Optimization, Test and Diagnostics of Miniaturized Hall Thrusters

Jian W. M. Lim; Igor Levchenko; Muhammad W. A. B. Rohaizat; Shiyong Huang; Luxiang Xu; Yu Fei Sun; George C. Potrivitu; Jen S. Yee; Roysmond Z. W. Sim; Youmei Wang; Svitlana Levchenko; Kateryna Bazaka; Shuyan Xu

doi:10.3791/58466

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Ingénierie

Otimização, teste e diagnóstico dos propulsores miniaturizados Hall

Published: February 16, 2019

doi:

10.3791/58466

Jian W. M. Lim, Igor Levchenko², Muhammad W. A. B. Rohaizat, Shiyong Huang, Luxiang Xu, Yu Fei Sun, George C. Potrivitu, Jen S. Yee, Roysmond Z. W. Sim, Youmei Wang, Svitlana Levchenko, Kateryna Bazaka¹, Shuyan Xu

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

Aqui, apresentamos um protocolo para testar e otimizar sistemas de propulsão espacial baseados em propulsores de Hall-tipo miniaturizados.

Abstract

Satélites e naves espaciais miniaturizados requerem inteligentes, altamente eficientes e duráveis baixa propulsão propulsores, capazes de operação estendida, confiável, sem atendimento e ajuste. Os propulsores termoquímicos que utilizam propriedades termodinâmicas de gases como um meio de aceleração tem limitações físicas na sua velocidade de gás de exaustão, resultando em baixa eficiência. Além disso, estes motores demonstram extremamente baixa eficiência em pequenas pressões e podem ser inadequados para continuamente os sistemas operacionais que oferecem controle adaptável em tempo real da orientação espacial, velocidade e posição. Em contraste, sistemas de propulsão elétrica que utilizam campos eletromagnéticos para acelerar gases ionizados (i.e., plasmas) não têm qualquer limitação física em termos de velocidade de exaustão, permitindo que virtualmente qualquer massa eficiência e impulso específico. Propulsores de baixa propulsão Hall tem um tempo de vida de vários milhares de horas. Suas escalas de tensão de descarga entre 100 e 300 V, operando com uma potência nominal de < 1 kW. Eles variam de 20 a 100 mm de tamanho. Propulsores de grande Hall podem fornecer frações de millinewton de empuxo. Ao longo das últimas décadas, tem havido um crescente interesse em massa pequena, de baixa potência e sistemas de propulsão de alta eficiência para satélites de movimentação de 50-200 kg. Neste trabalho, vamos demonstrar como construir, testar e otimizar um pequeno (30 mm) dos propulsores de Hall capaz de impulsionar um satélite pequeno, pesando aproximadamente 50 kg. Vamos mostrar o propulsor operando em um simulador de ambiente de grande espaço e descrever como o empuxo é medido e parâmetros elétricos, incluindo características de plasma, são recolhidos e tratados para avaliar parâmetros chave propulsor. Também demonstraremos como o propulsor é otimizado para torná-lo um dos propulsores pequenos mais eficientes já construídos. Iremos também abordar os desafios e oportunidades apresentadas pelos novos materiais de propulsor.

Introduction

Renovou o interesse na indústria espacial em parte tem sido catalisado por sistemas de propulsão elétrica altamente eficiente que recursos de missão entregar reforçada no lançamento cada vez mais reduzido custo¹^,²^,³. Muitos tipos diferentes de dispositivos de propulsão elétrica espaço recentemente têm sido propostos e testados⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸ suportados pelo interesse atual no espaço exploração de⁹^,¹⁰. Entre eles, íon quadriculado¹¹^,¹² e de¹³^,de propulsores de Hall-tipo¹⁴ são de principal interesse devido à sua capacidade para alcançar eficiência muito elevada, de cerca de 80%, superior de qualquer produto químico de impulso, incluindo os sistemas mais eficientes de oxigênio-hidrogênio, a eficiência do que é limitada a cerca de 5000 m/s pela entidade física leis¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸.

