JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי לבדוק ולמטב את מערכות הנעה חלל בהתבסס על המדחפים אולם מסוג ולמחקר.

Abstract

ולמחקר חלליות ולווינים דורשים חכם, יעיל מאוד ועמיד נמוך-דחף מדחפים, מסוגל הפעולה המורחבת, אמין ללא נוכחות וכוונון. מנועי thermochemical אשר מנצלים את מאפייני התרמודינמית של גזים כאמצעי האצת יש את המגבלות הפיזיות על מהירות גז הפליטה שלהם, והתוצאה היא יעילות נמוכה. יתר על כן, מנגנונים אלה להפגין יעילות נמוכה ביותר-דחיפות קטנות, עשויים להיות מתאימים עבור מערכות הפעלה אשר מספקים בקרת גמישים בזמן אמת של החללית התמצאות, מהירות, מיקום באופן רציף. לעומת זאת, מערכות הנעה חשמליות אשר השתמש שדות אלקטרומגנטיים כדי להאיץ גזים מיונן (קרי, פלזמות) אין כל מגבלה פיזית מבחינת מהירות פליטה, המאפשר כמעט בכל המוניות נצילות מתקף סגולי. מנועי דחף נמוך אולם יש חיים שלמים של כמה אלפי שעות. שלהם טווחים מתח פריקה בין 100 ל 300 V, פועל ב כוח נומינלי של < 1 קילוואט. הם משתנים בין 20 ל- 100 מ מ בגודל. מדחפים הול גדול יכול לספק שברים של millinewton של דחף. במהלך העשורים האחרונים, חלה עניין גדל והולך מסה קטנה, צריכת חשמל נמוכה של מערכות הנעה יעילות גבוהה כדי נסיעה לוויינים של 50-200 ק ג. בעבודה זו, אנו נדגים כיצד לבנות מבחן, למטב קטן (30 מ"מ) אולם מנוע המסוגל משגע לוויין קטנות במשקל של-50 ק ג. אנו מראים את מנוע הפועלים מדמה סביבת חלל גדול, ואף לתאר כיצד נמדד דחף, פרמטרים חשמליים, כולל מאפיינים פלזמה, נאספים וכוח עיבוד להערכת פרמטרים מפתח מנוע. גם אנו נדגים כיצד מנוע ממוטבת כדי להפוך אותו לאחד המדחפים קטן היעילה ביותר שנבנה אי פעם. נתייחס גם האתגרים וההזדמנויות שהוצגו על-ידי מנוע חומרים חדשים.

Introduction

עניין מחודש בתעשיית החלל יש בחלקו היה מזורז על ידי מערכות הנעה חשמליות יעילים ביותר כי יכולות המשימה לספק משופרת בעת ההשקה מופחת יותר ויותר עולה1,2,3. סוגים שונים של התקנים הנעה חשמלית שטח לאחרונה הוצעו ו שנבדקו4,5,6,7,8 נתמך על ידי הריבית של היום בחלל חקר9,10. ביניהם, הן של העניין העיקרי בשל היכולת שלהם להגיע ליעילות גבוהה מאוד כ 80%, העולה על זה של כל מנוע כימי, יון gridded11,12 ו אולם מסוג מדחפים13,14 כולל מערכות חמצן-מימן היעילה ביותר, היעילות של אשר הוא מוגבל לכ-5000 מ'/s על ידי המנהל הפיזי חוקים15,16,17,18.

מקיף, אמין בדיקה של חלל ולמחקר מדחפים בדרך כלל דורש קומפלקס גדול של מתקני בדיקה הכוללים צ'ילרים, מתקנים ואקום (משאבות), מכשירי בקרה ואבחון, מערכת למדידת פרמטרים פלזמה 19, מגוון רחב של ציוד עזר שמווסתים את הפעולה של מנוע, כגון מערכת אספקת חשמל, יחידת אספקת הטען, דחף לעמוד מדידה ועוד רבים אחרים20,21. יתר על כן, מנוע הנעה שטח טיפוסי מורכב של מספר יחידות המשפיעים בנפרד את היעילות ואת חיי השירות של כל דחף המערכת, לכן, נבדק בנפרד והן כחלק הרכבה מנוע22, 23. זה משמעותי מסבך את תהליכי הבדיקה, מרמז על מבחן ארוך תקופות24,25. אמינות של מנוע הקתודה יחידה, כמו גם פעולת המדחפים כאשר הודף שונים משמשים גם דורש שיקולים מיוחדים26,27.

