de la poussée générée à partir du système à différents paramètres de fonctionnement. Par conséquent, systèmes d’évaluation des performances doivent être calibrées selon un ensemble de normes avant d’être installé dans l’environnement de l’espace pour une utilisation dans le diagnostic et de tests pour s’assurer de leur fiabilité et leur précision19.

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Systèmes typiques emploient force étalonnage externe avant les unités de mesure de poussée sont installées dans l' environnement de test38. Toutefois, ces systèmes ne tiennent pas compte pour les environnements où l’espace qui affectent les propriétés matérielles des normes d’étalonnage et électrique, aspirateur et thermique influe sur la dégradation des normes calibrées au cours dynamique de évaluation de la performance des propulseurs. L’unité automatique de calibrage sans fil illustrée à la Figure 5, permet d’autre part, pour l’étalonnage in situ du système dans l’environnement simulé avant le propulseur est opérationnel. Cela prend en compte les effets dynamiques de l’environnement de test sur la scène de la mesure et permet rapidement ré-étalonnage du système avant la mise à feu des propulseurs. Le système dispose également d’une unité de vérification poussée null modulaire symétrique qui vérifie la poussée indépendamment. Il est exploité alors que le propulseur est opérationnel pour l’analyse in situ de la dérivée poussées de donné décharge conditions. L’ensemble du processus se fait via MATLAB apps, qui permet aux utilisateurs de se concentrer sur l’optimisation du matériel et la conception de systèmes de propulsion et accélère les tests de tels systèmes. Détails de cette méthode seraient élaborées dans la sous-section suivante.

Protocole

Nous présentons ici les protocoles pour l’évaluation de procédure et de performance de calibration poussée, poussée indépendant vérification via null profilométrie mesure et panache par télédétection spatiales données in situ.

1. évaluation du rendement de procédure et de la poussée d’étalonnage de poussée

  1. Assurez-vous que tous les composants sont installés dans la chambre, comme illustré à la Figure 5.
  2. Testez la connectivité des outils de diagnostics externe avant de sceller la chambre.
  3. Utilisez le contrôle de la fonction intégrée pour sceller la chambre.
  4. Mettre en marche les pompes à vide en ordre d’importance les pompes sèches en cascade (jusqu'à ce que la chambre atteigne 1 Pa), pompe turbo-moléculaire (jusqu'à ce qu’il atteigne environ 5 x 10-4 Pa), puis les pompes cryogéniques.
    Remarque : L’AFPC est laissée à la pompe à vide poussé (< ~ 10-5 Pa) pour simuler l’environnement spatial. Le protocole peut être suspendu ici.
  5. Utiliser les applications développées pour synchroniser les périphériques avec le transpondeur sans fil dans la chambre. Le processus de synchronisation est terminé lorsque la diode électroluminescente (LED) sur le transpondeur cesse de clignoter.
  6. Une fois que le vide désiré obtenu, prenez une lecture initiale (tension analogique) sur le capteur de déplacement laser comme référence.
  7. Utiliser l’application développée pour déclencher l’abaissement d’un poids (une masse précisément connue et calibré de lignes de cuivre) pour la traduction de force sur la scène quadfilar.
    Remarque : La masse de chaque boucle de cuivre dépend de la sensibilité prévue de la phase de quadfilar utilisée. Dans ce cas, la masse de chaque boucle de cuivre était de l’ordre de 100 mg pour le régime d’étalonnage étendu et 10 mg pour le régime d’étalonnage fine. Voir les résultats représentatifs pour plus d’informations.
  8. Enregistrer le déplacement (tension analogique) le capteur de déplacement laser lorsqu’il est déclenché après que la masse est complètement abaissée et son poids est traduit en une force horizontale.
  9. Répétez la procédure (étapes 1.7 et 1.8) d’abaisser les poids et enregistrement du déplacement de la scène de quadfilar jusqu'à ce que tous les poids de calibration sont développées. Tous les poids seront automatiquement retournés à la position d’équilibre par l’unité de calibration après que la séquence est terminée pour permettre la phase quadfilar atteindre une position d’équilibre avant propulseur peut être tiré. Sauver le facteur d’étalonnage ( fichier | Enregistrer sous | « Factor.txt »).
  10. Dessiner une courbe de calibrage pour obtenir le facteur d’étalonnage pour le système installé sur la scène de quadfilar, où le facteur d’étalonnage (en mN/V) est la pente de la courbe force/tension.
  11. Enregistrer une tension analogique de base par le capteur de déplacement laser à nouveau avant de déclencher le propulseur.
  12. Activer l’in situ programme MATLAB pour le calcul poussée instantanément à l’aide d’équation 3 (voir les résultats représentatifs) et le facteur d’étalonnage dérivé à l’étape 1.9 d’entrée ( fichier | Ouvert | « Factor.txt »).
  13. Les propulseurs peuvent alors être tirés à nouveau. Capturer les paramètres souhaités en temps réel en utilisant le programme d’acquisition de données interne.
    Remarque : Vous pouvez également une application intégrée peut être utilisée pour automatiser complètement le processus d’étalonnage, tandis que la synchronisation de la séquence de commande des moteurs et des capteurs d’acquisition de données en conséquence.