Abrangente e confiável testes de propulsores miniaturizados espaço normalmente requer um grande complexo de instalações de teste que inclui câmaras de ensaio, instrumentos de controle e diagnóstico, instalações de vácuo (bombas), um sistema para medição dos parâmetros do plasma ¹⁹e uma vasta gama de equipamentos auxiliares que sustentam o funcionamento do propulsor, como um sistema de abastecimento de energia elétrica, unidade de alimentação de combustível, pressão carrinho de medição e muitos outros²⁰^,²¹. Além disso, um propulsor de propulsão espacial típico consiste de várias unidades separadamente, influenciar a eficiência e vida útil de todo o sistema de pressão e portanto, poderia ser testada separadamente e como parte do propulsor montagem²²^, ²³. Significativamente, isto complica procedimentos de teste e implica teste longos períodos²⁴^,²⁵. Fiabilidade de cátodo unidade de um propulsor, bem como o funcionamento dos propulsores quando propelentes diferentes são usados também requer consideração especial²⁶^,²⁷.

Para quantificar o desempenho de um sistema de propulsão elétrica e para se qualificar módulos para implantação operacional em missões espaciais, terra testando instalações que permitem a simulação do espaço realista ambientes são necessários para testes de propulsão multi-escala unidades²⁸^,²⁹^,³⁰. Um exemplo de tal sistema é uma câmara de simulação de ambiente de grande escala espaço localizada no espaço propulsão centro-Singapore (SPC-S, Figura 1a, b)³¹. Ao desenvolver um ambiente de simulação tão, as seguintes considerações primárias e secundárias precisam ser tomadas em conta. Principais preocupações são que o ambiente do espaço assim criado deve com precisão e confiabilidade simular um ambiente de espaço realista, e os sistemas de diagnósticos embutido devem fornecer diagnósticos precisos e exatos durante avaliação de desempenho de um sistema. Preocupações secundárias são que os ambientes simulados espaço devem ser altamente personalizáveis para permitir a rápida instalação e testes de propulsão diferente e módulos de diagnósticos e o ambiente devem ser capaz de acomodar alto throughput testes para otimizar descarga e condições operacionais de várias unidades simultaneamente.

Simuladores de ambiente do espaço e instalações de bombeamento

Aqui, podemos ilustrar duas simulação instalações no SPC-S que foram implementadas para teste de sistemas de propulsão elétrica miniaturizados, módulos, bem como integrados. Estas duas instalações são de diferentes escalas e principalmente, têm diferentes papéis no processo de avaliação de desempenho, conforme descrito abaixo.

Câmara de atuação plasma grande espaço (PSAC)

O PSAC tem dimensões de 4,75 m (comprimento) x 2,3 m (diâmetro) e tem um vácuo bombeamento suite que é composto por inúmeras bombas de alta capacidade, trabalhando em conjunto. É capaz de atingir uma base pressão inferior a 10^-6 PA. Tem um vácuo leitura e bomba de ativação/purge sistema integrado para evacuação e purga da câmara. É equipado com numerosas flanges personalizáveis, feedthroughs elétricos e vigias diagnósticos visuais para fornecer instalações de teste de linha. Isto, juntamente com um conjunto completo de capacidades de diagnóstico, montado internamente, permite que rapidamente sejam modificadas para diagnóstico multimodal. A escala do PSAC também permite testes de módulos completamente integrados para aplicações em um ambiente simulado.

PSAC é a SPC-S emblemático espaço simulação a protecção do ambiente (Figura 1 c, d). Sua dimensão permite testes de módulos completos de até do alguns U montagem num palco de quadfilar. A vantagem desse método seria a visualização em tempo real de como os módulos de propulsão como montado em diferentes cargas podem influenciar in-situ manobras de cargas no espaço. Isso é simulado através da montagem e suspensão da carga inteira em um proprietário quadfilar plataforma de medição de pressão. O propulsor em seguida pode ser despedido, e a plataforma suspensa com o propulsor e a carga seria testada de acordo com as condições do espaço. Matérias-primas de gás propelente que entram no ambiente de teste através dos módulos de propulsão elétrica são bombeados para fora eficientemente pela suíte de vácuo para assegurar que pressão global da câmara não é alterada, assim, manter um ambiente de espaço realista³² ^,³³^,³⁴. Além disso, sistemas de propulsão elétrica normalmente envolvem a produção de TVs de plasma e exploram a manipulação de trajetórias de partículas carregadas, saindo do sistema a fim de gerar empuxo³⁵. Em ambientes menores de simulação, o acúmulo das bainhas de carga ou plasma na parede pode afetar o desempenho de descarga através de interações de plasma-parede devido à sua proximidade com o sistema de propulsão, especialmente para micropropulsion onde típico axiais os valores são da ordem de millinewtons. Portanto, a ênfase e atenção especial devem ser feitas para contabilizar e marginalizar as contribuições de tais fatores de³⁶. Tamanho grande do PSAC minimiza as interações de plasma-parede, tornando-os insignificantes, dando uma representação mais precisa dos parâmetros de descarga e permitindo o monitoramento de perfis de pluma em módulos de propulsão elétrica. O PSAC é normalmente usado no módulo completo de avaliação e sistemas de integração/processos de otimização que permite a tradução rápida de protótipos dos propulsores em sistemas operacionalmente prontos para teste em preparação para a qualificação do espaço à terra.

