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Ingénierie

最適化、テストおよび小型ホールスラ スターの診断

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

ここでは、テストし、小型のホール型スラスターに基づく宇宙推進システムを最適化するためのプロトコルを提案する.

Abstract

小型の宇宙船および衛星スマート、高効率で耐久性のある低推力スラスター、出席および調整なしの拡張、信頼性の高い動作が可能が必要です。加速の手段としてガスの熱力学的性質を利用した熱化学スラスターで低効率の排気ガス速度に物理的な限界があります。さらに、これらのエンジンは、小さな推力で非常に低い効率を示すし、連続の宇宙船の方向、速度および位置のリアルタイム適応制御を提供するオペレーティング システムに適したできない場合があります。対照的に、電離気体 (プラズマなど) を加速する電磁界を使用する電気推進システムでは、事実上どんな質量効率と比推力排気速度の面で物理的な制限はありません。低推力ホール推進機は、数千時間の寿命を持ちます。100 と 300 V の公称電力で動作の間に放電電圧範囲 < 1 kW。彼らは 20 から 100 mm のサイズに変わる。大ホールのスラスターは推力の millinewton の分画を提供できます。過去数十年間、小腫瘤、低消費電力、および 50-200 kg のドライブ衛星高効率推進システムが注目されています。この作品で我々 はビルド、テスト、および小さな (30 mm) 約 50 kg の重量を量る小さい衛星を走るホールスラを最適化する方法を示します。スラスターの大型宇宙環境シミュレータで動作を示す、推力を測定する方法を記述してプラズマ特性を含む電気パラメーターを収集し、キー スラスター パラメーターを評価するために処理されます。史上最も効率的な小型スラスターのいずれかにするスラスターを最適化する方法についても説明します。課題と新しいスラスター材料によって示される機会も取り組みます。

Introduction

宇宙産業に新たな関心が一部されて触媒による高効率な電気推進システム、ますます減らされた打ち上げで強化された配信ミッション機能コスト1,2,3。宇宙電気推進機器の多くの異なる種類が提案されている最近、空間に現代の関心でサポートされているテスト済み4,5,6,7,8探査9,10。その中で、格子点イオン11,12ホール型スラスター13,14能力の任意の化学スラスターを上回る、約 80% の高効率化を達成するための主要な関心の最も効率的な酸素-水素系などが効率が約 5000 m に限定/物理のプリンシパル s 法律15,16,17,18。

包括的で信頼性の高いテストは小型スペース スラスターの通常のプラズマパラ メーター測定のためのシステム制御・診断機器、真空設備 (ポンプ) 試験室は、試験設備の大きい複合体が必要です。19、および測定スタンドや他の多くを推力スラスター、電力供給システム、推進剤供給装置などの操作を維持補助装置の広い範囲20,21。また、別に効率に影響を与えるいくつかの単位から成っている典型的な空間推進スラスターと全体の寿命スラスト系と個別にもスラスター アセンブリ22の一部としてテストすることができます。 23。これは大幅テスト手順を複雑に、長いテスト期間24,25を意味します。スラスターの陰極部の信頼性だけでなく、スラスター別の推進体を使用する場合の操作は、特別な配慮26,27も必要です。

電気推進システムの性能を定量化し、宇宙ミッションの運用展開のためのモジュールを対象に地上試験リアルな空間のシミュレーションを可能にする設備環境が推進のマルチ スケールのテストのため必要単位28,29,30。このようなシステムの例は、宇宙推進センター-シンガポール (SPC S、図 1 ab)31に位置する大縮尺空間環境シミュレーション室です。このようなシミュレーション環境の開発、次のプライマリとセカンダリの考慮事項考慮する必要があります。主な懸念事項は内蔵の診断システムは、システムの性能評価の中に精密で正確な診断を提供する必要がこのように作成された宇宙環境する必要があります正確かつ確実に現実的なスペース環境をシミュレートできることです。セカンダリ懸念として模擬宇宙環境は高速にインストールを有効にする高度にカスタマイズする必要があります、高スループットの最適化テストに合わせてできる必要があります異なる推進力と診断モジュール、および環境のテスト、します。放電と複数のユニットの運用条件同時に。

宇宙環境シミュレータとポンプ設備

ここでは、2 つのシミュレーション施設 SPC S で実装されている小型電気推進システムでは、同様に統合されたモジュールのテストを示します。これらの 2 つの施設、スケールが異なるは、主に下記のとおりパフォーマンス評価の過程でさまざまな役割があります。

大型スペースチャンバ作動 (型)