2. protocole de mesure null pour vérification poussée indépendant

  1. Tout d’abord, prenez une lecture de base (tension analogique) (à partir du capteur de déplacement laser) de l’hélice en position d’équilibre.
  2. Activer/désactiver les paramètres de fonctionnement aux valeurs souhaitées depuis le panneau de commande de propulseur et le propulseur de feu.
  3. Une fois déclenché le propulseur, attendez que les oscillations sur le pendule quadfilar à stabiliser.
  4. Après que le quadfilar se stabilise à un état stable, utiliser le soft de contrôle pour le système de mesure nulle pour déclencher l’abaissement du poids. Lectures du capteur de déplacement laser sont surveillées simultanément. Les poids sont abaissées continuellement jusqu'à ce que l’étape quadfilar est actionné en équilibre.
  5. Une fois la position d’équilibre est atteinte, mettre fin à la séquence d’activation et déterminer la force nécessaire pour adapter le système de quadfilar à l’équilibre.
  6. Déclencher un butoir pour arrêter la phase de quadfilar de se déplacer.
  7. Calculer la masse correspondant à la force horizontale nécessaire pour tirer le système vers l’équilibre.

3. activation des tourelles robotisées pour la profilométrie de télédétection et de panache spatiale de données in situ

Remarque : Pendant le fonctionnement de l’hélice, un opérateur peut choisir d’actionner le système manuellement aux angles désirés pour obtenir les caractéristiques de panache à des endroits particuliers ou déclencher une séquence automatique.

  1. Monter le propulseur sur une scène mobile (comme dans le cas de l’AFPC) avant de commencer l’expérience.
  2. Activez le mécanisme de la barre d’arrêt pour empêcher l’actionner pendant l’expérience de la scène.
  3. Déclencher le protocole de mesure et le servo moteur pour actionner la sonde à la position 0°.
  4. Acquérir une mesure de la sonde.
    Remarque : Selon le type de sondes installé, les processus de mesure peuvent varier selon la séquence programmable permettant d’obtenir des profils complet panache spatiale de la décharge. b si une sonde de Faraday est montée, une lecture au large d’un mètre de la source est prise (où un biais de -30 V est appliqué en continu pour les anneaux de garde). (b) si une sonde de Langmuir est montée, une forme d’onde de la tension en dents de scie est fourni à la sonde et les caractéristiques I-V sont obtenus et interprétés. (c) si un RPA est montée, une forme d’onde en dents de scie de tension est appliquée à la grille discriminante, et les caractéristiques I-V sont obtenus et interprétés.
  5. Déclencher le moteur d’asservissement à l’aide du microcontrôleur, de passer à la prochaine position angulaire où la séquence de la sonde est déclenchée pour faire une mesure à nouveau.
  6. Enregistrer les mesures dans les tableaux marqués dans une matrice de données.
  7. Répétez les étapes 3.5 et 3.6 jusqu'à ce qu’une pleine balayer jusqu'à 180° a été effectuée, et la sonde est ramenée à 0°.
  8. Analyser les données enregistrées.

Résultats

Procédure d’étalonnage de poussée et butée d’évaluation du rendement

Évaluation des valeurs de la poussée de l’étape de mesure quadfilar de poussée se décline en deux phases. La première phase est grâce à l’obtention des facteurs d’étalonnage de l’appareil automatisé de calibrage sans fil indiqué à droite de la Figure 5. Dans ce processus de calibration,...

Discussion

Typical Hall-type propulseurs44 sont relativement simples, bon marché et de dispositifs performants susceptibles d’accélérer un flux ionique pour les vitesses de plusieurs dizaines de km/s, offrant la poussée nécessaire pour accélérer satellites et engins spatiaux, ainsi que pour manœuvres, orientation, position et contrôle d’attitude et le décrochage de l’orbite à la fin de leur durée de vie du service. Demande de salle propulseurs sur les satellites et autres charges orbitales ...

Déclarations de divulgation

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt financier ou autre concurrents.

Remerciements

Ce travail a été soutenu en partie par OSTIn-SRP/EDB, le National Research Foundation (Singapour), Academic Research Fund AcRF Tier 1 RP 6/16 (Singapour) et le George Washington Institute pour la nanotechnologie (USA). I. L. reconnaît le soutien de l’école de chimie, physique et mécanique, sciences et faculté de génie, Queensland University of Technology.

matériels

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

Références

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