Name: optimization, test and diagnostics of miniaturized hall thrusters
Uploaded: 2019-02-16T13:00:00
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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。

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
<ol><li>确保所有组件都安装在机箱中, 如图 5所示。</li>
	<li>在密封腔体之前, 请在外部测试诊断工具的连接性。</li>
	<li>使用集成的设施控制来密封箱体。</li>
	<li>打开真空泵的级联顺序, 从干泵 (?...

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...

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。
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58466/58466eq1.jpg">
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58466/58466eq2.jpg">
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。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:912px;" width="911">
	<tbody>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;width:429px;">Arduino Microcontroller</td>
			<td style="width:159px;">Arduino</td>
			<td style="width:260px;">Arduino Uno Rev 3</td>
			<td style="width:65px;"></td>
		</tr>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;">Bluetooth communication device</td>
			<td>SG Botic</td>
			<td>WIR-02471</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;">Cryogenic Pump</td>
			<td>ULVAC</td>
			<td>CRYO-U12HLE&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;">Digital Oscilloscope</td>
			<td>Yokogawa</td>
			<td>DLM 2054</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;">Dry Pump</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>Triscroll-600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;">High resolution laser displacement sensor</td>
			<td>Micro-Epsilon</td>
			<td>optoNCDT ILD-1420-50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;">Mass Flow Controller</td>
			<td>MKS</td>
			<td>MKS M100B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;">Optical Emission Spectrometer</td>
			<td>Avantes</td>
			<td>AvaSpec-ULS2048XL-EVO</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;">Servo Motor</td>
			<td>Tower Pro</td>
			<td>Servo Motor SG90</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;">Stepper Motor</td>
			<td>Oriental Motor</td>
			<td>PKP213D05A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="31">
			<td height="31" style="height:31px;">Turbomolecular Pump</td>
			<td>Pfeiffer</td>
			<td>ATH-500M</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optimization, test and diagnostics of miniaturized hall thrusters

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。

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?...

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Optimization, Test and Diagnostics of Miniaturized Hall Thrusters

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。

小型化霍尔推进器的优化、测试和诊断

Miniaturized spacecraft and satellites require smart, highly efficient and durable low-thrust thrusters, capable of extended, reliable operation without ...