型は 4.75 m (長さ) の寸法 × 2.3 m (直径)、タンデムで働く多数の大容量ポンプから成るスイート ポンプ真空。10-6ペンシルベニア州より低いベース圧力を達成することが真空制御読み出しとポンプ活性化/パージのシステムが避難し、商工会議所の削除するしています。ライン テスト設備を提供するために、多数のカスタマイズ可能なフランジ、電気フィードスルー、視覚診断舷窓それ装備です。これ、一緒に内部的には、マウントされている診断機能の完全スイートにより、マルチ モーダル診断の急速に変更します。型のスケールは、シミュレートされた環境でのアプリケーションのための完全に統合されたモジュールのテストもできます。

型 SPC S 主力宇宙環境シミュレーション施設です (図 1 c、d)。その大きさは、quadfilar ステージ上にマウントされたいくつかの U までの完全なモジュールのテストをことができます。この方法の利点は、スペースへのペイロードの原工作推進モジュールで異なるペイロードに影響方法のリアルタイムの可視化になるでしょう。これは、マウントをシミュレートされ、独自の quadfilar のペイロード全体の懸濁液推力計測プラットフォーム。スラスターを解雇し、ことができますとスラスター ペイロードと中断されたプラットフォームは、スペース条件に従って試験するでしょう。商工会議所の全面的な圧力変更されていないこと、したがって、現実的な宇宙環境32 を維持確保するため真空のスイートが効率的に電気推進モジュール経由でテスト環境を入力する推進剤ガス原料を送り出す、 ,33,34。また、電気推進システムは通常プラズマの生産関係し、推力35を生成するために、システムを終了する荷電粒子の軌跡の操作を悪用します。小規模シミュレーション環境で壁に料金やプラズマのシースの蓄積がパフォーマンスに影響する放電推進システムは、特に micropropulsion に近いのためのプラズマ-壁相互作用を通じて、典型的な推力値は、millinewtons の順です。したがって、特別な注意と強調する必要がありますを考慮し、このような要因の36からの貢献を過小評価されます。型の大型プラズマ-壁相互作用、無視、放電パラメーターのより正確な表現を与えると電気推進モジュール内のプルーム プロファイルの監視を有効にするレンダリングを最小限に抑えます。型は通常地上スペース資格の準備でテスト運用準備システムにスラスターのプロトタイプの迅速な翻訳を可能にする完全なモジュール評価およびシステム統合/最適化プロセスで使用されます。

スケール プラズマ宇宙環境シミュレータ (ピコ秒)

PSEC には 65 cm × 40 cm 100 × の寸法 cm、タンデム (ドライ真空ポンプ ・ ターボ分子・ クライオ真空ポンプ) で働く六つの高容量ポンプで構成され真空ポンプ スイート。ポンプ システム全体が動作すると 10-5 Pa より低いベース圧力を達成することは (すべてのポンプは、使用で)。監視する圧力及び噴射剤フロー統合マスフロー読み出しボックスと圧力計をリアルタイム。スラスターの耐久試験に、PSEC を主に採用します。スラスターは長時間の放電路とその寿命のプラズマ ダメージの影響を評価するために起動されます。さらに、図 2のように、この施設内で複雑なガス流量コント ローラー ネットワークにより陰極と陽極新規推進剤とスラスターの互換性との効果をテストするための他の原料推進薬の迅速な接続、後者は、スラスター性能の。これは「空気呼吸」電気スラスター操作中に新しいロケットを活用に取り組んでいる研究グループへの関心の高まりです。

統合された診断設備 (マルチ モーダル診断)

異なる統合診断設備、自動化された統合ロボット システム (放送 μ S)19、23、装備は PSEC と型で異なる規模や目的に応じて診断に対応するために 2 つのシステムのために開発されています。

PSEC の内蔵診断機能

PSEC の診断ツールは、本質的に拡張の操作を通じて放電のリアルタイム モニタ リングにかかっています。品質マネジメント システムは、放電中に材料のスパッタから生じる汚染物質種の設備内の残留ガスを監視します。これらの微量定量的、スラスターの寿命を推定するスラスターの電極と放電チャネルの侵食速度を評価する時間をかけて監視されます。光学放出分光計 (OES) は、電子機器からの銅など腐食による汚染物質種の電子遷移に対応するスペクトル線を監視することによってこの手順を補完します。OES は、プラズマの非侵襲的および質的スラスターの性能を評価するプルーム プロファイルのアクティブな監視もできます。最後に、リモート制御または完全自律モードに設定することができますロボット ファラデーのプローブを使用して、放電条件 (図 3) をパラメトリック変動を通してビームのコリメーションを最適化するプルーム プロファイルの簡単なスイープを派生します。