Simulador de ambiente dimensionado plasma espacial (PSEC)

O PSEC tem dimensões de 65 cm x 40 cm x 100 cm e tem uma suíte de bombeamento de vácuo que compreende de seis bombas de alta capacidade, trabalhando em conjunto (bomba de vácuo seca, bombas de vácuo turbomolecular e crio). É capaz de atingir uma base pressão inferior a 10^-5 Pa, quando todo o sistema de bombeamento está operando (todas as bombas estão em uso). Pressão e propelente fluxos são monitorados em tempo real através de caixas de leitura de fluxo de massa integrada e manômetros. O PSEC é empregada principalmente em testes de resistência dos propulsores. Propulsores são disparados por longos períodos de tempo para avaliar os efeitos de danos de plasma em canais de descarga e na sua vida. Além disso, conforme mostrado na Figura 2, uma rede de controlador de fluxo de gás complexo nesta instalação permite conexão rápida de outros propelentes de matéria-prima para o cátodo e ânodos para testar a compatibilidade dos propulsores com propelentes romance e efeitos da Este último no desempenho dos propulsores. Isto é de maior interesse para grupos de pesquisa trabalhando em “respiram ar” propulsores elétricos utilizando propelentes romance durante a operação.

Instalações de diagnósticos integradas (diagnóstico multimodal)

Diferentes instalações de diagnósticos integradas, equipadas com sistemas automatizados de robóticas integrada (AIRS-µS)¹⁹^,²³, foram desenvolvidas para os dois sistemas em PSEC e PSAC para atender para diagnósticos em diferentes escalas e fins.

Diagnóstico integrado em PSEC

As ferramentas de diagnóstico em PSEC essencialmente dependem de monitoramento em tempo real de descarga por meio de operações estendidas. Sistema de gestão da qualidade monitora gás residual na instalação para espécies de contaminante que surgem a partir de material que sputtering durante uma descarga. Estes vestígios são quantitativamente monitorados ao longo do tempo para avaliar as taxas de erosão do canal de descarga e eletrodos do propulsor para estimar o tempo de vida do propulsor. O espectrômetro de emissão óptica (OES) complementa este procedimento ao monitoramento de linhas espectrais correspondentes a transições electrónicas de espécies contaminantes devido à erosão, tais como o cobre de eletrônica. OES também permite diagnóstico não-invasivo de plasma e monitoramento ativo do perfil de pluma que avalia qualitativamente o desempenho do propulsor. Finalmente, uma sonda de Faraday robótica que pode ser controlada remotamente, ou definida para o modo totalmente autónomo, é usada para derivar varreduras rápidas do perfil pluma para otimizar a colimação do feixe através de variáveis parametricamente condições de descarga (Figura 3).

Diagnóstico integrado no PSAC

O luxo do espaço físico no PSAC permite a instalação de vários sistemas de propulsão em vários locais, devido ao seu design modular, permitindo a instalação de plug-e-jogo-como para diagnósticos diversos simultaneamente. A Figura 4 mostra a seção transversal interna do PSAC em várias configurações, com a plataforma de medição de empuxo quadfilar totalmente suspenso sendo sua fixação mais notável e permanente. Sistemas de torre, controlada de forma autônoma ou sem fio através de apps Android utilizando microcontroladores e módulos Bluetooth, podem ser montados de forma modular, enfrentando o propulsor para obter as características da pluma através da instalação de várias sondas como Faraday, Langmuir e retardando o potencial Analyzer (RPA). Também é mostrado na Figura 4 é a capacidade do PSAC para permitir a montagem configurável de sistemas propulsores para diagnóstico rápido de simultâneo de vários parâmetros do plasma. Os propulsores podem ser montados verticalmente em uma única coluna e testaram rapidamente, um após o outro para evitar interações entre os sistemas diferentes dos propulsores. Verificou-se que é possível, significativamente reduzindo assim o tempo de inatividade durante a evacuação e purga processos necessários caso contrário ao testar sistemas individualmente eficiente avaliação de até 3 módulos diferentes em uma única instância. Por outro lado, este sistema é uma valiosa oportunidade para testar os assemblies de propulsor que devem operar em um monte, no mesmo satélite. Os propulsores podem ser montados verticalmente em uma única coluna e testaram rapidamente, um após o outro para evitar interações entre os sistemas diferentes dos propulsores. Ele foi testado para ser eficaz na avaliação de até 3 módulos diferentes em uma única instância, significativamente reduzindo o tempo de inatividade durante a evacuação e purgação processos necessários, caso contrário, quando sistemas de teste individualmente.

É vital para determinar o teor em micropropulsion sistemas com precisão então que parâmetros tais como a eficiência, η_FEP e o impulso específico eu_sp, são precisos, assim, dando uma representação confiável da dependência de desempenho dos propulsores em vários parâmetros de entrada como o fluxo de combustível e energia fornecida aos terminais diferentes dos propulsores, conforme mostrado nas equações 1 e 2. Explicitamente, avaliação de desempenho dos sistemas de micropropulsion normalmente gira em torno da medição da pressão gerada a partir do sistema em vários parâmetros de funcionamento. Portanto, sistemas de avaliação de desempenho precisam ser calibrado de acordo com um conjunto de normas, antes de ser instalado no ambiente do espaço para uso em diagnóstico e testes para garantir a sua fiabilidade e precisão¹⁹.

Típicos sistemas empregam força calibração externamente antes de unidades de medida de pressão são instaladas para o ambiente de teste³⁸. No entanto, esses sistemas não conta para os ambientes de espaço que afetam as propriedades materiais dos padrões de calibração e de vácuo elétrico, e térmica influencia sobre a degradação dos padrões calibrados no curso dinâmico de avaliação de desempenho dos propulsores. A unidade de calibração automática de sem fios mostrada na Figura 5, por outro lado, permite calibração in-situ do sistema no ambiente simulado antes o propulsor está operacional. Isto explica os efeitos dinâmicos do ambiente de teste na fase de medição e permite a rápida re-calibração do sistema antes da queima dos propulsores. O sistema também possui uma unidade de verificação de empuxo nulo modular simétrica que verifica o impulso de forma independente. É operado enquanto o propulsor está operacional para análise in situ da derivada condições de descarga de impulsos de determinado. Todo o processo é feito via MATLAB apps, permitindo que os usuários se concentrar na otimização de hardware e design de sistemas de propulsão e acelera a testes de tais sistemas. Detalhes deste método seriam elaborados na subseção seguinte.

Protocol

Aqui apresentamos os protocolos para a avaliação de desempenho e procedimento de calibração do impulso, impulso independente verificação via nula profilometry medição e pluma através da detecção de dados espaciais no local. 1. avaliação de desempenho de processo e impulso de calibração de pressão Certifique-se de que todos os componentes são instalados na câmara, como mostrado na Figura 5. Teste a conectividade das fer…

Representative Results

Procedimento de calibração de pressão e empuxo de avaliação de desempenho Avaliação dos valores de pressão desde a fase de medição quadfilar impulso vem em duas fases. A primeira fase é através da obtenção de fatores de calibração da unidade de calibração sem fio automatizado mostrada à direita da Figura 5. Neste processo de calibração, bem pesos são abaixados …

Discussion

Typical Hall-tipo propulsores⁴⁴ são relativamente simples, barato e altamente eficientes dispositivos que poderiam acelerar um fluxo de iões para as velocidades de várias dezenas de km/s, fornecendo impulso necessário para aceleração de satélites e naves espaciais, bem como para manobras, orientação, posição e controle de atitude e eliminação em órbita no final de sua vida útil de operação. Aplicação de Hall propulsores de satélites e outras cargas orbitais melhorar a vida de m…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi financiado em parte por OSTIn-SRP/EDB, a Fundação Nacional de pesquisa (Singapura), pesquisa acadêmica fundo AcRF Tier 1 RP 6/16 (Singapura) e o George Washington Institute para nanotecnologia (EUA). I. L. reconhece que o apoio da escola de química, física e engenharia mecânica, ciência e engenharia da faculdade, 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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Citer Cet 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).