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工程学

Ottimizzazione, Test e diagnostica di propulsori a effetto Hall miniaturizzato

Published: February 16, 2019
doi:
10.3791/58466
, , , , , , , , , , , ,
1Plasma Sources and Applications Centre, National Institute of Education,Nanyang Technological University, 2School of Chemistry, Physics, Mechanical Engineering,Queensland University of Technology, 3Department of Physics, School of Science,Hangzhou Dianzi University

Summary

Qui, presentiamo un protocollo per testare e ottimizzare i sistemi di propulsione spaziale basati su propulsori Hall-tipo miniaturizzati.

Abstract

Satelliti artificiali e sonde miniaturizzate richiedono poca spinta propulsori intelligenti, altamente efficienti e durevoli, capaci di funzionamento esteso e affidabile senza la partecipazione e la regolazione. Propulsori termochimici che utilizzano le proprietà termodinamiche dei gas come mezzo di accelerazione hanno limitazioni fisiche sulla loro velocità del gas di scarico, con conseguente bassa efficienza. Inoltre, questi motori dimostrano estremamente bassa efficienza alle piccole spinte e potrebbero non essere adatti per continuamente i sistemi operativi che forniscono in tempo reale controllo adattativo di orientamento spaziale, la velocità e la posizione. Al contrario, i sistemi di propulsione elettrica che utilizzano campi elettromagnetici per accelerare i gas ionizzati (cioè, plasmi) non hanno alcuna limitazione fisica in termini di velocità di scarico, che permette praticamente ogni massa efficienza e impulso specifico. Propulsori a effetto Hall di bassa Spinta hanno una durata di parecchie migliaia di ore. Loro intervalli di tensione di scarico tra 100 e 300 V, operante a una potenza nominale di < 1 kW. Essi variano da 20 a 100 mm di dimensione. Propulsori a effetto Hall di grandi dimensioni in grado di fornire le frazioni di millinewton di Spinta. Negli ultimi decenni, c'è stato un crescente interesse in piccola massa, basso consumo e sistemi di propulsione ad alta efficienza ai satelliti di unità di 50-200 kg. In questo lavoro, dimostreremo come costruire, testare e ottimizzare un piccolo (30 mm) propulsore a effetto Hall in grado di spingere un piccolo satellite che pesano circa 50 kg. Mostreremo il propulsore operanti in un simulatore di ambiente ampio spazio e descrivere come viene misurata la spinta e parametri elettrici, comprese le caratteristiche del plasma, sono raccolti e trattati per valutare i parametri chiave dell'elica. Inoltre dimostriamo come l'elica è ottimizzato per renderlo uno dei più efficienti propulsori piccoli mai costruiti. Si affronterà anche le sfide e le opportunità offerte dai nuovi materiali di propulsore.

Introduction

Rinnovato interesse per l’industria spaziale ha in parte stata catalizzata da sistemi di propulsione elettrica altamente efficiente che trasporta avanzata capacità di missione al lancio sempre più ridotto costo di1,2,3. Recentemente sono stati proposti diversi tipi di dispositivi di propulsione elettrica spazio e testata4,5,6,7,8 supportate dall’attuale interesse nello spazio l’esplorazione9,10. Fra loro, dello ione di gridded11,12 e Hall-tipo propulsori13,14 sono di primario interesse grazie alla loro capacità di raggiungere un’efficienza molto alta di circa l’80%, superiore a quella di qualsiasi elica di chimica, compresi i più efficienti sistemi di ossigeno-idrogeno, l’efficienza di cui è limitata a circa 5000 m/s dall’entità fisica Leggi15,16,17,18.

Completa, affidabile test di propulsori spazio miniaturizzati in genere richiede un grande complesso di strutture di test che includono camere di prova, sottovuoto strutture (pompe), strumenti di controllo e diagnostica, un sistema per la misurazione di parametri del plasma 19e una vasta gamma di attrezzature ausiliarie che sostengono il funzionamento del propulsore, come un sistema elettrico di alimentazione, unità di alimentazione propellente, Spinta misura stand e molti altri20,21. Inoltre, un’elica di propulsione spazio tipico è costituito da diverse unità che separatamente influenzano l’efficienza e durata dell’intero sistema di spinta e di conseguenza, potrebbe essere testato sia separatamente che come parte del propulsore Assemblea22, 23. Questo notevolmente complica le procedure di prova e implica test lungo periodi24,25. Affidabilità delle unità catodo di un propulsore, nonché il funzionamento dei propulsori quando vengono utilizzati diversi propellenti richiede anche la considerazione speciale26,27.