כדי לכמת את הביצועים של מערכת הנעה חשמלית, ולקרקע להעפיל מודולים עבור הפריסה המבצעית של משימות חלל, בדיקות מתקנים המאפשרים סימולציה של מרחב מציאותי סביבות הדרושים לניסויים של קנה המידה רב הנעה יחידות28,29,30. דוגמה של מערכת כזו הוא תא הדמיית סביבת חלל גדול שקנה המידה שלה השתנה ממוקם על שטח הנעה מרכז-סינגפור (SPC-S, איור 1 א', ב')31. בעת פיתוח כזה סביבה סימולציה, השיקולים הבאים והמשניים צריכים להילקח בחשבון. החששות העיקריים הם כי הסביבה החלל שנוצר ובכך בדייקנות ובאמינות לדמות סביבת החלל מציאותי, מערכות אבחון מובנה חייב לספק דיאגנוסטיקה מדויקת במהלך הערכת ביצועים של מערכת. הדאגות משניים הם כי סביבות חלל מדומה חייב להיות מאוד להתאמה אישית כדי לאפשר התקנה מהירה, בדיקה של הנעה שונה למודולי האבחון ואת הסביבה חייב להיות מסוגל להכיל תפוקה גבוהה בדיקות כדי לייעל הפרשות ותנאים מבצעית של יחידות מרובות בו-זמנית.

סימולטורים סביבת החלל ומתקני שאיבה

כאן, אנחנו מדגימים שני סימולציה מתקני SPC-S אשר יושמו לבדיקה של מערכות הנעה חשמליות מיניאטורי, מודולים באותה מידה כמו משולב. שני מתקנים אלה הן של סולמות שונים, בעיקר יש תפקידים שונים בתהליך הערכת ביצועים, כמתואר להלן.

פלזמה גדולה שטח הופעה קאמרית (PSAC)

PSAC בעל מידות 4.75 מ' (אורך) x 2.3 m (קוטר) יש שואב אבק שאיבה סוויטת אשר כוללת משאבות קיבולת גבוהה רבים עובדים במשולב. הוא מסוגל להשיג בסיס בלחץ נמוך מ 10-6 הפלסטינית. יש בקרה משולבת ואקום readout, משאבות הפעלה/נקה מערכת פינוי והמחסור של התא. הוא מצויד flanges הניתנות להתאמה אישית רבים, feedthroughs חשמל, האשנבים אבחון ויזואלי לספק קו הבדיקה מתקן. זה, יחד עם מלא-חבילת אבחון יכולות לטעון באופן פנימי, מאפשר לו להיות במהירות שונה עבור אבחון ומשולבות. קנה המידה של PSAC מאפשר גם בדיקה של מודולים משולב לחלוטין ליישומים בסביבה מדומה.

PSAC הוא SPC-S הדגל שטח סביבת הדמיה מתקן (איור 1 c, d). גודלו העצום מאפשר בדיקה של מודולים מלאה של עד כמה U רכוב על הבמה quadfilar. היתרון של שיטה זו תהיה החזיית בזמן אמת כמה המודולים הנעה כמו רכוב על מטענים שונים עשויים להשפיע תמרון באתרו דים בחלל. זה מדומה דרך ההרכבה, ההשעיה של המנה כולה על quadfilar קניינית דחף מדידה פלטפורמה. אז יכול להיות מפוטר מנוע, פלטפורמת מושעה עם מנוע ואת המטען להיבדק על פי תנאי שטח. הטען גז ביניים לדלק אשר להזין את סביבת הבדיקה באמצעות המודולים הנעה חשמליים הם שאוב מתוך ביעילות באמצעות חבילת ואקום כדי להבטיח כי הלחץ הכללי של הלשכה אינה משתנה, לכן, שמירה על סביבת החלל מציאותית32 33, ,34. יתר על כן, מערכות הנעה חשמליות בדרך כלל כרוך הייצור של פלזמות, לנצל המניפולציה של מסלולים של חלקיקים טעונים יציאה המערכת על מנת ליצור דחף35. בסביבות סימולציה קטנות יותר, הצטברות של מעילי פרווה תשלום או פלזמה על הקיר עשוי להשפיע על הביצועים הפרשות דרך קיר פלזמה אינטראקציות בשל קרבתו למערכת הנעה, במיוחד עבור micropropulsion שבו טיפוסי דחף ערכים הם לפי סדר millinewtons. לכן, תשומת לב מיוחדת והדגשה להתבצע בחשבון ואת נטייתה תרומות כאלה גורמים36. גודל גדול של PSAC ממזער אינטראקציות פלזמה-קיר, והוציאם זניח, מתן ייצוג מדויק יותר של הפרשות פרמטרים ועל הפעלת פיקוח על הפלומה פרופילים במודולים הנעה חשמלית. PSAC משמשת בדרך כלל בתהליכי מודול מלא הערכה ומערכות אינטגרציה/אופטימיזציה אשר מאפשר לתרגום מהיר של אבי טיפוס מנוע למערכות מבצעית מוכן עבור בדיקות לקראת מוקדמות שטח הקרקע.

