JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
自动翻译
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
工程学

En iyi duruma getirme, Test ve kırılan Hall iticileri teşhis

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

Burada, sınamak ve uzay itiş sistemleri küçültülmüş Hall-türü roketleri göre en iyi duruma getirmek için bir iletişim kuralı mevcut.

Abstract

Kırılan uzay aracı ve uydular akıllı, son derece verimli ve dayanıklı düşük-itme iticileri, katılım ve ayarlama genişletilmiş, güvenilir çalışma yeteneğine gerektirir. Gazların termodinamik özellikleri ivme aracı olarak kullanan termokimyasal iticileri fiziksel sınırlamalar düşük verimlilik sonucunda onların egzoz gaz hız var. Ayrıca, bu motorlar küçük bindirmeler son derece düşük verimlilikle göstermek ve sürekli olarak uzay aracının yönlendirme, hız ve konum gerçek zamanlı adaptif kontrol sağlayan ailesi için uygun olabilir. Buna ek olarak, elektromanyetik alanlar iyonize gazların (yani, plazmaları) hızlandırmak için kullandığı elektrik itiş sistemleri egzoz hız, hemen hemen herhangi bir kitle verimlilik ve özel dürtü izin açısından fiziksel herhangi bir sınırlama yoktur. Düşük-itme Hall iticileri birkaç bin saat bir süresi vardır. Deşarj gerilim aralıkları 100 ile 300 V, nominal bir gücünü faaliyet arasında < 1 kW. Onlar 20 ila 100 mm boyutunda değişir. Büyük salon iticileri kesirler itme millinewton sağlayabilir. Son birkaç on yıl boyunca, küçük kütle, düşük güç ve yüksek verim itiş sistemleri 50-200 kg sürücü uydular için artan bir ilgi oluştu. Bu çalışmada, biz nasıl oluşturmak, sınamak ve küçük (30 mm) Hall pervane yaklaşık 50 kg ağırlığında küçük bir uydu iten yeteneğine sahip en iyi duruma getirmek için gösterecektir. Biz bir geniş alan çevre simülatörde işletim pervane göstermek ve itme nasıl ölçüleceğini tanımlamak ve plazma özellikleri, dahil olmak üzere elektrik parametreleri toplanan ve anahtar pervane parametrelerini değerlendirmek için işlenir. Biz de nasıl pervane şimdiye kadar yapılmış en verimli küçük iticileri biri yapmak için optimize edilmiştir gösterecektir. Biz de zorluklar ve fırsatlar yeni pervane malzemeleri tarafından sunulan adresi olacaktır.

Introduction

Uzay sanayi ilgiyi kısmen yüksek verimli elektrikli itiş sistemleri tarafından teslim gelişmiş görev yetenekleri giderek azalan açılışında maliyeti1,2,3katalize. Alan elektrik itiş cihazlar birçok farklı türde son zamanlarda teklif etmiş ve test4,5,6,7,8 alan günümüz ilgi tarafından desteklenen keşif9,10. Bunlar arasında yaklaşık % 80 herhangi bir kimyasal itici, aşan çok yüksek verimlilik ulaşmak için yeteneklerini nedeniyle birincil ilgi gridded iyon11,12 ve salon tipi iticileri13,14 vardır, en verimli oksijen hidrojen sistemleri dahil olmak üzere hangi verimliliğini 5000 m için sınırlı/s fiziksel sorumlusu tarafından15,16,17,18yasalar.

Kapsamlı, güvenilir küçültülmüş uzay roketleri genellikle test test odaları, vakum tesisatı (pompalar), kontrol ve tanılama araçları, plazma parametrelerinin ölçüm için bir sistem içerir test tesisleri büyük bir kompleks gerektirir 19ve ölçüm standı ve diğer pek çok itme gibi bir elektrik güç kaynağı sistemi, yakıt kaynağı ünitesi, pervane işlemi sürdürmek yardımcı malzemeleri geniş bir yelpazesi20,21. Ayrıca, tipik alanı itici pervane ayrı olarak verimliliği etkileyen birkaç üniteden oluşmaktadır ve servis ömrü bütün sistem itme ve bu nedenle, hem ayrı ayrı ve pervane derleme22bir parçası olarak test olabilir, 23. Bu önemli ölçüde test prosedürleri olmak zordur ve uzun test süreleri24,25anlamına gelir. Güvenilirlik bir pervane’nın katot biriminin yanı sıra farklı İtici motorları kullanıldığında iticileri işleyişi de özel dikkat26,27gerektirir.

