최적화, 테스트 그리고 소형된 홀 로켓의 진단

요약

여기, 우리는 테스트 하 고 최적화 공간 추진 시스템의 소형된 홀 형 로켓에 기반 프로토콜 제시.

초록

소형된 우주선 및 인공위성 스마트, 매우 효율적이 고 내구성이 낮은 추력 로켓, 출석 및 조정 없이 확장, 신뢰할 수 있는 작업의 수 필요합니다. Thermochemical 로켓 가속의 수단으로 가스의 열역학적 특성을 활용 하는 낮은 효율의 결과로 그들의 배기 가스 속도에 물리적 한계를가지고. 또한, 이러한 엔진 작은 돌격에서 매우 낮은 효율을 입증 하 고 우주선 방향, 속도 및 위치 실시간 적응 제어를 제공 하는 지속적으로 운영 체제에 적합 하지 않을 수 있습니다. 반면, 전자기 필드를 사용 하 여 가속 이온된 가스 (즉, 플라즈마)를 전기 추진 시스템 배기 속도, 거의 어떤 대량 효율성 및 특정 전류에서 어떤 물리적 한계는 없습니다. 낮은 돌격 홀 로켓 몇 천 시간의 수명을. 100와 300 V의 정격 전력에서 동작 사이 그들의 방전 전압 범위 < 1 kw 급. 그들은 20에서 100 m m 크기에 따라 다릅니다. 대형 홀 로켓 추력의 millinewton의 분수를 제공할 수 있습니다. 지난 몇 십년 동안 작은 질량, 저전력, 고효율 추진 시스템 드라이브 위성을 50-200 kg의 관심이 증가 하고있다. 이 작품에서는, 우리는 빌드, 테스트, 작은 (30mm) 홀 로켓 추진 약 50 k g 작은 위성의 수를 최적화 하는 방법을 시연할 예정 이다. 우리는 큰 공간 환경 시뮬레이터에서 로켓을 표시 하 고 추력을 측정 하는 방법을 설명 하며 플라즈마 특성을 포함 하 여 전기 매개 변수 수집 및 평가 주요 자세 제어 분사기 매개 변수를 처리 우리는 또한 건설 하는 가장 효율적인 작은 로켓 중 하나 있도록 자세 제어 분사기를 최적화 하는 방법 보여줄 것입니다. 우리 또한 도전과 새로운 로켓 재료에 의해 선물 된 기회를 주소 것입니다.

서문

우주 산업에 새롭게 관심은 일부 되었습니다 촉매 고효율 전기 추진 시스템에 의해 점점 감소 발사에서 향상 된 배달 임무 기능^1,2,3비용. 많은 다른 유형의 공간 전기 추진 장치는 최근 제안 되었습니다 그리고 테스트^4,5,6,,78 공간에 현재의 관심에서 지 원하는 탐구^9,10. 그들 가운데, gridded 이온^11,12 , 홀 형 로켓^13,14 초과 하는 어떤 화학 로켓의 약 80%의 매우 높은 효율에 도달 하는 능력으로 주 관심은 가장 효율적인 산소-수소 시스템 등의 효율성은 약 5000 m로 제한/실제 교장에 의해 s 법률^15,,1617,18.

포괄적이 고 신뢰할 수 있는 소형된 우주 로켓의 일반적으로 테스트 해야 테스트 챔버, 진공 설비 (펌프), 제어 및 진단 기기, 플라즈마 매개 변수 측정을 위한 시스템을 포함 하는 테스트 시설 대형 복합 ¹⁹, 그리고 다양 한 자세 제어 분사기, 전기 전원 공급 시스템, 분사 공급 장치 등 운영 보조 장비 측정 스탠드 그리고 많은 다른 사람^20,21. 또한, 일반적인 공간 추진 로켓 별도로 효율성에 영향을 미치는 여러 단위의 구성 및 전체 서비스 기간 시스템을 따라서, 시험 될 수 있었다 모두 별도로 하 고 자세 제어 분사기 조립^{22의 한 부분으로 23}. 이 크게 테스트 절차를 복잡 하 고 긴 테스트 기간^24,25를 의미. 자세 제어 분사기의 음극 단위의 신뢰성 뿐만 아니라 로켓 다른 발사 화약 사용 하는 경우의 특별 한 배려^26,27필요 합니다.

