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

التحسين، واختبار وتشخيص للدفاعات قاعة المنمنمة

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

نقدم هنا، وضع بروتوكول لاختبار وتحسين أنظمة الدفع الفضائي استناداً إلى المنمنمة القاعة من نوع الدفاعات.

Abstract

المنمنمة المركبات الفضائية والأقمار الصناعية تتطلب الذكية، وكفاءة عالية ودائمة الاتجاه المنخفض الدفاعات، قادرة على العملية الموسعة، ويمكن الاعتماد عليها دون الحضور والتكيف. الدفاعات الكيميائي الحراري التي تستخدم الخصائص الحرارية للغازات كوسيلة لتسريع على القيود المادية سرعة غاز العادم، أدى إلى انخفاض الكفاءة. وعلاوة على ذلك، هذه المحركات تثبت كفاءة منخفضة للغاية في المحاور الصغيرة، وقد يكون غير ملائم لأنظمة التشغيل التي توفر في الوقت الحقيقي التحكم التكيفي اتجاه المركبة الفضائية، والسرعة والموقف بشكل مستمر. وفي المقابل، نظم الدفع الكهربائي الذي استخدم الحقول الكهرومغناطيسية للتعجيل بالغازات المتأينة (البلازما مثلاً) لا تملك أي الحد الفعلي من حيث سرعة العادم، مما يتيح كفاءة تقريبا على أي أسلحة ودفعه محددة. الدفاعات قاعة الاتجاه المنخفض يكون مدى حياة لساعات عدة آلاف. نطاقاتها الجهد التفريغ بين 100 و 300 الخامس، العاملة في قوة رمزية < 1 كيلوواط. أنها تتفاوت من 20 إلى 100 ملم في الحجم. يمكن أن توفر الدفاعات قاعة كبيرة كسور ميللي نيوتن للاتجاه. على مدى العقود القليلة الماضية، كان هناك اهتمام متزايد في كتلة صغيرة ومنخفضة الطاقة، ونظم الدفع عالية الكفاءة للأقمار الصناعية بالسيارة من 50-200 كجم. في هذا العمل، نحن سيتم شرح كيفية بناء واختبار وتحسين صغيرة (30 ملم) قاعة الصاروخ قادر على دفع ساتل صغير وزنها حوالي 50 كجم. أننا سوف تظهر ستدمر العاملة في جهاز محاكاة بيئة الفضائية كبيرة، وتصف كيفية قياس الاتجاه ومعلمات الكهربائية، بما في ذلك خصائص البلازما، وتم جمعها وتجهيزها لتقييم المعلمات ستدمر الرئيسية. وسوف نظهر أيضا كيف الصاروخ هو الأمثل لجعلها واحدة من الدفاعات الصغيرة الأكثر فعالية التي بنيت من أي وقت مضى. وسنتناول أيضا التحديات والفرص التي تتيحها ستدمر المواد الجديدة.

Introduction

تجدد الاهتمام في صناعة الفضاء قد جزئيا قد تحفزها نظم الدفع الكهربائية عالية الكفاءة أن تسليم تعزيز قدرات البعثة على الإطلاق يزداد انخفاض تكلفته1،،من23. اقترحت مؤخرا العديد من أنواع مختلفة من أجهزة الدفع الكهربائي الفضاء و اختبار4،،من56،،من78 يدعمها الاهتمام المعاصر بالفضاء استكشاف9،10. من بينها، أيون الشبكية11،12 والقاعة من نوع الدفاعات13،14 ذات أهمية أساسية نظراً لقدرتها على الوصول إلى كفاءة عالية جداً من حوالي 80%، تفوق أي ستدمر الكيميائية، بما في ذلك نظم الأكسجين-الهيدروجين الأكثر فعالية، كفاءة الذي يقتصر على حوالي 5000 متر/s بالرئيسية المادية قوانين15،16،،من1718.

اختبار شامل وموثوق بها من الدفاعات الفضائية المنمنمة عادة يتطلب مجمع كبير من مرافق الاختبار التي تشمل اختبار الدوائر، مرافق التفريغ (المضخات)، أدوات المراقبة والتشخيص، ونظام لقياس البارامترات البلازما 19، وطائفة واسعة من المعدات الإضافية التي تدعم تشغيل الصاروخ، مثل نظام إمداد طاقة كهربائية، وحدة الإمداد بالوقود، فحوى موقف القياس وغيرها الكثير20،21. وعلاوة على ذلك، ستدمر الدسر مساحة نموذجية يتكون من عدد من الوحدات التي تؤثر بشكل منفصل على الكفاءة وخدمة الحياة بكامل هيئته فحوى النظام، وعليه، يمكن اختبار كل على حدة، وكجزء من الصاروخ الجمعية22، 23. هذا إلى حد كبير من تعقيد إجراءات الاختبار ويعني الاختبار الطويل فترات24،25. موثوقية ستدمر الكاثود وحدة، وكذلك تشغيل الدفاعات عندما تستخدم مختلف أنواع الوقود الدفعي يتطلب أيضا دراسة خاصة26،27.

لقياس أداء نظام الدفع الكهربائي، وإلى تأهيل الوحدات النمطية للنشر التشغيلي في بعثات الفضاء، أرضية اختبار المرافق التي تمكن من محاكاة الفضاء واقعية البيئات اللازمة لاختبار الدفع تحجيم متعدد وحدات28،،من2930. مثال على هذا النظام غرفة محاكاة بيئة الفضائية ذات مقياس كبير يقع في الفضاء الدسر المركز-سنغافورة (توافق آراء ساو باولو-S، الشكل 1 أ، ب)31. عند تطوير بيئة محاكاة، الاعتبارات الأولية والثانوية التالية التي تحتاج إلى أن تؤخذ في الاعتبار. الشواغل الرئيسية هي أن البيئة الفضائية التي تم إنشاؤها ومن ثم يجب أن دقة وموثوقية محاكاة بيئة الفضاء واقعية، ويجب أن توفر أنظمة التشخيص التي بنيت في تشخيص دقيقة ودقيقة أثناء تقييم أداء النظام. الاهتمامات الثانوية هي أن البيئات محاكاة الفضاء يجب أن تكون عالية للتخصيص لتمكين التثبيت السريع واختبار الدفع المختلفة ووحدات التشخيص والبيئة يجب أن تكون قادرة على استيعاب التجارب الإنتاجية العالية لتحسين التفريغ والظروف التشغيلية لوحدات متعددة في وقت واحد.

محاكاة البيئة الفضائية ومرافق الضخ

هنا، نحن توضيح المحاكاة مرفقين في توافق آراء ساو باولو-S التي تم تنفيذها للاختبار لنظم الدفع الكهربائية المنمنمة، وحدات متكاملة، كذلك. هذه المرافق اثنين من نطاقات مختلفة، وأساساً بأدوار مختلفة في عملية تقييم الأداء، كما هو مبين أدناه.

بلازما الفضاء يشتغل الدائرة (بساك)

بساك أبعاد 4.75 متر (طول) × 2.3 م (القطر)، وفراغ ضخ جناح يضم العديد مضخات عالية القدرة تعمل في ترادف. وقادر على تحقيق قاعدة ضغط أقل من 10-6 السلطة الفلسطينية. أنه لدى تحكم متكامل في فراغ قراءات ومضخة نظام تنشيط/تصريف للإجلاء، وتطهير للدائرة. أنه مجهز بالعديد من الشفاه للتخصيص، فيدثروغس الكهربائية والبصرية للكوي التشخيصية لتوفير مرفق اختبار الخط. هذا، جنبا إلى جنب مع مجموعة كاملة من قدرات التشخيص شنت داخليا، يسمح لها بتعديل سرعة التشخيص المتعدد الوسائط. مقياس بساك يسمح أيضا لاختبار وحدات متكاملة تماما للتطبيقات في بيئة محاكاة.

بساك هو توافق آراء ساو باولو-S رائد الفضاء المحاكاة مرفق البيئة (الشكل 1 ج، د). يسمح حجمها الهائل لاختبار نماذج كاملة لتصل إلى بضعة يو التي شنت على مرحلة قوادفيلار. وميزة هذا الأسلوب سيكون في التصور في الوقت الحقيقي من كيف وحدات الدفع كما شنت على حمولات مختلفة قد تؤثر على المناورة في الموقع من الحمولات في الفضاء. هذا هو محاكاة عن طريق التركيب وفحوى تعليق حمولة كاملة في كوادفيلار ملكية منصة قياس. ثم يمكن أن تطلق الصاروخ، وأن يختبر منصة علقت بالصاروخ وحمولة وفقا لظروف الفضاء. ويتم ضخ غاز الوقود المواد الخام التي تدخل إلى بيئة الاختبار عن طريق وحدات الدفع الكهربائي بجناح فراغ التأكد من أن الضغط العام للدائرة هو لم تتغير، وبالتالي، الحفاظ على بيئة الفضاء واقعية32 كفاءة ،،من3334. وعلاوة على ذلك، نظم الدفع الكهربائي عادة ما تنطوي على إنتاج البلازما واستغلال التلاعب بمسارات الجسيمات المشحونة الخروج النظام من أجل توليد الزخم35. في بيئات المحاكاة، أصغر وتراكم مانعات تهمة أو البلازما على الجدار قد تؤثر على أداء التصريف عن طريق التفاعلات جدار البلازما بسبب قربها من نظام الدفع، خاصة بالنسبة ميكروبروبولسيون حيث نموذجي التوجه القيم حسب ترتيب ميلينيوتونس. ولذلك، يجب بذل اهتماما خاصا والتركيز لحساب وتهميش المساهمات من هذه العوامل36. بساك حجم كبير يقلل من التفاعلات جدار البلازما، مما يجعلها إعطاء تمثيل أكثر دقة لتفريغ معلمات لا يعتد بها، ويمكن من رصد الملامح بلوم في وحدات الدفع الكهربائي. بساك يستخدم عادة في كامل وحدة التقييم ونظم التكامل/التحسين العمليات التي تسمح بترجمة النماذج ستدمر سريعة إلى نظم عمليا جاهزاً للاختبار في التحضير لتأهيل مساحة الأرض.

تحجيم بلازما الفضاء بيئة محاكاة (بسيك)

بسك أبعادا من 65 سم × 40 سم × 100 سم ولديه مجموعة ضخ فراغ الذي يتألف من ست مضخات عالية القدرة تعمل في ترادف (مضخة فراغ الجافة، ومضخات التفريغ توربوموليكولار والبرد). وقادر على تحقيق قاعدة ضغط أقل من 10-5 السلطة الفلسطينية عندما الجامع ضخ النظام قيد التشغيل (جميع المضخات قيد الاستخدام). ويتم رصد تدفقات الضغط والوقود في الوقت الحقيقي من خلال مربعات قراءات التدفق الجماعي المتكامل ومقاييس الضغط. بسيك المقام الأول يعمل في اختبار التحمل للدفاعات. وتطلق الدفاعات لفترات طويلة من الوقت لتقييم آثار الضرر البلازما في قنوات التصريف، وعلى عمر البطارية. بالإضافة إلى ذلك، كما هو مبين في الشكل 2، شبكة تحكم تدفق غاز معقدة في هذا المرفق يتيح الاتصال السريع الأخرى الوقود كمادة وسيطة إلى الكاثود ومصاعد لاختبار التوافق بين الدفاعات بالوقود الدفعي الرواية والآثار المترتبة هذا الأخير على أداء الصاروخ. وهذا الاهتمام المتزايد لمجموعات بحثية تعمل على الدفاعات الكهربائية “تتنفس الهواء” استخدام الوقود الدفعي رواية أثناء عملية.

مرافق التشخيص المتكاملة (تشخيص النقل المتعدد الوسائط)

وقد وضعت مختلف مرافق التشخيص المتكاملة، مجهزة بالنظم الآلية الروبوتية المتكاملة (يهوى-المايكروثانيه)19،23، لهذين النظامين في بسك وبساك لتلبية للتشخيص في جداول مختلفة وأغراض.

التشخيص المتكاملة في بسك

أدوات التشخيص في بسك يتوقف أساسا على الرصد في الوقت الحقيقي للتصريف من خلال العمليات الموسعة. نظام إدارة الجودة مراقبة الغاز المتبقية في مرفق لأنواع الملوثات التي تنشأ من اﻷخرق للمواد أثناء عملية تفريغ. وتراقب هذه الكميات النزرة كمياً مع مرور الوقت لتقييم معدلات تآكل من قناة التصريف واقطاب للصاروخ لتقدير مدى الحياة للصاروخ. ويكمل مطياف الانبعاثات الضوئية (OES) هذا الإجراء برصد الخطوط الطيفية المقابلة للانتقالات الإلكترونية من الأنواع ملوث بسبب التآكل، مثل النحاس من الإلكترونيات. كما تمكن OES البلازما غير الغازية التشخيص والرصد النشط للشخصية بلوم الذي يقيم أداء ستدمر نوعيا. وأخيراً، يتم استخدام مجس فاراداي روبوتية التي يمكن التحكم عن بعد، أو تعيينها إلى وضع الحكم الذاتي الكامل، لاشتقاق الاحتلالات سريعة من التشكيل الجانبي بلوم لتحسين collimation شعاع من خلال باراميتريكالي اختلاف ظروف التصريف (الشكل 3).

التشخيص المتكامل في بساك

تمكن متسع المساحة الفعلية في بساك تركيب نظم ستدمر متعددة في مواقع مختلفة نظراً لتصميمها المرن، مما يسمح لتثبيت التوصيل والتشغيل مثل لتشخيص مختلف في نفس الوقت. ويبين الشكل 4 المقطع العرضي الداخلية بساك في تشكيلات مختلفة، مع منصة قياس الاتجاه قوادفيلار تماما مع وقف التنفيذ يجري به لاعبا أساسيا آخر ملحوظة ودائمة. نظم البرج، الخاضعة لسيطرة مستقلة أو لاسلكياً عبر تطبيقات الروبوت باستخدام ميكروكنترولر ووحدات تقنية Bluetooth، يمكن ثم تركيبة على نحو نمطي يواجه الصاروخ الحصول على الصفات المميزة للوم من خلال تركيب مجسات مختلفة مثل فاراداي، لانغموير وتؤخر محلل المحتملة (RPA). كما هو موضح في الشكل 4 هو قدرة بساك السماح لتركيب شكلي ستدمر نظم التشخيص السريع المتزامن من مختلف البلازما المعلمات. الدفاعات يمكن تركيبة رأسياً في عمود واحد واختبار سرعة، الواحد تلو الآخر لتجنب التفاعلات بين النظم المختلفة ستدمر. وقد تم التحقق من أن التقييم الفعال ليصل إلى 3 وحدات مختلفة في مثيل واحد ممكن، وبالتالي إلى حد كبير الحد من التوقف خلال عملية الإجلاء وتطهير العمليات المطلوبة إلا عند اختبار نظم فردية. من ناحية أخرى، أن هذا النظام هو فرصة ثمينة لاختبار الصاروخ التجميعات التي يجب أن تعمل في مجموعة، على متن الساتل نفسه. الدفاعات يمكن تركيبة رأسياً في عمود واحد واختبار سرعة، الواحد تلو الآخر لتجنب التفاعلات بين النظم المختلفة ستدمر. قد تم اختباره لتكون فعالة في تقييم تصل إلى 3 وحدات مختلفة في مثيل واحد، إلى حد كبير تقليل وقت التوقف عن العمل خلال عملية الإجلاء وتطهير العمليات المطلوبة إلا عند اختبار نظم فردية.

أنها حيوية لتحديد التوجه العام في نظم ميكروبروبولسيون بدقة حتى أن المعلمات مثل الكفاءة و ηالمؤسسة ودفعه محددة أناس، وهي دقيقة، وبالتالي، إعطاء تمثيل موثوقة للاعتماد أداء الصاروخ في معلمات الإدخال مختلفة مثل تدفق الوقود والطاقة الموردة إلى محطات مختلفة من الدفاعات كما هو مبين في المعادلات 1 و 2. صراحة، تقييم أداء نظم ميكروبروبولسيون عادة ما تدور حول قياس قوة الدفع المتولدة من المنظومة على معلمات التشغيل المختلفة. ولذلك، يحتاج نظم تقييم الأداء للمعايرة وفقا لمجموعة من المعايير قبل تثبيت في بيئة الفضاء لاستخدامها في التشخيص والفحص لضمان موثوقيتها ودقتها19.

Equation 1

Equation 2

نظم نموذجية تستخدم معايرة القوة خارجياً قبل أن يتم تثبيت وحدات قياس الاتجاه إلى بيئة اختبار38. ومع ذلك، لا تراعي مثل هذه الأنظمة في بيئات الفضاء التي تؤثر على خصائص المواد للمعايير المعايرة، وفراغ الكهربائية، والتأثيرات الحرارية على تدهور معايير معايرة مدى دينامية تقييم أداء الدفاعات. وحدة المعايرة اللاسلكية الآلي هو موضح في الشكل 5، من ناحية أخرى، يسمح للمعايرة في الموقع للنظام في بيئة محاكاة قبل الصاروخ جاهز. هذه الحسابات للآثار الدينامية لبيئة الاختبار في مرحلة القياس، ويسمح لسرعة إعادة معايرة للنظام قبل إطلاق الدفاعات. كما يضم النظام وحدة تحقق فحوى فارغة نمطي متماثل التي تتحقق التوجه بشكل مستقل. هو يعمل في حين الصاروخ جاهز للتحليل في الموقع المشتقة المحاور من معين الوفاء بالشروط. العملية بأكملها عن طريق تطبيقات MATLAB، مما يسمح للمستخدمين بالتركيز على الاستغلال الأمثل للأجهزة وتصميم لنظم الدفع، ويعجل اختبار نظم من هذا القبيل. سيتم وضع التفاصيل لهذا الأسلوب في الفرع التالي.

Protocol

نقدم هنا البروتوكولات للتقييم الداخلي وأداء المعايرة الفحوى، التحقق المستقل التوجه عبر بروفيلوميتري القياس ولوم فارغة عن طريق الاستشعار من البيانات المكانية في الموقع. 1-التوجه تقييم الأداء الداخلي والتوجه المعايرة تأكد من أن يتم تثبيت كافة المكونات في الدائرة …

Representative Results

فرضت إجراء المعايرة وفحوى تقييم الأداء تقييم القيم التوجه من مرحلة القياس كوادفيلار التوجه يأتي على مرحلتين. المرحلة الأولى من خلال الحصول على عوامل المعايرة من وحدة المعايرة اللاسلكية الآلي سيظهر الحق في الشكل 5</stro…

Discussion

قاعة نموذجية من نوع الدفاعات44 بسيطة نسبيا، ورخيصة وأجهزة عالية الكفاءة التي يمكن أن تعجل الجريان أيون إلى السرعات من عدة عشرات من كم/ث، توفير الزخم اللازم للأقمار الصناعية المتسارعة والمركبات الفضائية، فضلا عن يناور، التوجه والموقف ومراقبة الموقف، ومدارها في نهاية حياتهم خ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

كان يؤيد هذا العمل في جزء من OSTIn–حزب سام رانسى/EDB، والمؤسسة الوطنية للبحوث (سنغافورة)، وأكاديمية بحوث الصندوق أكرف الطبقة 1 روبية 6/16 (سنغافورة)، ومعهد جورج واشنطن “تقنية النانو” (الولايات المتحدة الأمريكية). أولاً L. تعترف بالدعم من مدرسة الكيمياء، الفيزياء والهندسة الميكانيكية، والعلوم وكلية الهندسة، جامعة كوينزلاند للتكنولوجيا.

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/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