Bir elektrikli tahrik sistemi performansını ölçmek ve gerçekçi uzay simülasyonu sağlayan imkanlar test uzay görevleri, operasyonel dağıtım için modülleri hak kazanmak için zemin için ortamlar itici güç multi-terazi test etmek için gerekli olan birimleri28,29,30. Böyle bir sistem, alan itici güç merkezi-Singapur (SPC-S, Şekil 1a, b)31, bulunan bir büyük ölçekli alan çevre simülasyon odası örneğidir. Böyle bir simülasyon ortamı geliştirme, aşağıdaki birincil ve ikincil önemli noktalar dikkate alınması gerekir. Birincil endişeleri böylece oluşturulan alanı ortamı doğru ve güvenilir bir şekilde gerçekçi uzay ortamı simüle etmek gerekir ve yerleşik tanılama sistemleri hassas ve doğru teşhis bir sistem performans değerlendirilmesi sırasında sağlamanız gerekir vardır. Simüle alanı ortamlarında hızlı yükleme etkinleştirmek için son derece özelleştirilebilir olmalıdır ve test edilmesini farklı itici güç ve Tanı modülleri ve çevrenin yüksek işlem hacmi optimize etmek için test karşılamak gerekir ikincil endişeleriniz var akıntı ve birden fazla birim çalışma koşullarda aynı anda.

Alan çevre simülatörleri ve pompa tesisler

Burada, Mini elektrikli itiş sistemlerinin, de entegre modüller sınamaları için uygulanmış olan iki simülasyon tesislerinde SPC-S göstermektedir. Bu iki özellikleri farklı ölçekler ve öncelikle aşağıda açıklandığı şekilde sürecinde performans değerlendirme, farklı rollere sahip.

Büyük plazma alanı çalıştırma odası (PSAC)

PSAC 4,75 m (uzunluk) boyutları vardır 2.3 m (çap) x ve tandem çalışmak çok sayıda yüksek kapasiteli pompaları oluşur suite pompalama bir vakum vardır. Temel baskı 10-6 PA alt ulaşmak mümkün Tahliye ve TMMOB Temizleme için bir tümleşik vakum denetim okuma ve pompa harekete geçirmek/tasfiye sistemi vardır. Bu çok sayıda özelleştirilebilir flanşlar, elektrik feedthroughs ve görsel teşhis kabinlerin satırı test tesisi sağlamak için donatılmıştır. Bu, hızla multi-modal teşhis için değiştirilmesi eksiksiz bir paketi ile birlikte dahili olarak monte tanılama yetenekleri sağlar. PSAC ölçeğini de simüle bir ortamdaki uygulamalar için tamamen entegre modüllerin test etmek için izin verir.

PSAC SPC-S amiral gemisi uzay ortamında simülasyon (Şekil 1 c, d) tesisidir. Onun büyüklüğü kadar bir kaç U tam modüllerin test quadfilar sahnede monte sağlar. Bu yöntemin avantajı in payloads uzayda yerinde manevra üzerinde farklı payloads monte gibi itici güç modülleri nasıl etkileyebilir gerçek zamanlı görselleştirme olacaktır. Bu montaj ile simüle ve özel bir quadfilar üzerinde tüm yükü askıya ölçüm platformu itme. Pervane sonra ateş ve pervane ve yükü ile askıya alınmış platform uzay koşullarına göre test edilir. Sınama ortamı elektrik itiş modülleri girin itici gaz feedstocks dışarı verimli odası ‘s genel basınç, böylece, bir gerçekçi uzay ortamı32 sürdürmek değiştirilmediğinden emin olmak için vakum Oda tarafından pompalanır ,33,34. Ayrıca, elektrik itiş sistemleri genellikle plazmasının üretimini içerir ve parçacıklar itme35oluşturmak için sistem çıkmadan yörüngeleri manipülasyon yararlanmak. Daha küçük simülasyon ortamlarda ücret ya da plazma kaplamalar duvarda birikimini deşarj performans özellikle micropropulsion için tahrik sistemi olan yakınlığı nedeniyle plazma duvar etkileşimleri aracılığıyla nerede tipik etkileyebilir itme millinewtons sırasına göre değerlerdir. Bu nedenle, özel ilgi ve vurgu için hesap ve katkıları bu tür Etkenler36marjinalize yapılmalıdır. PSAC’ın büyük boyutlu plazma duvar etkileşimleri, onları önemsiz, deşarj parametreleri daha doğru bir gösterimini veren ve tüy profilleri elektrik itiş modüllerinde izlemeyi etkinleştirme işleme en aza indirir. PSAC genellikle roket prototipleri hızlı çeviri yer alan nitelik için hazırlık test için operasyonel hazır sistemleri içine izin veren tam modül değerlendirme ve sistemleri entegrasyon/en iyi duruma getirme işlemlerinde kullanılır.

