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装置和结构

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新的航天器燃料计可以使卫星保持更长的活动时间

航天器电量计
精度更高的电量监测计可以帮助确保卫星保持更长的运行时间,并确保其在轨时间更长。图片来源:NASA喷气推进实验室

航天器发射时,它使用大约75-90%的推进剂进入轨道。剩余的分数决定了它可以在那里停留多长时间,但是在零重力下,测量油箱中剩余多少燃料并不容易。美国国家标准技术研究院的研究人员现已开发出一种基于一套传感器的解决方案,该传感器可以检测航天器燃料箱内液体的电容,并使用这些数据来重建剩余燃料的三维图像。根据该团队的说法,原型设计可以使卫星运行更长的时间,同时还有助于避免损坏使用寿命终止的碰撞。

在零重力条件下,由于表面张力和毛细作用,液体推进剂附着在燃油箱壁的内部。这种不可预测的空间分布使燃油水平难以确定。推进剂还可以自由地晃动,漂浮和形成气泡-地球上都没有发生。

已经开发了几种测量机载航天器推进剂的技术。最常见的一种簿记技术是,估算每个推力燃烧多少,然后从油箱中剩余的燃料量中减去。但是,尽管此方法在任务开始时非常准确,但每个估算的误差都会传递到下一个并随每个推力累积,团队成员解释说 尼克·达加拉基斯(Nick Dagalakis),机械工程师。他说:“当油箱变低时,估计值就更像是粗略的猜测,可能会错失10%的分数。”

Dagalakis补充说,如果没有可靠的燃料测量,卫星运营商将陷入困境。在仍然有大量燃料的情况下使卫星退役是浪费金钱,但是让油箱干dry可能会使卫星陷入困境,而没有燃料可以逃避其他飞船或转移到安全轨道上。

电容传感器阵列

由NASA技术转让经理开发的新燃油表 马诺哈尔·德什潘德(Manohar Deshpande)依赖于称为电容体积层析成像(ECVT)的3D成像技术。层析成像通常是一种在不损坏对象的情况下对对象的内部结构进行成像的方法。熟悉的示例包括医院常规使用的磁共振成像(MRI),正电子发射断层扫描(PET)和X射线断层扫描。

ECVT是一种较新的变体,它使用一系列发射电磁波的传感器。这些波可以被阵列中的其他传感器检测到,它们的传输效果取决于传感器之间的电容。如果那里什么也没有,则传输率会很高。但是,如果存在物体,由于物体会吸收一些电磁波,因此传输会下降。通过将这些传感器放置在容器周围并在许多位置测量信号,可以构建容器内部对象的3D图片。

传感器制造

为了制造ECVT传感器,Dagalakis及其同事使用软光刻技术将蜡涂的固体油墨印刷到纸薄的层压铜板上。然后,他们蚀刻铜带以去除墨水,并形成传感器及其电气连接的图案。

Prototype fuel tank

Dagalakis指出,由于可以使用众所周知的MEMS制造技术来制造传感器,因此可以高精度地设置电容板阵列的尺寸,其间隙和屏蔽条。这些制造技术还消除了将电线焊接在板和条上并将电线穿过传感器阵列和储罐结构的需求。最终,由于条带是柔性的,因此可以将其应用于蛋形容器的内部,就像航天器的燃料箱一样。

燃油含量的3D图像

许多液态推进剂(包括液态氢和肼)在地球大气层中高度易燃。作为一种更安全的替代方法,研究人员使用一种燃料替代物测试了他们的传感器阵列,该燃料替代物的介电常数与真实的航天器推进剂相似,但在空气中稳定。

研究人员将传感器放在测试箱(真实NASA燃料箱的微型版本)周围,并测量阵列中每个可能的传感器对的传输差异。通过将这些测量结果结合起来,他们确定了油箱中包含燃料的位置和不包含燃料的位置,并沿着油箱的长度逐渐建立了燃料含量的3D图像。他们重建的图像显示出与罐内液体的真实形状的良好匹配。

空间模拟

为了更好地了解该系统在太空中的性能,NIST团队将一个充满液体的气球悬挂在了测试槽内,模仿了微重力中的液滴。然后,他们将得到的电容数据输入到软件程序中,以生成一系列2D图像,随后对其进行编译以生成气球的3D呈现。气球的测量直径相对于实际直径相差不到6%。

研究人员说,除了测量燃料外,新型ECVT传感器还可帮助克服与太空中液体有关的其他问题。例如,德什潘德建议将其用于连续监测国际空间站上许多管道中的流体流动,并研究晃荡的流体如何改变航天器和卫星的轨迹。

研究人员,他们在 航天器与火箭杂志,计划进一步测试和探索各种图像重建技术。他们还在研究将传感器集成到新一代长距离航天器中的方法。

“这些传感器的灵活,廉价的设计和制造可以使它们中的几个用于航天器或卫星燃料箱中,以独立工作以创建总燃料量的合成图像,”达加拉基斯说。 物理世界。 “这些传感器可能具有不同的尺寸和形状,以覆盖油箱表面,任何内部管道,供油管和燃料浓缩结构。”

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者