전기 추진 시스템의 성능을 측정 하 고 우주 임무, 작전 전개에 대 한 모듈을 자격을 접지 시설 있는 현실적인 공간 시뮬레이션 테스트를 환경 멀티 축소 추진의 테스트에 필요한 단위^28,,2930. 이러한 시스템의 예로 공간 추진 센터-싱가포르 (SPC-S, 그림 1a, b)³¹에 있는 큰 확장된 공간 환경 시뮬레이션 챔버 있습니다. 같은 시뮬레이션 환경 개발, 다음 기본 및 보조 고려 사항 고려 될 필요가 있다. 기본 문제는 따라서 만든 공간 환경 정확 하 고 안정적으로 현실적인 공간 환경을 시뮬레이션 해야 합니다 있으며 내장 진단 시스템 시스템의 성능 평가 하는 동안 정확 하 고 정확한 진단을 제공 해야 합니다. 이차 관심사는 시뮬레이션된 공간 환경에서 빠른 설치를 사용 하는 고도로 사용자 정의 되어야 합니다 및 높은 처리량 테스트 최적화를 수용할 수 있어야 다른 추진 및 진단 모듈 및 환경 테스트 방전 및 여러 단위 운영 조건 동시에.

공간 환경 시뮬레이터 및 펌핑 시설

여기, 우리는 두 개의 시뮬레이션 시설 SPC-S에 구현 된 소형된 전기 추진 시스템, 뿐만 아니라 통합된 모듈의 테스트에 대 한 설명 합니다. 이 두 시설 다양 한 스케일의 및 아래에 설명 된 대로 주로 성능 평가 과정에서 서로 다른 역할을가지고.

대형 플라즈마 공간 회전 챔버 (PSAC)

PSAC 4.75 m (길이)의 크기는 2.3 m (지름) x 진공 펌핑 탠덤에서 일 하는 수많은 높은 용량 펌프의 구성 스위트 있다. 그것은 10^-6 아빠 보다 낮은 기본 압력을 얻을 수 있다 그것은 피난 및 챔버의 제거에 내장 된 진공 제어 판독 및 펌프 활성화/제거 시스템. 그것은 수많은 사용자 정의 플랜지, 전기 피드스루, 완비 시각적 진단 현 선 테스트 시설을 제공 하 이, 전체-제품군 진단 기능 탑재 내부적으로 함께 수 멀티 모달 진단에 대 한 신속 하 게 수정할 수 있다. PSAC의 규모 또한 시뮬레이션된 환경에서 응용 프로그램에 대 한 완전히 통합 된 모듈의 테스트 수 있습니다.

PSAC SPC-S 기 함 공간 환경 시뮬레이션 시설입니다 (그림 1 c, d). 그것의 투명 한 크기는 quadfilar 단계에 장착까지 몇 U의 완전 한 모듈의 테스트에 대 한 수 있습니다. 이 방법의 장점은 어떻게 추진 모듈에 다른 페이로드 탑재로 영향을 미칠 수 페이로드 공간에서 원래의 장소에 공작의 실시간 시각화에 있을 것 이다. 이 장착을 통해 동작을 시뮬레이션 하 고 독자적인 quadfilar에 전체 페이로드의 정지 추력 측정 플랫폼. 자세 제어 분사기 다음 해 수, 고 자세 제어 분사기와 페이로드 일시 플랫폼 공간 테스트 될 것 이다. 분사 가스 원료 전기 추진 모듈을 통해 테스트 환경 입력은 진공 스위트는 챔버의 전반적인 압력 변경 되지, 따라서, 현실적인 공간 환경^{32 유지 되도록 하 여 효율적으로 밖으로 양수는 ,,3334}. 또한, 전기 추진 시스템은 일반적으로 플라즈마의 생산을 포함 하 고 악용 추력³⁵를 생성 하기 위해 시스템을 종료 하는 입자의 궤적의 조작. 작은 시뮬레이션 환경에서 벽에 충전 또는 플라즈마 sheaths의 상승 영향을 미칠 수 추진 시스템, 특히 micropropulsion에 그것의 근접 때문에 플라즈마 벽 상호 작용을 통해 방전 성능을 어디 일반적인 추진력 값은 millinewtons 순서입니다. 따라서, 특별 한 관심과 중점 담당 하 고 그러한 요인³⁶에서 기여를 ' 왕 따 '를 제출 되어야 합니다. PSAC의 대형 플라즈마 벽 상호 작용, 그들을 렌더링, 출력 매개 변수의 더 정확한 표현을 주는 및 전기 추진 모듈 프로 파일 깃털의 모니터링 사용을 최소화 합니다. 대개는 PSAC 지상 공간 자격에 대 한 준비에서 테스트를 위한 운영 체제 준비 시스템으로 빠른 번역 자세 제어 분사기 프로토 타입의 수는 전체 모듈 평가 및 시스템 통합/최적화 프로세스에 사용 됩니다.