Ölçekli plazma alanı ortamı Simülatörü (PSEC)

PSEC 65 cm x 40 cm x 100 boyutları vardır cm ve altı yüksek kapasiteli pompaları tandem (Kuru vakum pompası, turbomoleküler ve soguk vakum pompaları) çalışma oluşur bir vakum pompa paketi vardır. Bütün sistem Pompa çalışırken temel baskı 10-5 Pa alt ulaşmak mümkün (tüm pompalar kullanılmaktadır). Basınç ve yakıt akışı izlenir entegre kütle akış okuma kutuları ve Basınç ölçü aygıtları aracılığıyla gerçek zamanlı. PSEC öncelikle iticileri dayanıklılık testi istihdam edilmektedir. İticiler deşarj kanalları ve ömrünü plazma hasar etkilerini değerlendirmek için zaman uzun bir süre için harekete geçirdi. Ek olarak, Şekil 2‘ de gösterildiği gibi bu tesis bir karmaşık gaz akışı denetleyicisi ağda diğer geridönüşümü İtici motorları katot ve anotlar iticiler roman İtici motorları ile uyumluluğunu ve etkilerini test etmek için hızlı bağlantı sağlar ikincisi pervane performansı üzerinde. Bu roman İtici motorları kullanan işlemi sırasında “hava-solunum” elektrik roketler üzerinde çalışan araştırma gruplarına artan ilgi var.

Entegre tanılama özellikleri (multi-modal tanılama)

Farklı Entegre tanılama özellikleri, otomatik entegre robotik sistemler (fiyaka-µS)19,23ile donatılmış iki sistemi PSEC ve PSAC teşhis farklı ölçekler ve amaçları karşılamak üzere geliştirilmiştir.

PSEC entegre teşhis

PSEC tanılama araçları esas deşarj genişletilmiş işlemleri üzerinden gerçek zamanlı izleme üzerinde menteşe. Kalite yönetim sistemi arta kalan gaz tesisi için bir deşarj sırasında malzeme SAÇTIRMA ortaya kirletici tür izler. Bu eser miktarda kantitatif deşarj kanalının erozyon oranları ve pervane’nın ömür boyu tahmin etmek için pervane elektrotlar değerlendirmek için zaman içinde izlenir. Optik emisyon spektrometre (OES)–dan elektronik bakır gibi erozyon nedeniyle kirletici türlerin elektronik geçişler karşılık gelen çizgisinde izleyerek bu yordamı tamamlar. OES Ayrıca non-invaziv plazma tanılama ve niteliksel pervane performansını değerlendirir tüy profil etkin izleme olanak sağlar. Son olarak, uzaktan kontrol veya tamamen özerk moduna ayarlanmış bir robot Faraday sonda kolimasyon ışınının parametrik deşarj koşulları (Şekil 3) değişen aracılığıyla en iyi duruma getirmek için tüy profili hızlı piyango türetmek için kullanılır.

Tümleşik işlem tanı PSAC’daki

PSAC fiziksel uzayda lüks birden fazla pervane sistemleri aynı anda çeşitli tanılama bir Tak ve kullan gibi kurulum için izin ile modüler tasarımı çeşitli yerlerinde yüklenmesini sağlar. Şekil 4 PSAC iç kesit çeşitli yapılandırmalarda, tam olarak askıya alınan quadfilar itme ölçüm platform onun en önemli ve kalıcı bir fikstür varlık gösterir. Taret sistemleri, özerk kontrollü veya kablosuz olarak mikrodenetleyiciler ve Bluetooth modülleri kullanarak Android Uygulamaları sonra pervane tüy çeşitli probları kurulumu aracılığıyla özelliklerini elde etmek için karşı karşıya modüler bir şekilde monte edilebilir Faraday, Langmuir ve geciktirici potansiyel Analyzer (RPA) gibi. Ayrıca Şekil 4 ‘ te gösterilen çeşitli plazma parametreleri yedekleyen hızlı eş zamanlı teşhis için yapılandırılabilir montaj için izin vermek için PSAC yeteneğidir. İticiler dikey olarak tek bir sütunda monte edilebilir ve hızla, birbiri ardına farklı pervane sistemleri arasındaki etkileşimler önlemek için test edilmiştir. 3 farklı modülleri tek bir örneği de verimli değerlendirilmesi mümkün, böylece önemli ölçüde tahliye sırasında kapalı kalma süresini azaltır ve aksi takdirde sistemleri tek tek test ederken gerekli işlemleri tasfiye doğrulandı. Öte yandan, bu sistem aynı uydu üzerinde bir grup çalışması pervane derlemeleri testleri için değerli bir fırsattır. İticiler dikey olarak tek bir sütunda monte edilebilir ve hızla, birbiri ardına farklı pervane sistemleri arasındaki etkileşimler önlemek için test edilmiştir. 3 farklı modülleri önemli ölçüde tahliye sırasında kapalı kalma süresini azaltır ve aksi takdirde sistemleri tek tek test ederken gerekli işlemleri tasfiye tek bir örneği de değerlendirilmesinde etkili olduğu test edilmiştir.