מדמה סביבת חלל פלזמה קשקשים (PSEC)

PSEC בעל מידות 65 ס"מ על 40 ס"מ x 100 ס מ, כולל חבילה שאיבת ואקום אשר כוללת שש משאבות קיבולת גבוהה עבודה משותפת (משאבת ואקום יבש, משאבות ואקום turbomolecular, הקפאה). הוא מסוגל להגיע הבסיס בלחץ נמוך מ 10-5 הרשות הפלסטינית, כאשר כל שאיבה מערכת פועלת (כל משאבות נמצאים בשימוש). זורם בלחץ ויצא מנוטרים ב בזמן אמת באמצעות זרימת מסה משולב readout תיבות, מאבחנים לחץ. PSEC הוא מועסק בעיקר בבדיקות סיבולת של מדחפים. מדחפים מפוטר לתקופות ממושכות של זמן כדי להעריך את ההשפעות של פלזמה נזק על ערוצי פריקה ועל חייה. בנוסף, כפי שמוצג באיור2, זרימת הגז מורכב בקר רשת במתקן הזה מאפשר חיבור מהיר של אחרים הודף זינה קטודית, אנודות כדי לבדוק את התאימות של המדחפים עם הרומן הודף ואפקטים של האחרון על ביצועי מנוע. . זה עניין מוגבר קבוצות מחקר עובד בדחפנים חשמלי "אוויר לנשימה" ניצול הודף הרומן במהלך מבצע...

מתקני לאבחון משולב (אבחון רב מודאלית)

מתקני אבחון משולב שונות, מצוידים עם מערכות רובוטיות משולב אוטומטיות (שיעסוק-µS)19,23, פותחו עבור שתי המערכות, PSEC, PSAC המיועדים דיאגנוסטיקה-סולמות שונים ומטרות.

אבחון משולב ב- PSEC

כלי האבחון ב PSEC במהותה טיבית ניטור בזמן אמת של הפרשות באמצעות פעולות מורחבות. מערכת ניהול האיכות מפקח גז שיורית במתקן לזן מזהם הנובעים מן התזה של חומר במהלך הפרשות. כמויות זעירות אלו מנוטרים באופן כמותי לאורך זמן כדי להעריך את שחיקת המחירים של הערוץ פריקה ואלקטרודות של מנוע כדי להעריך את החיים של מנוע. ספקטרומטר אופטי פליטות (OES) משלים בהליך זה על-ידי ניטור קווי הספקטרום המתאים מעברים אלקטרוניים של מזהם מינים עקב שחיקה, כגון נחושת של האלקטרוניקה. OES מאפשר גם פלזמה לא פולשנית אבחון וניטור פעיל של פרופיל הפלומה הבודקת הביצועים של מנוע איכותית. מהניסוי. לבסוף, בדיקה פאראדיי רובוטית, אשר יכול להיות נשלט מרחוק, או הגדר למצב עצמאי לחלוטין, משמש כדי להפיק מטאטא מהיר של הפרופיל הפלומה לייעל את collimation של קרן דרך פרמטרית משתנה תנאי השחרור (איור 3).