本专题介绍的总体目标是介绍在地面空间环境模拟设施中测试专用电力推进器的方法。这些方法涉及自动化系统，这些系统集成了硬件软件集成，实现了用于自动或远程诊断的智能系统，以及推进模块和空间其他有效载荷的性能评估。新加坡空间推进中心是新加坡南洋理工大学国家教育研究所的研究中心。此处开发的测试环境包括两个用于不同用途的空间环境模拟设施。缩放空间环境模拟器主要用于推进器的生命周期测试。推进器在此设施中长时间发射，以评估等离子体损坏对遇险通道的影响。然后推断推进器的寿命。四极式悬浮阶段允许正确可视化安装在不同有效载荷上的推进模块如何影响空间中的原位机动。这是通过安装和悬挂整个有效负载在悬挂的系统中模拟的。然后可以发射推进器，并根据空间条件启动安装模块的悬挂式平台。四纤维钟摆还加快了推进器和模块的平位、校准和安装过程，用于在空间环境中进行测试。通过此设置，测试设施中只需要一个操作员来利用扭转导线上的频率调制，对整个系统进行调平和校准。在大型空间环境模拟器中，除了能够进行推力原位推导的四极悬浮推力阶段外，还可以定制模块化空间驱动机器人探头，以便通过可配置的附件单元进行安装。还值得注意的是，大型空间环境设施具有许多安装点和真空夹点电子过滤器，可安装多个推进器和诊断设备，以便同时进行性能评估。如果单独进行测试，这将减少在通道安装和重新配置过程中对腔室进行疏散和泵送时产生的停机时间。现在，我们将在测试推进装置之前完成四纤维钟摆的安装和校准程序。首先，确保所有部件都安装到腔室中，以便随后进行测试。在密封腔室之前，在外部测试诊断工具的连通性。使用集成设施控制密封腔室。从干泵、涡轮分子泵和低温泵开始，按级联顺序打开真空泵。使用开发的应用将您的设备与室内的无线转发器同步。当转发器上的闪烁 LED 停止闪烁时，同步过程完成。获得所需的真空并初始读数从激光位移传感器上取下来作为基线。使用开发的应用程序触发校准重量的降低，以在四极阶段进行力平移。记录激光位移传感器的位移。重复降低排量四极级的重量和记录的过程，直到消耗所有校准重量。绘制校准曲线以获取安装在四极级上的系统的校准系数。然后，可以发射推进器，通过内部研究人员编写的数据采集程序可以实时捕获所需的参数。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和传感器的数据采集。现在，我们将通过独立验证获得的推力参数到空测量的程序，以及如何触发空间驱动代理，以在进行推力测量后获取羽流轮廓。首先，在平衡位置对四纤维钟摆进行基线读数。从推进器控制面板将操作参数切换到所需值并发射推进器。触发信任后，等待四纤维摆上的振荡稳定下来。稳定后，使用空测量系统的控制应用触发权重的降低。重量不断降低，直到四极级被驱动回平衡。一旦达到平衡位置，驱动序列终止，确定使四极体系统恢复平衡所需的力。然后触发一个塞子块，以阻止四极级移动。然后对空间测量探头支座执行扫描序列。同步序列循环，用于从每个空间位置的探测器获取数据，并存储在数组中进行相应分析。其他探头可以定制，安装在模块化附件上，以使用羽状轮廓上的空间信息。在本节中，我们将介绍从校准序列中获得的典型结果，以及通过法拉第探针扫描获得的典型羽流剖面。通过为平移系统使用该探头电机，将四极推力校准到测量阶段。为了在实验任务中得出推力推导所需的校准因子。由自动程序的操作员触发的序列，用于降低垂直操作的精细校准重量，并水平平移以模拟推进器发射时的驱动。每个间隔都获取高分辨率激光位移传感器的读数，然后绘制校准曲线，以获取用于系统后续测量的校准系数。在此图中，我们看到在单个自动校准过程中绘制的典型校准曲线。可以看到，四极级的正确校准和设置可产生非常线性的校准图，从而产生每伏特 27.65 毫牛顿的校准系数。在标准化设置中，用于各种力的推力测量。也可以修改设置以适应扩展方案的校准权重，如此校准图所示。扭转线根据灵敏度进行调整，并包括精细和过程校准权重，以产生两种结构中线性的校准图。图中显示了推导推力的原位测量样本。此图显示了操作员如何监控推力对放电电压的依赖性。在实验过程中，直到排放被扑灭。使用四极推力测量阶段，我们能够测量整个推进器在放电电流和应用电压提供的各种输入功率下产生的推力。通过这些信息，可以获得输入功率效率和特定脉冲的变化。这些数字显示了推力和特定脉冲在四个不同的质量流速下随输入功率的不同而变化。此图显示了效率如何取决于输入功率。结果表明，推进器经过优化，在输入功率低于100瓦时工作，低流速在发射推进器后效率接近30%，触发了空测量序列，以独立验证从系统获得的信任。发射推力时，根据从系统派生的推进幅度，舞台会置换。空测量单元是安装在相对校准单元的对称系统，它利用类似的力转换系统将阶段重新激活至平衡。激光位移传感器在整个测量过程中主动监控位移，并触发激活系统激活序列，该序列仅在达到基线平衡时终止。操作员还能够可视化原位羽流轮廓，如图所示。此图显示了放电功率如何影响峰值铁电流密度和最大半最大值的全宽的大小。众所周知，等离子体固有的物理过程在材料合成过程中能够驱动和控制自我组织和自组装。在QUT与等离子体源和应用中心合作，我们研究这些构建基块是如何形成、成型和交付到不同等离子体条件下的表面的。我们希望，通过了解这些等离子体形式纳米结构的行为方式，我们将能够设计出确保及时、高效地交付和整合的工艺，而只会添加实际需要维修的站点。为我们提供了服务时间更长、效率更高、服务更久的等离子推进系统。在本次演示中，我们概述了在模拟空间环境中设计用于测试推进系统和可部署模块的设施时所考虑的注意事项。此外，我们还展示了使用基于微控制器的系统进行现场数据采集和分析的多功能性和优势，这些系统可以根据操作任务需求快速调整，以执行其他评估模式。

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