Per quantificare le prestazioni di un sistema di propulsione elettrica e per qualificarsi moduli per spiegamento operativo in missioni spaziali, terra prova impianti che consentono la simulazione dello spazio realistico ambienti sono necessari per il collaudo di propulsione multi-scala unità28,29,30. Un esempio di tale sistema è una camera di simulazione di ambiente ampio spazio in scala situata presso il Space Propulsion Centre-Singapore (SPC-S, Figura 1a, b)31. Durante lo sviluppo di un ambiente di simulazione, le seguenti considerazioni primarie e secondarie devono essere presi in considerazione. Obiettivi primari sono l’ambiente dello spazio così creato deve simulare esattamente ed attendibilmente un ambiente spaziale realistico, che i sistemi diagnostici in costruzione devono fornire diagnostica precisa e accurata durante la valutazione delle prestazioni di un sistema. Secondarie preoccupazioni sono che gli ambienti spazio simulato devono essere altamente personalizzabili per consentire la rapida installazione e collaudo di propulsione differenti moduli diagnostici e l’ambiente deve essere in grado di ospitare elevato throughput test per ottimizzare scarico e condizioni operative di più unità contemporaneamente.

Spazio ambiente simulatori e impianti di pompaggio

Qui, vi illustriamo due simulazione Servizi SPC-S che sono stati implementati per la sperimentazione di sistemi di propulsione elettrica miniaturizzata, così come integrati moduli. Queste due strutture sono di diverse scale e soprattutto hanno ruoli diversi nel processo di valutazione delle prestazioni, come descritto di seguito.

Camera di plasma grande spazio azionamento (PSAC)

Il PSAC ha dimensioni di 4,75 m (lunghezza) x 2,3 m (diametro) e ha un vuoto di pompaggio suite che comprende numerose pompe ad alta capacità, lavorando in tandem. È in grado di raggiungere una pressione di base inferiore ai 10-6 PA. Ha un sistema di attivazione/spurgo integrato controllo del vuoto della lettura e pompa per evacuazione e l’eliminazione della camera. È dotato di numerose flange personalizzabile, passacavi elettrici e oblò diagnostica visiva per fornire linea prova impianto. Questo, insieme con un pacchetto completo di funzionalità di diagnostica montati internamente, permette di essere rapidamente modificate per diagnostica multi-modale. La scala di PSAC permette anche per il test di moduli completamente integrati per applicazioni in un ambiente simulato.

PSAC è il SPC-S ammiraglia spazio ambiente simulazione impianto (Figura 1 c, d). Sue dimensioni consentono di test di moduli completi di fino a un paio di U montato su un palco di quadfilar. Il vantaggio di questo metodo sarebbe nella visualizzazione in tempo reale di come i moduli di propulsione come montato su diversi payload possono influenzare la manovra in situ di payload nello spazio. Questa situazione viene simulata attraverso il montaggio e sospensione del payload intero su un proprietario quadfilar Spinta piattaforma di misurazione. Il propulsore può quindi essere licenziato, e la piattaforma sospesa con il propulsore e il carico utile sarebbe stata testata secondo le condizioni di spazio. Materie prime di gas propellente che entrano nell’ambiente di test tramite i moduli di propulsione elettrica sono pompati fuori in modo efficiente dalla suite sottovuoto per garantire che pressione complessiva della camera non è alterata, così, mantenendo un ambiente spaziale realistico32 ,33,34. Inoltre, sistemi di propulsione elettrica tipicamente coinvolgono la produzione dei plasmi e sfruttano la manipolazione delle traiettorie delle particelle cariche, uscire dal sistema al fine di generare Spinta35. Negli ambienti di simulazione più piccoli, l’accumulo di carica o plasma guaine sul muro potrebbe influire sulle prestazioni di scarico attraverso interazioni di plasma a parete grazie alla vicinanza con il sistema di propulsione, soprattutto per micropropulsion dove tipico di Spinta i valori sono in ordine di millinewtons. Di conseguenza, enfasi e attenzione speciale deve avvenire a contabilizzare e marginalizzare i contributi di tali fattori36. Le grandi dimensioni di PSAC minimizza interazioni del plasma a parete, rendendoli trascurabile, dando una rappresentazione più accurata dei parametri di scarico e consentendo il monitoraggio dei profili di pennacchio in moduli di propulsione elettrica. Il PSAC viene in genere utilizzato in completo modulo valutazione e sistemi di integrazione/processi di ottimizzazione che permette per la traduzione rapida di prototipi di propulsore nei sistemi funzionalmente pronti per test in preparazione per la qualificazione di spazio a terra.