확장 된 플라즈마 공간 환경 시뮬레이터 (PSEC)

PSEC는 65 cm x 40 cm x 100의 크기 cm 탠덤 (건조 진공 펌프, 터보 및 크라이 오 진공 펌프)에서 6 높은 용량 펌프의 구성 진공 펌핑 스위트 있다. 그것은 전체 시스템을 펌핑 작동 되 면 기본 압력 보다 10^-5 Pa를 얻을 수 있다 (모든 펌프는 사용에서). 압력 및 추진 흐름에서 모니터링 통합된 질량 흐름 해독 상자와 압력 게이지를 통해 실시간. PSEC 로켓의 지구력 테스트에 주로 채택 된다. 로켓 방전 채널에 그리고 그것의 일생에 플라즈마 손상의 효과 평가 하는 시간의 연장된 기간에 대 한 발생 합니다. 또한, 그림 2에서 같이,이 시설에서 복잡 한 가스 유량 컨트롤러 네트워크 가능 소설 추진제를 로켓의 호환성과의 효과 테스트 하는 양극 및 음극에 다른 원료 추진제의 빠른 연결에 로켓 성능에 후자. 이것은 연구 그룹 "공기 호흡" 전기 로켓 소설 추진제를 활용 하 여 작업 중에 작업에 대 한 관심 증가입니다.

통합된 진단 시설 (멀티 모달 진단)

다른 통합된 진단 시설을 갖춘 자동화 된 통합된 로봇 시스템 (개최-µS)^19,23, 다른 저울과 목적에 진단에 대 한 수용 PSEC PSAC에 두 시스템에 대 한 개발 되었습니다.

PSEC 통합된 진단

PSEC 진단 도구는 기본적으로 확장 된 운영을 통해 방전의 실시간 모니터링에 경첩. 품질 관리 시스템을 방전 동안 물질의 스퍼터 링에서 발생 하는 오염 물질 종족에 대 한 시설에서 잔여 가스를 모니터링 합니다. 이러한 미 량 출력 채널의 부식 속도 및 자세 제어 분사기의 수명 추정 하 자세 제어 분사기의 전극 시간이 지남에 양적 모니터링 된다. 광학 방사 분 광 계 (OES) 해당 전자 제품에서 구리와 같은 침식으로 인해 오염 물질 종의 전자 전환 하 스펙트럼 라인을 모니터링 하 여이 절차를 보완 합니다. OES는 또한 비-침략 적 플라즈마 진단 및 질적으로 자세 제어 분사기의 성능을 평가 하는 깃털 프로 파일의 활성 모니터링 수 있습니다. 마지막으로, 원격으로 제어 하거나 전 자동 모드로 설정 될 수 있는 로봇 패러데이 프로브 최적화 패라메트릭하게 방전 조건 (그림 3)을 다양 한을 통해 서 광선의 준 깃털 프로필의 빠른 스위프를 파생 하는 데 사용 됩니다.