型の内蔵診断機能

同時にさまざまな診断のためのプラグおよび演劇のようインストールが可能、モジュラー デザインにより様々 な場所に複数のスラスター システムが搭載可能な型の物理的な空間の贅沢。図 4は、その最も顕著な恒久的なフィクスチャをされて完全に中断された quadfilar 推力の計測プラットフォームと、さまざまな構成で、型の内部の断面を示します。砲塔システム、自律制御型またはワイヤレス Android アプリがマイコンと Bluetooth モジュールを使用して、経由でマウントできますさまざまなプローブの取付けを通ってプルームの特性を得るためのスラスターを直面しているモジュラー方法でファラデーやラングミュア遅らせる潜在的なアナライザー (RPA)。また、図 4に示す、型の各種のプラズマパラ メーターの迅速な同時診断用スラスター システムの構成可能な取り付けを可能にすることです。スラスターは単一の列に縦方向に取り付けることができます、テストを迅速に、異なるスラスター システム間の相互作用を避けるために別の後に 1 つ。単一のインスタンスで最大 3 つの異なるモジュール評価の効率化が可能であれば、このように大幅避難中にダウンタイムを削減し、システムを個別にテストする場合それ以外の場合に必要なプロセスを削除済み。その一方で、このシステムは同一の衛星上の束が動作するスラスター アセンブリをテストするための貴重な機会です。スラスターは単一の列に縦方向に取り付けることができます、テストを迅速に、異なるスラスター システム間の相互作用を避けるために別の後に 1 つ。それは、大幅に避難中にダウンタイムを削減し、パージ システムを個別にテストする場合それ以外の場合に必要なプロセスの単一のインスタンスで最大 3 つの異なるモジュール評価に有効であるためにテストされています。

Micropropulsion システム正確にので推力を決定することが重要効率ηeffや特定の衝動などのパラメーターを私sp、従って正確では、依存性の信頼性の高い表現を与える推進剤流量方程式 1 および 2 に示すように、スラスターの異なる端末に供給される電力など様々 な入力パラメーターのスラスターの性能。明示的に、micropropulsion システムの性能評価は、通常様々 な動作パラメーターにシステムから発生する推力の測定を中心に展開します。したがって、システム性能評価は、宇宙環境診断および彼らの信頼性と精度19確保するテストで使用するためにインストールする前に一連の標準に従って校正する必要があります。

Equation 1

Equation 2

典型的なシステムでは、推力測定単位が38テスト環境にインストールする前に、外部力校正が採用しています。しかし、このようなシステムは、校正基準の材料の特性に影響を与える宇宙環境、電気、真空を考慮しないし、熱のダイナミック コースに校正基準の劣化に影響を与えるスラスターの性能評価。図 5に示す無線自動校正ユニットは、他の一方で、スラスターが運用する前に模擬環境におけるシステムの in-situ 校正のためことができます。これはテスト環境の動的な効果のアカウントの測定ステージ上、前のスラスターの発砲システムの急速な再校正できます。システムはまた独立して推力を確認し対称モジュラー null 推力検証ユニットを備えています。それは作動するスラスターは、派生の in situ 解析の運用から与えられた推圧放電条件。全体のプロセスは MATLAB のアプリケーション、ハードウェアの最適化と推進システムの設計に焦点を当てることができますを介して行われます、そのようなシステムのテストを迅速化します。このメソッドの詳細については、次のサブセクションで詳しく説明でしょう。

Protocol

ここで推力の校正手順と性能評価のためのプロトコル、空間の原データ計測による null 測定と噴煙形状測定を介して独立した推力検証を提案します。 1. 推力校正手順と推力の性能評価 図 5に示すように、すべてのコンポーネントが商工会議所にインストールされていることを確認します。 部屋を密閉する前に外部診断ツールの…

Representative Results

推力校正手順と推力性能評価 Quadfilar 推力測定ステージから推力値の評価は 2 段階入って来します。最初の段階は、図 5の右側に示されている自動無線校正ユニットから較正係数を取得です。この校正プロセスで quadfilar ステージをスラスターに添付ファイルとして水平力換算重量の垂直?…

Discussion

典型的なホール型スラスター44比較的簡単、安い、イオン流束数万 km/s、推圧を提供することの速度を加速する高効率のデバイスが必要の加速衛星および宇宙船工作、向き、位置および姿勢制御と軌道操作寿命の終わりに。衛星とその他の軌道ペイロード スラスター強化ミッション寿命ホールのアプリケーションは軌道変更と複数の衛星の形成/星座飛行を許可する、マルチ …

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ナノテクノロジー (アメリカ) の部品 OSTIn-SRP/EDB、国立研究財団 (シンガポール)、学術研究基金 AcRF 層 1 RP 6/16 (シンガポール)、およびジョージ ・ ワシントン研究所でこの仕事を受けました。I. l. では、学校の化学、物理学、機械工学、科学と工学部、クイーンズランド工科大学からの支援を認めています。

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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