אבחון משולב ב- PSAC

המותרות של המרחב הפיזי, PSAC מאפשר התקנה של מערכות מרובות מנוע במקומות שונים בשל העיצוב המודולרי שלה, המאפשר להתקנה תקע ו- play-כמו אבחון שונים בו זמנית. איור 4 מציג חתך פנימי PSAC בתצורות שונות, עם פלטפורמת מדידה דחף quadfilar מושעה באופן מלא להיות מקבע הבולטים ביותר הקבוע שלה. מערכות צריח, נשלט באופן עצמאי או באופן אלחוטי באמצעות לאנדרואיד באמצעות בקרים ומודולים Bluetooth, ואז שניתן להרכיבו באופן מודולרי בפני את מנוע כדי להשיג את המאפיינים של הפלומה דרך ההתקנה של הגששים שונים כמו פאראדיי, לאנגמיור מנתח פוטנציאליים האץ (RPA). גם המוצג באיור 4 היא היכולת של PSAC כדי לאפשר הרכבה להגדרה של מערכות מנוע איבחונים סימולטני של פרמטרים שונים פלזמה. המדחפים יכול להיות מותקן אנכית בעמודה בודדת ונבדק במהירות, אחת אחרי השנייה כדי למנוע אינטראקציות בין מערכות מנוע שונה. זה אומת, כי הערכה יעילה של עד 3 מודולים שונים במופע יחיד הוא אפשרי, לכן באופן משמעותי להקטין את זמן ההשבתה במהלך פינוי והמחסור תהליכים נדרש אחרת בעת בדיקת מערכות בנפרד. מצד שני, מערכת זו היא הזדמנות משמעותית עבור בדיקות ההרכבות מנוע צריך לפעול חבורה, אותו בלווין. המדחפים יכול להיות מותקן אנכית בעמודה בודדת ונבדק במהירות, אחת אחרי השנייה כדי למנוע אינטראקציות בין מערכות מנוע שונה. זה נבדקו יעיל בהערכה של עד 3 מודולים שונים במופע יחיד, צמצום זמן ההשבתה במהלך פינוי והמחסור תהליכים נדרש אחרת בעת בדיקת מערכות בנפרד באופן משמעותי.

זה חיוני כדי לקבוע הדחף במערכות micropropulsion באופן מדויק כל כך את פרמטרים כגון יעילות, ηeff מתקף סגולי את אניsp, מדויקים, ובכך, נותנת ייצוג אמין של התלות של ביצועי מנוע על פרמטרים של קלט שונים כגון זרימת הטען וכן כוח מסופקים המסופים השונים של המדחפים כפי שמוצג משוואות 1 ו- 2. באופן מפורש, הערכת ביצועים של מערכות micropropulsion בדרך כלל סובבת סביב המידה של דחף שנוצר מן המערכת-פרמטרי הפעלה שונות. לכן, מערכות הערכת ביצועים לכייל לפי קבוצת תקנים לפני להיות מותקן לתוך הסביבה שטח לשימוש אבחון ובדיקות על מנת להבטיח את אמינות, דיוק19.

figure-introduction-9799

figure-introduction-9926

מערכות אופייניות להעסיק כוח כיול חיצונית לפני יחידות מידה דחף מותקנים לתוך סביבת הבדיקה38. עם זאת, מערכות כאלה חשבון עבור סביבות החלל המשפיעים על מאפייני הסטנדרטים כיול גשמי, ועבור חשמל, ואקום, תרמי משפיעה על ההשפלה של הסטנדרטים מכוילת במהלך דינמי הערכת ביצועים של המדחפים. יחידת הכיול האוטומטיות האלחוטי המוצגת באיור 5, מצד שני, מאפשרת לכיול באתרו של המערכת בסביבה מדומה לפני מנוע יהיה מבצעי. זה מהווה ההשפעות דינמי של סביבת הבדיקה על הבמה מדידה, ומאפשר מהירה כיול מחדש של המערכת לפני הירי של המדחפים. המערכת כוללת גם יחידה אימות סימטרי דחף null מודולריות אשר מאמת את הדחף באופן עצמאי. הוא מופעל בזמן מנוע פועל לניתוח באתרו של נגזרת דחיפות של נתון פריקה תנאים. התהליך כולו נעשה באמצעות MATLAB apps, המאפשר למשתמשים להתמקד ואופטימיזציה של חומרה ועיצוב של מערכות הנעה, מזרזת ביצוע בדיקות של מערכות כאלה. פרטים של שיטה זו פירט בסעיף שלהלן.

Protocol

כאן אנו מציגים את הפרוטוקולים על דחף כיול הערכה הליך וביצועים, דחף עצמאית אימות באמצעות profilometry תימרת ובחינת null באמצעות נתונים מרחביים באתרו חישה.