PSAC 통합된 진단

물리적 공간에서 PSAC 럭셔리 동시에 다양 한 진단에 대 한 플러그 및 플레이 같은 설치에 대 한 허용, 모듈형 설계로 인해 다양 한 위치에서 여러 개의 로켓 시스템의 설치 수 있습니다. 그림 4 는 그것의 가장 주목할 만한 하 고 영구 고정 물 되 고 완전히 중단된 quadfilar 추력 측정 플랫폼 다양 한 구성에서는 PSAC의 내부 단면을 보여준다. 터릿 시스템, 자율적 제어 또는 무선 마이크로컨트롤러와 블루투스 모듈을 사용 하 여 안 드 로이드 애플 리 케이 션을 통해 장착할 수 있습니다 다음 다양 한 프로브 설치 깃털의 특성을 얻기 위해 로켓을 직면 하 고 모듈 방식 패러데이, Langmuir Retarding 잠재적인 분석기 (RPA) 등 또한 그림 4 에 표시 된 다양 한 플라즈마 매개 변수의 신속한 동시 진단에 대 한 로켓 시스템의 구성 가능한 설치를 위해 허용 하는 PSAC의 능력이 이다. 로켓 단일 열에 수직으로 거치 될 수 있다 고 다른 로켓 시스템 간의 상호 작용을 피하기 위해 다른 후 하나, 테스트. 그것은 최대 3 단일 인스턴스를 다른 모듈의 효율적인 평가 가능 하다, 따라서 크게 철수 하는 동안 가동 중지 시간 감소 및 제거 시스템을 개별적으로 테스트할 때 그렇지 않으면 필요한 프로세스는 확인 되었습니다. 다른 한편으로,이 시스템은 동일한 위성에 잔뜩에서 작동 해야 하는 자세 제어 분사기 어셈블리를 테스트 하기 위한 귀중 한 기회입니다. 로켓 단일 열에 수직으로 거치 될 수 있다 고 다른 로켓 시스템 간의 상호 작용을 피하기 위해 다른 후 하나, 테스트. 그것은 단일 인스턴스, 크게 철수 하는 동안 가동 중지 시간 감소 및 그렇지 않으면 시스템을 개별적으로 테스트할 때 필요한 프로세스 제거에 최대 3 다른 모듈의 평가에 효과적인 것으로 테스트 되었습니다.

그것은 결정 하는 추력 micropropulsion 시스템에서 정확 하 게 그렇게 중요 한 효율, η_eff 특정 충 동 등 그 매개 변수 나_sp정확 하 게, 따라서, 주는의 의존의 신뢰할 수 있는 표현 로켓 분사 흐름 방정식 1와 2에서와 같이 로켓의 다른 단말기에 공급 하는 전력 등의 다양 한 입력된 매개 변수에서 성능. 명시적으로, micropropulsion 시스템의 성능 평가 일반적으로 다양 한 작동 매개 변수는 시스템에서 생성 된 추력의 측정 주위를 돈다. 따라서, 성능 평가 시스템 진단 및 그들의 안정성 및 정확성¹⁹테스트에 사용 하기 위해 공간 환경에 설치 하기 전에 표준의 집합에 따라 보정 해야 합니다.

일반적인 시스템 추력 측정 단위는³⁸의 테스트 환경 설치 하기 전에 외부 힘 보정을 사용 합니다. 그러나, 이러한 시스템의 교정 표준 물질의 성질에 영향을 미치는 공간 환경에 대 한 그리고 전기, 진공에 대 한 계정을 하지 않습니다 및 열 동적 과정 보정된 표준의 저하에 영향 로켓의 성능 평가입니다. 그림 5자동된 무선 교정 장치 다른 한편으로, 교정할 수 있습니다 현장에서 시뮬레이트되는 환경에서 시스템의 자세 제어 분사기가 작동 하기 전에. 이 측정 단계에 테스트 환경의 동적 효과 대 한 차지 하 고 로켓의 발사에 앞서 시스템의 급속 한 다시 교정할 수 있습니다. 시스템은 또한 추력을 독립적으로 확인 하는 대칭 모듈형 null 추력 확인 단위를 갖추고 있습니다. 그것은 자세 제어 분사기는 파생의 현장 분석에 대 한 운영은 운영에서 주어진 돌격 방전 조건. 전체 프로세스 및 이러한 시스템의 테스트 신속한 MATLAB 애플 리 케이 션, 사용자가 하드웨어의 최적화 및 추진 시스템의 디자인에 초점을 통해 이루어집니다. 이 방법의 자세한 내용은 다음 하위 섹션에 정교 것 이다.