İtme micropropulsion sistemlerinde doğru çok belirlemek için çok önemlidir bu parametreleri verimliliği, ηeff ve özel dürtü gibi bensp, böylece doğru olduğundan, bağımlılığının güvenilir bir gösterimini veren pervane performans yakıt akışı ve denklemler 1 ve 2 gösterildiği gibi iticileri farklı terminalleri için sağlanan güç gibi çeşitli giriş parametreleri. Açıkça, performans değerlendirme micropropulsion sistemleri genellikle, çeşitli işletim parametrelerini sisteminden oluşturulan itme ölçümü etrafında döner. Bu nedenle, performans değerlendirme sistemleri kullanılmak üzere tanılama ve onların güvenilirliği ve doğruluğu19emin olmak için sınama alanı ortamına yüklenen önce standartlar bir dizi göre ayarlanması gerekir.

Equation 1

Equation 2

İtme ölçü birimlerini test ortamı38yüklenmeden önce tipik sistemleri harici güç kalibrasyon istihdam. Ancak, bu tür sistemlere kalibrasyon standart malzeme özellikleri etkileyen uzay ortamlar için ve elektrik, vakum için hesap yapmak ve termal kalibre edilmiş standartları bozulması dinamik boyunca etkiler. Roket motorları performans değerlendirme. Roket çalışır durumda önce Şekil 5‘ te, gösterilen otomatik kablosuz kalibrasyon birim öte yandan, in situ olarak kalibrasyon sisteminin simüle ortamda sağlar. Bu sınama ortamını dinamik etkileri için ölçüm sahne alanı’nda hesapları ve iticiler, işten önce sisteminin hızlı yeniden kalibrasyon için sağlar. Sistem Ayrıca, itme bağımsız olarak denetleyen bir simetrik modüler null itme doğrulama birim bulunmaktadır. Pervane yerinde analiz türetilmiş için çalışır durumda iken işletilmektedir bindirmeler üzerinden verilen deşarj koşulları. Tüm süreç MATLAB apps, kullanıcılar donanım duruma getirilmesi ve itiş sistemlerinin tasarım odaklanmak için izin üzerinden yapılır ve bu tür sistemlerin test hızlandırır. Bu yöntem ayrıntılarını aşağıdaki alt bölümünde Gelişmiş.

Protocol

Burada protokoller itme kalibrasyon prosedürü ve performans değerlendirme için uzamsal yerinde veri algılama aracılığıyla boş ölçüm ve tüy profilometrisi aracılığıyla bağımsız itme doğrulama mevcut. 1. basınç kalibrasyon prosedürü ve itme performans değerlendirme Şekil 5′ te gösterildiği gibi tüm bileşenleri odasında yüklenmiş olduğundan emin olun. Tanılama araçları bağlantısını dışarıdan od…

Representative Results

İtme kalibrasyon prosedürü ve itme performans değerlendirme İtme değerleri itme quadfilar ölçüm sahne alanı’ndan değerlendirilmesi iki aşamada gelir. Şekil 5sağında gösterilen otomatik kablosuz kalibrasyon biriminden kalibrasyon faktörleri alma yoluyla ilk aşamasıdır. Bu kalibrasyon sürecinde iyi ağırlıkları arasında bir ağırlık dikey etkileri yatay yür…

Discussion

Tipik Hall-türü iticileri44 nispeten basit, ucuz ve bir iyon akı km/s, itme sağlayan birkaç on hızları için hızlandırmak yüksek verimli cihazlar yanı sıra, hızlanan uyduları ve uzay aracı için gerekli manevra, yönlendirme, pozisyon ve kontrol ve de-işlem servis ömrünü sonunda etrafında dönen. Uygulama misyonu ömür boyu, uydular ve diğer yörünge payloads iticileri geliştirmek Hall yörünge aktarımı ve oluşumu/takımyıldızı uçan birden fazla uydu izin ve çoklu …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu eser bölümü tarafından OSTIn-SRP/EDB, Ulusal Araştırma Vakfı (Singapur), akademik araştırma fonu AcRF Tier 1 RP 6/16 (Singapur) ve George Washington Enstitüsü Nanoteknoloji (ABD) desteklenmiştir. I. L. kimya okul, fizik ve mekanik mühendislik, bilim ve Mühendislik Fakültesi, Queensland University of Technology desteğinden kabul eder.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

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
check_url/cn/58466?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image