1. דחף כיול הליך ודחף הערכת ביצועים

  1. ודא כי כל הרכיבים מותקנים בבית הבליעה, כמוצג באיור5.
  2. בדוק הקישוריות של כלי האבחון חיצוני לפני איטום החדר.
  3. השתמש בפקד מתקן משולב כדי לאטום את התא.
  4. להפעיל את משאבות ואקום הסדר המדורג החל ממשאבות יבש (עד החדר מגיע 1 הרשות הפלסטינית), משאבות טורבו-מולקולרית (עד שיגיע ~ 5 x 10-4 הרשות הפלסטינית), ולאחר מכן קריוגני משאבות.
    הערה: PSAC שנשאר לשאוב עד ואקום גבוה (< ~ 10-5 הרשות הפלסטינית) כדי לדמות סביבת החלל. ניתן להשהות את הפרוטוקול פה.
  5. השתמש את היישומים שפותחו כדי לסנכרן את המכשירים עם המשדר האלחוטי בבית הבליעה. תהליך הסינכרון תושלם כאשר דיודות פולטות אור (LED) על המשדר מפסיקה להבהב.
  6. לאחר הריק הרצוי התקבל, לוקחים על הקריאה הראשונית (מתח אנלוגי) את החיישן הזחה לייזר כקו.
  7. להשתמש app מפותחת כדי לעורר שתנוע משקל (של מסה מכוילת וידוע בדיוק של לולאה נחושת) לתרגום כוח על הבמה quadfilar.
    הערה: המסה של כל לולאה נחושת תלוי הרגישות המיועד של השלב quadfilar בשימוש. במקרה זה, המסה של כל לולאה נחושת היה מסודר לפי 100 מ"ג עבור המשטר כיול מורחבת ו- 10 מ"ג עבור המשטר כיול בסדר. לראות את התוצאות נציג לקבלת מידע נוסף.
  8. הרשומה העקירה (מתח אנלוגי) של חיישן תזוזה לייזר כאשר היא מופעלת לאחר המסה הוא הוריד באופן מלא ואת משקלו מתורגם כח אופקי.
  9. חזור על התהליך (שלבים 1.7 ו- 1.8) של הנמכת המשקולות והקלטה של העקירה של השלב quadfilar עד כל המשקלים ולידציות מורחבות. כל המשקלים באופן אוטומטי יוחזר למצב שיווי משקל על ידי היחידה כיול לאחר שרצף השלמת כדי לאפשר את הבמה quadfilar להגיע למשרת שיווי משקל לפני מנוע יכול להיות מפוטר. להציל את הגורם כיול ( קובץ | שמירת | "Factor.txt").
  10. שרטט את עקומת כיול כדי להשיג את גורם כיול המערכת מותקנת על הבמה quadfilar, איפה כיול הגורם (mN/V) המילוי ההדרגתי של הגרף כוח/מתח.
  11. שיא בסיסית מתח אנלוגי חיישן תזוזה לייזר שוב לפני שהם מפטרים את מנוע.
  12. להפעיל את באתרו MATLAB תוכנית לחישוב דחף באופן מיידי באמצעות משוואה 3 (ראה את התוצאות נציג) ולהזין את הגורם כיול נגזר בשלב 1.9 ( קובץ | פתוח | "Factor.txt").
  13. יכול המדחפים ואז ירה שוב. ללכוד את הפרמטרים הרצויים בזמן אמת באמצעות תוכנית רכישת נתונים ללא צורך במיקור חוץ.
    הערה: לחלופין, אפליקציה משולב ניתן להשתמש כדי להפוך לאוטומטית לגמרי את תהליך הכיול בזמן סינכרון הרצף הופעה מוטורס ולאחר קירור והקפאה של החיישנים בהתאם.

2. null מדידה פרוטוקול לאימות דחף עצמאית

  1. קודם כל, קחי קריאה בסיסית (מתח אנלוגי) (מהחיישן לייזר התקה) מנוע במצב שיווי משקל.
  2. החלפה בין פרמטרים מבצעיים לערכים הרצויים מלוח הבקרה מנוע ואש את מנוע.
  3. ברגע מנוע מפוטר, המתן תנודות המטוטלת quadfilar לייצוב.
  4. לאחר quadfilar מייצב למצב יציב, להשתמש app הבקרה עבור מערכת מדידה null כדי לעורר הנמכת של משקולות. הקריאות מהחיישן הזחה לייזר מנוטרים בו זמנית. המשקלים הם הוריד ללא הרף עד השלב quadfilar הוא actuated בחזרה לתוך שיווי משקל.
  5. לאחר מיקום שיווי משקל מתמלאת, לסיים את הרצף הופעה, לקבוע את הכוח הנדרש כדי להחזיר את מערכת quadfilar שיווי משקל.
  6. לעורר בלוק בסימפטומים ולא במחלה עצמה כדי לעצור את השלב quadfilar לנוע.
  7. חשב המתאים המוני הכוח האופקי הנדרש כדי למשוך את המערכת לתוך שיווי משקל.