Simulatore di ambiente spaziale al plasma in scala (PSEC)

Il PSEC ha dimensioni di cm 65 x 40 x 100 cm e dispone di una suite di pompaggio sottovuoto che si compone di sei pompe ad alta capacità, lavorando in tandem (pompa per vuoto a secco, pompe per vuoto turbomolecolare e cryo). È in grado di raggiungere una pressione di base inferiore a 10-5 Pa quando l’intero sistema di pompaggio è in funzione (tutte le pompe sono in uso). Pressione e propellente flussi vengono monitorati in tempo reale attraverso il flusso di massa integrato lettura caselle e manometri. Il PSEC è impiegato principalmente nelle endurance test di propulsori. I propulsori sono licenziati per lunghi periodi di tempo per valutare gli effetti del danno al plasma su canali di scarico e il suo ciclo di vita. Come illustrato nella Figura 2, una rete di regolatore di flusso gas complessi in questa struttura consente inoltre collegamento veloce di altri propellenti di materie prime al catodo e anodi per testare la compatibilità dei propulsori con nuovi propellenti e gli effetti della quest’ultimo sulle prestazioni del propulsore. Questo è di maggiore interesse per gruppi di ricerca lavorando su “aria-respirazione” thruster elettrici che utilizzano propellenti romanzo durante il funzionamento.

Strutture diagnostiche integrate (multi-modale diagnostica)

Diverse strutture di diagnostiche integrati, dotati di sistemi robotici integrato automatizzato (ventila-µS)19,23, sono stati sviluppati per i due sistemi in PSEC e PSAC per soddisfare per la diagnostica presso diverse scale e scopi.

Diagnostica integrata nel PSEC

Gli strumenti diagnostici in PSEC cerniera essenzialmente il monitoraggio in tempo reale di scarico attraverso le operazioni estese. Il sistema di gestione qualità monitora gas residuo nella struttura per specie contaminante che derivano da sputtering di materiale durante uno scarico. Queste tracce sono quantitativamente monitorati nel tempo per valutare i tassi di erosione del canale di scarico e gli elettrodi del propulsore per stimare la durata del propulsore. Lo spettrometro di emissione ottica (OES) integra questa procedura di monitoraggio linee spettrali corrispondenti alle transizioni elettroniche di specie contaminanti a causa dell’erosione, come il rame dall’elettronica. OES consente inoltre di diagnostica non invasiva del plasma e monitoraggio attivo del profilo di pennacchio che qualitativamente valuta le prestazioni del propulsore. Infine, una sonda robotica di Faraday che può essere controllata in remoto, o impostata in modalità completamente autonoma, viene utilizzata per derivare rapido sweep del profilo pennacchio per ottimizzare la collimazione del fascio attraverso parametricamente diverse condizioni di scarico (Figura 3).

Diagnostica integrata nel PSAC

Il lusso dello spazio fisico nel PSAC consente l’installazione di più sistemi di propulsore in varie località grazie al suo design modulare, che consente per l’installazione di plug-e-gioco-come per i vari sistemi diagnostici contemporaneamente. La figura 4 Mostra la sezione trasversale interna del PSAC in varie configurazioni, con la piattaforma di misurazione di spinta completamente sospesa quadfilar essendo il suo punto di fissaggio più notevole e permanente. Sistemi di torretta, controllato in modo autonomo o in modalità wireless tramite App Android di microcontrollori e moduli Bluetooth, quindi può essere montato in maniera modulare il propulsore per ottenere caratteristiche del pennacchio attraverso l’installazione di varie sonde di fronte come Faraday, Langmuir e ritardando potenziali Analyzer (RPA). Anche illustrato nella Figura 4 è la capacità del PSAC per consentire montaggio configurabile di sistemi elica per rapida diagnostica simultaneo di vari parametri del plasma. I propulsori possono essere montati verticalmente in una singola colonna e testato rapidamente, uno dopo l’altro per evitare interazioni tra i sistemi differenti dell’elica. Si è accertato che un’efficiente valutazione di fino a 3 diversi moduli in una singola istanza è possibile, così notevolmente riducendo i tempi morti durante l’evacuazione e l’eliminazione di processi richiesti altrimenti quando sistemi di prova singolarmente. D’altra parte, questo sistema è una preziosa occasione per testare gli assembly di propulsore che dovrebbero operare in un mazzo, sullo stesso satellite. I propulsori possono essere montati verticalmente in una singola colonna e testato rapidamente, uno dopo l’altro per evitare interazioni tra i sistemi differenti dell’elica. È stato testato per essere efficace nella valutazione di fino a 3 diversi moduli in una singola istanza, significativamente riducendo i tempi di inattività durante l’evacuazione e l’eliminazione di processi necessari altrimenti quando sistemi di prova singolarmente.

È fondamentale per determinare la Spinta nei sistemi micropropulsion con precisione così che i parametri quali efficienza, ηeff e l’impulso specifico hosp, sono accurate, così, dando una rappresentazione affidabile della dipendenza del prestazioni del propulsore su vari parametri di input come il flusso di propellente e la potenza fornita ai diversi terminali dei propulsori, come indicato nelle equazioni 1 e 2. In modo esplicito, valutazione delle prestazioni dei sistemi di micropropulsion in genere ruota attorno la misura della spinta generata dal sistema a vari parametri di funzionamento. Di conseguenza, sistemi di valutazione delle prestazioni devono essere calibrate secondo un insieme di standard prima di essere installato nell’ambiente di spazio per l’uso nella diagnostica e collaudo per garantirne l’affidabilità e precisione19.

Equation 1

Equation 2

Tipici sistemi impiegano forza calibrazione esternamente prima unità di misura di Spinta siano installati in ambiente test38. Tuttavia, tali sistemi non tengono conto per gli ambienti di spazio che influenzano le proprietà del materiale di standard di calibrazione e per impianti elettrico, vuoto e thermal influenze sul degrado degli standard calibrati nel corso dinamico di valutazione delle prestazioni dei propulsori. L’unità di calibrazione automatica wireless illustrato nella Figura 5, consente d’altra parte, per la taratura in situ del sistema in ambiente simulato prima che l’elica sia operativo. Questo rappresenta gli effetti dinamici dell’ambiente di test sulla fase di misurazione e permette per rapida ri-calibrazione del sistema prima della cottura dei propulsori. Il sistema dispone anche di un gruppo di verifica di reggispinta null modulare simmetrica che verifica la spinta in modo indipendente. È funzionato mentre il propulsore è operativo per l’analisi in situ della derivata spinte da determinato condizioni di scarico. L’intero processo avviene tramite MATLAB applicazioni, consentendo agli utenti di concentrarsi sull’ottimizzazione dell’hardware e progettazione di sistemi di propulsione e accelera la sperimentazione di tali sistemi. Dettagli di questo metodo sarebbero essere elaborati nella sottosezione seguente.

Protocol

Qui presentiamo i protocolli per la valutazione di prestazioni e procedura di calibrazione di Spinta, Spinta indipendente verifica tramite profilometria null misura e plume attraverso il rilevamento di dati spaziali in situ. 1. valutazione di prestazioni di procedura e Spinta di calibrazione di Spinta Assicurarsi che tutti i componenti siano installati nell’alloggiamento come mostrato nella Figura 5. Verificare la connettività degli st…

Representative Results

Procedura di calibrazione di spinta e valutazione delle prestazioni di Spinta Valutazione dei valori di spinta dalla fase di misurazione quadfilar di Spinta avviene in due fasi. La prima fase è attraverso ottenere fattori di calibrazione dall’unità di calibrazione automatica wireless mostrata a destra della Figura 5. In questo processo di calibrazione, bene pesi sono abbassati att…

Discussion

Typical Hall-tipo propulsori44 sono relativamente semplici, economici e dispositivi altamente efficienti che potrebbero accelerare un flusso di ioni per le velocità di alcune decine di km/s, fornendo la spinta necessaria per accelerare satelliti e veicoli spaziali, nonché per manovra, orientamento, posizione e atteggiamento di controllo e de-orbitare intorno alla fine del loro ciclo di vita di funzionamento. Applicazione di Hall thruster su satelliti e altri carichi orbitale che permettono di mi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato sostenuto in parte da OSTIn-SRP/EDB, National Research Foundation (Singapore), Academic Research Fund AcRF Tier 1 RP 6/16 (Singapore) e George Washington Institute per la nanotecnologia (USA). I. L. riconosce il sostegno dalla scuola di chimica, fisica e ingegneria meccanica, scienza e facoltà di ingegneria, Queensland University of Technology.

Materials

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
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Keywords: – Hall Thrusters – Space Environment Simulation – Lifetime Testing – Quadfilar Suspended Stage – Thrust Measurement – Modular Spatially Actuated Robotic Probes – Vacuum Chamber – Automated Diagnostics – Performance Evaluation – Space Propulsion Center
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Lim, J. W. M., Levchenko, I., Rohaizat, M. W. A. B., Huang, S., Xu, L., Sun, Y. F., Potrivitu, G. C., Yee, J. S., Sim, R. Z. W., Wang, Y., Levchenko, S., Bazaka, K., Xu, S. Optimization, Test and Diagnostics of Miniaturized Hall Thrusters. J. Vis. Exp. (144), e58466, doi:10.3791/58466 (2019).
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