프로토콜

여기 우리가 현재 추력 교정 절차 및 성능 평가 대 한 프로토콜, 공간 원래의 데이터 감지 통해 null 측정 및 깃털 profilometry 통해 독립 추력 확인.

1. 추력 교정 절차 및 추력 성능 평가

1. 그림 5에서 보듯이 모든 구성 요소는 챔버에 설치 되어 있는지 확인 합니다.
2. 외부 챔버를 밀봉 하기 전에 진단 도구의 연결을 테스트 합니다.
3. 통합된 시설 제어를 사용 하 여 챔버를 밀봉 하기 위하여.
4. 드라이 펌프에서 시작 하는 계단식 순서로 진공 펌프에 설정 (챔버 1에 도달할 때까지 Pa), 터보 분자 펌프 (~ 10^-4 Pa x 5 때까지), 그리고 극저온 펌프.
   참고: PSAC 왼쪽 아래로 높은 진공 펌프 (< ~ 10^-5 Pa) 공간 환경 시뮬레이션. 프로토콜 여기 일시 중지 될 수 있습니다.
5. 개발 된 애플 리 케이 션을 사용 하 여 챔버에 무선 송신기와 장치를 동기화. 동기화 프로세스는 트랜스폰더에 라이트-발광 다이오드 (LED) 점멸 중지 완료 됩니다.
6. 일단 원하는 진공을 얻은 한 초기 읽기 (아날로그 전압)에서 레이저 변위 센서를 기준으로 가져가 라.
7. 개발된 응용 프로그램을 사용 하 여 quadfilar 무대에 강제로 번역 (구리 루프의 정확 하 게 알려지고 보정 질량)의 중량을 낮추는 방 아 쇠.
   참고: 각 구리 루프의 대량 사용 되 고 quadfilar 무대의 의도 된 감도에 따라 달라 집니다. 이 경우에, 각 구리 루프의 대량 확장된 보정 정권에 대 한 100mg 및 정밀한 교정 정권에 대 한 10 mg의 순서 했다. 자세한 내용은 대표적인 결과 참조 하십시오.
8. 레코드 때 그것 질량 완전히 낮춘 후 레이저 변위 센서 및 그것의 무게에서 변위 (아날로그 전압) 수평 힘으로 변환 됩니다.
9. 무게를 낮추는 및 모든 교정 무게는 확장 될 때까지 quadfilar 무대의 변위의 녹화 (1.7, 1.8 단계) 과정을 반복 합니다. 모든 무게 자동으로 반환 됩니다 평형 위치로 교정 장치에 의해 로켓 발사 될 수 있다 전에 평형 위치에 도달 quadfilar 단계 있도록 시퀀스 완료. 보정 인자를 저장 ( 파일 | 다른 이름으로 저장 | "Factor.txt")입니다.
10. (MN/V)에 보정 계수 힘/전압 그래프의 기울기가 quadfilar 단계에 설치 된 시스템에 대 한 보정 인자를 보정 곡선을 그립니다.
11. 자세 제어 분사기 발사 전에 다시 레이저 변위 센서에서 초기 아날로그 전압을 기록 합니다.
12. 원래의 장소에 활성화 계산 MATLAB 프로그램 즉시 식 3 (대표 결과 참조)를 사용 하 여 추력과 단계 1.9에서에서 파생 된 보정 계수 입력 ( 파일 | 오픈 | "Factor.txt")입니다.
13. 로켓은 다시 다음 발사 수 있습니다. 실시간으로 사내 데이터 수집 프로그램을 사용 하 여 원하는 매개 변수를 캡처하십시오.
    참고: 또는, 통합된 애플 리 케이 션 사용할 수 있습니다 따라 모터에서 작동 순서 및 센서에서 데이터 수집을 동기화 하는 동안 교정 과정을 완전 자동화 하.

2. null 측정 프로토콜 독립적인 추력 확인

1. 먼저, 평형 위치에 자세 제어 분사기의 (레이저 변위 센서)에서 기준선 (아날로그 전압) 읽기를 가져가 라.
2. 자세 제어 분사기 컨트롤 패널에서 원하는 값을 운영 매개 변수를 전환 하 고 자세 제어 분사기를 화재.
3. 자세 제어 분사기, 해 고 일단 안정화 quadfilar 진에 진동 될 때까지 기다립니다.
4. quadfilar 정상 상태를 안정화, 후에 null 측정 시스템에 대 한 제어 애플 리 케이 션을 사용 하 여 무게의 저하를 일으킬. 레이저 변위 센서에서 신호는 동시에 모니터링 하 고 있다. Quadfilar 단계 평형으로 다시 작동 될 때까지 지속적으로 무게에 낮 췄 다.
5. 평형 위치에 도달 하면 발동 시퀀스를 종료 하 고 다시 평형 quadfilar 시스템을가지고 하는 데 필요한 힘을 결정 합니다.
6. 이동에서 quadfilar 단계를 중지 하는 스 토퍼 블록을 트리거하십시오.
7. 질량에 해당 하는 평형에 다시 시스템을 당겨 하는 데 필요한 수평 힘을 계산 합니다.

3. 현장에서 공간 데이터 감지 및 깃털 profilometry에 대 한 로봇 포 탑의 개폐

참고: 자세 제어 분사기의 동안, 연산자 얻기 위해 특정 위치에서 깃털 특성 또는 자동된 시퀀스를 실행할 원하는 각도를 수동으로 시스템 작동을 선택할 수 있습니다.

1. 실험을 시작 하기 전에 (PSAC의 경우)로 이동 단계에 자세 제어 분사기를 탑재 합니다.
2. 실험 기간 동안 움직이는에서 무대를 방지 하기 위해 중지 바 메커니즘을 활성화 합니다.
3. 트리거 측정 및 서보 모터 작용 0 ° 위치에 조사.
4. 프로브에서 측정을 취득 합니다.
   참고: 프로브 설치의 종류에 따라 측정 프로세스 방전의 완전 한 공간 깃털 프로 파일을 얻기 위해 프로그래밍 가능한 순서에 따라 변화 될 수 있습니다. (a) 패러데이 프로브 장착 소스 미터 떨어져 읽기 수행 (-V 30의 바이어스가 지속적으로 적용 되는 가드 링에). (Langmuir probe를 탑재 하는 경우 b) 톱니 전압 파형은 프로브에 공급 하 고-V 특성은 얻은 해석. (c) 경우는 RPA 탑재 톱니 전압 파형 차별 격자에 적용 되 고 I-V 특성 획득 및 해석.
5. 프로브 시퀀스 다시 측정 실행 됩니다 다음 각 위치를 이동 하는 마이크로컨트롤러를 사용 하 여 서보 모터를 트리거하십시오.
6. 측정 데이터 매트릭스에 개별적으로 표시 된 배열에 저장 합니다.
7. 3.5와 3.6 전체 청소 최대 180 °까지 단계를 반복 수행 하 고 조사 0 °에 돌아온.
8. 저장 된 데이터를 분석 합니다.

결과

추력 교정 절차 및 추력 성능 평가

추력 값 quadfilar 추력 측정 단계에서의 평가 두 단계에 온다. 첫 번째 단계는 그림 5의 오른쪽에 표시 된 자동된 무선 교정 장치에서 보정 요소를 얻는 통해서이다. 이 교정 과정에서 훌륭한 무게는 체중의 수직 효과 수평 힘 변환 quadfilar 단계에 자세 제어 분?...

토론

일반 홀 형 로켓⁴⁴ 비교적 간단 하 고 저렴 한 되 고 이온 플럭스 km/s, 추력의 몇몇 10의 속도를 가속 수 있는 고효율 장치 필요한 가속 위성 및 우주선, 뿐만 아니라 공작, 방향, 위치 및 자세 제어, 그리고 그들의 작업 서비스 생활의 끝에도 드. 위성 및 궤도 다른 페이로드 로켓 향상 임무 수명, 홀의 응용 궤도 및 여러 위성의 형성/별자리 비행을 허용 하 고 멀티 미션 기능을 사용?...

자료

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