3. הופעה של צריחים רובוטית עבור נתונים מרחביים באתרו חישה, הפלומה profilometry

הערה: במהלך הפעולה של מנוע, אופרטור עשויים לבחור להניע את המערכת באופן ידני לזוויות הרצוי כדי להשיג הפלומה מאפיינים במיקומים מסוים או להפעיל רצף אוטומטית.

  1. הר של מנוע על הבמה נעה (כמו במקרה של PSAC) לפני תחילת הניסוי.
  2. להפעיל את מנגנון עצירה-בר כדי למנוע את השלב של הגורמים במהלך הניסוי.
  3. להפעיל את פרוטוקול המדידה ואת servo מנוע כדי להניע את המכשיר למצב 0°.
  4. רוכשים מדידה של המכשיר.
    הערה: בהתאם לסוג של הגששים מותקן, תהליכי המדידה יכולים להיות מגוונים בהתאם לרצף לתכנות להשגת הפלומה המרחבי המלא פרופילים של השחרור. (א) אם מותקן מכשיר בדיקה פאראדיי, קריאה את מד המקור נלקח (איפה דעה קדומה של-30 החמישי ברציפות מוחל על הטבעות משמר). (ב) אם בדיקה לאנגמיור נטענה, צורת גל מתח sawtooth מסופקים החללית, המאפיינים-V שהושג ומפורש. (ג) אם RPA נטען, צורת גל מתח sawtooth מוחל על הרשת מפלה, המאפיינים-V שהושג ומפורש.
  5. להפעיל את מנוע סרוו באמצעות של מיקרו, כדי להעביר מיקום זוויתי הבא שבו הרצף בדיקה מופעלת כדי לבצע מדידה שוב.
  6. שמור את המידות שסומנו בנפרד מערכים במטריצה נתונים.
  7. חזור על שלבים 3.5, 3.6 עד מלא לטאטא עד 180° בוצעה, החללית מובאת בחזרה כדי 0°.
  8. לנתח את הנתונים שנשמרו.

תוצאות

הליך הכיול דחף, דחף הערכת ביצועים

הערכה של דחף ערכים משלב המדידה quadfilar דחף מגיע בשני שלבים. השלב הראשון הוא דרך קבלת כיול גורמים מיחידת הכיול האוטומטיות אלחוטית המוצג מימין איור 5. בתהליך זה כיול, משקולות בסדר הם ה?...

Discussion

אופייני אולם מסוג מדחפים44 פשוטה יחסית, זול, התקנים יעילים ביותר עלול להאיץ את השטף יון כדי בין המהירויות של כמה עשרות ק מ בשנייה, מתן דחף נדרש מאיץ לוויינים וכלי -הטיס, כמו גם עבור תמרונים, כיוון, מיקום ובקרת גישה, בטל את הבחירה במסלול סביב בסוף חייהם השירות מבצע. היישום של אולם מ...

Disclosures

המחברים מצהירים אינטרסים מתחרים לא כספיים או אחרים.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה חלק ע"י OSTIn-קמעונאי/מפיצים של EDB, קרן מחקר לאומי (סינגפור), אקדמיים מחקר קרן AcRF Tier 1 RP 6/16 (סינגפור), ו. ג'ורג ' וושינגטון המכון על ננו-טכנולוגיה (ארה ב). א ל' מאשר התמיכה של בית הספר לכימיה, פיזיקה, הנדסת מכונות, המדע, ההנדסה הפקולטה, האוניברסיטה הטכנולוגית של קווינסלנד.

Materials

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

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. Ozaki, T., Kasai, Y., Nakagawa, T., Itoh, T., Kajiwara, K., Ikeda, M. In-Orbit Operation of 20 mN Class Xenon Ion Engine for ETS-VIII. , 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. Funaki, I., Iihara, S., Cho, S., Kubota, K., Watanabe, H., Fuchigami, K., Tashiro, Y. Laboratory Testing of Hall Thrusters for All-electric Propulsion Satellite and Deep Space Explorers. , (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. , (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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

144

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved