Solid-State Electric Propulsion: Havacılıkta Teknik Bir Dönüşüm Noktası

Son on yılda, sağlam devlet elektrik tahrik (SSEP) bileşenleri, bir sonraki nesil uzay sistemleri için pratik adaylara geçiş yaptı. Geleneksel kimyasal roketlerin veya hatta geleneksel ızgaraların aksine, pervane besleme veya nötralizasyon için parçalara güvenen betonlar, SSEP mimarileri karmaşık akış kontrolü ortadan kaldırır ve farklı ticari yönetim programları için de kabul edilir.Bu avantajlar uydu istasyonu yeniden şekillendirir.

Katı Devlet Mimarilerine Yönelik Temel Değiştir

Anada, sağlam devlet elektrik tahriki sağlam bir orta kullanır - Hall- effect iter ve elektrostatik iyon motorları gibi, dış gaz besleme sistemleri, boş kedileri ve karmaşık nötralize edici toplantıları gerektirir. Alan-evre-jenerasyonu ve hızlanan fonksiyonları tek sağlam bir bileşene entegre ederek, SSEP, sayma noktaları ve potansiyel başarısızlık noktaları gibi bir yıldıza azaltır.

Örneğin, en son makd plazma jetleri oluşturmak için son nesil:0)ferroelektrik plazma itkileri) küçük kimyasal tekelci itkiler ile karşılaştırılabilir ancak xenon veya krypton gibi sabit gazlar üzerinde çalışma yeteneği.

Bir başka umut verici yaklaşım, sağlam dielektrik yüzeylere dayanan elektriksel hızlandırıcılar içerir[Dönemli 1] Bu tasarımlarda, şarjlı bir tabaka, yüksek çözünürlükte kullanılan bir elektrik alanı ile hızlanır ve sonra sağlam malzeme ile hızlanır.

Malzeme Yeniliği Sürüş Performansı Kazandı

Herhangi bir SSEP sisteminin kalbi, yüksek elektrik alanları, hızlı geçiş döngüleri ve aşırı termal yüksek lisans programları için uygun olmayan birkaç adayın kilidini açtı.

Yüksek-Temperyatür Dielektrikler

Poliimide (Kapton) gibi Konvansiyonel dielektrik polimerleri, verimli iyon hızlandırma için gerekli yüksek elektrik alanları altında hızla hızla değişiyor. Araştırmacılar, elektriksel olarak daha yüksek olan, mekanik esnekliğin devam ederken (Dönetici) kullanılmaktadır.

Ferroelektrik İnce Filmler

Rejim plazma iterleri için, ferroelektrik malzemenin geçiş hızı doğrudan pul tekrar oranını yönetir ve bu nedenle, Tokyo Üniversitesi ile JAXA arasında bir kooperatif projesinde, 10 nanosaniyenin üzerindeki 15 kat artış gösterdi.

Katkılı olarak Dielektrik Yapıları

Katkılı üretim (3D baskı), iki foton lithografi kullanılarak üretilen beton ve alan üniforması ile ilgili mikroyapılar oluşturmak için kapıyı açtı. Örneğin, 03.03.2012 tarihinden itibaren MIT'nin Uzay Prolattice tabanlı dielektrik hızlandırıcıları [DFLT:1), geleneksel makineli bileşenlerle kıyasla% 20 daha yüksek itki verimliliği elde etti, tam olarak Propulsion ve Power[Döneticileri) tarafından bildirilen olarak.

Küçük Platformlar için Miniaturizasyon ve Sistem Entegrasyonu

Katı devlet tahrikinin en çekici avantajlarından biri, küçük form faktörlerine doğal ölçeklenebilirliğidir. Geleneksel elektrikli itkiler genellikle sabit bir güç işleme birimleri (PPUs) gerektirir ve 6U CubeSat. SSEP bileşenlerinin kütle bütçesine hükmederek, aksine, doğrudan baskılı devre kurulları (PCB) veya yapısal paneller içinde gömülü devreler halinde entegre edilebilir.

Chip-Scale Propulsion Modülleri

Air Force Research Laboratory (AFRL)'de son iş, standart 3U Cube'in sonunda bir standart 3U Cube'i üretti.The modülün bir seramik substratı üzerinde basılmış, aynı tahtada bulunan elektronik ko-loke edilen bir dizi.Böyle entegrasyon, ayrı PPU'nun toplam dürtüsini ortadan kaldırır ve toplam% 85 oranındaki güç kayıpları azaltır.

Hybrid Power Systems

Solid-state propulsion ayrıca, Lockheed Martin ve Georgia Teknoloji Enstitüsü gibi gelişmiş güç kaynakları ile çiftleri de tamamen sağlam bir şekilde şarj cihazı ) ve [[Dönetici aküler[Döneticiler için 3 ) ve bu mimari, Lockheed Martin ile Georgia Institute of Technology arasında bir işbirliği, 800 V'de elektrikli tankların çok katmanlı seramik kapasitörler için elektrik santralini gösteren yüksek devletli bir tahrik otobüsü gösterdi.

Termal Yönetim Dağılır

Yüksek güç işlemi kaçınılmaz olarak atık ısısını üretir ve küçük uzay aracının sınırlı hacimleri kalıcı bir meydan okuma yapar. SSEP sistemleri, birçok seramik dielektriklerin yüksek termal iletkenliğinden ve itkili gövdesini bir ısı yayıcı olarak kullanma yeteneğinden yararlanır.

[FONT:0)"Biz, NASA Glenn Araştırma Merkezi Elektrik Propulsion Group'ta sağlam bir operasyona dayanabileceğini gösterdik.[Dönemli sıcaklık ve küçük bir termal arayüz malzemesi kullanarak 125 °C altındaki kavim sıcaklıklarını korumak için 125 °C'nin altındaki kavim ısıtılabilir. ”- Dr. Elena Vasquez, Lead Thermal Engineering

Ayrıca, yüksek güven pulları sırasında geçici ısı artışları elde etmek için karbon köpük ile donatmak için paraffin balmumu gibi (PCMs) [PCT:1) [PCMs) [Düzgölgeler) [Düzükler Temiz Uzay Girişimi tarafından desteklenen, önceki sınırların üzerinde maddi sıcaklık eşikleri olmadan dört kat daha uzun süre boyunca pulsiyona izin verdi.

Uygulamalar Yeniden şekillendirme Havacılık Operasyonları

Solid-state propulsion artık ortaya çıkan bir merak değildir; birden fazla havacılık alanında operasyonel hizmete giriyor. Aşağıda, en olgun uygulamaları ve mevcut performans ölçümleri metriklerini inceleyeceğiz.

Uydu Konsüksiyon İstasyonu - Keeping

Büyük uydu takımyıldızları - küresel genişban internet için kullanılanlar gibi - aynı pervaneli yük ve yüksek çözünürlükte uydurabilmek için sık sık sık istasyon tutma manevraları. Kimyasal itkiler, basitken, önemli pervanant kütle kullanın ve hipnozdan kirlenmeye katkıda bulunabilir. Solid-state elektrikli iterler, düşük seviyeli plazmalar [0ferroelektrikli yükleri 30–50]

Yüksek Amaçsız Aerial Araçları

20 km'nin üzerindeki yüksek çözünürlükte çalışan UAVs için - yüksek çözünürlükte pnömatik tanklar (HAPS) -solid-state propulsion, çok fazla aylık dayanıklılık için uygun bir yol sunar.Bir hava-enerji şarj cihazı kullanarak, 50 mN'i en yüksek ısıtılmış havadan uzaklaştıran bir sistem, sadece 200 Wdepresli bir güçle uzak durabilir.

Deep-Space Science Platforms

Uçak dışı görevler, yüksek çözünürlüklü ortamlarda yıllarca güvenilir bir şekilde çalışabilecek güce ihtiyaç duyuyor. Katı devlet bileşenleri doğal olarak tek yollu etkilere karşı dirençlidir ve uzun süredir devam eden bir deney gerektirmez.If successful, technology may make the basis for a next-generation electric prondement system for start in 2025, will include a solid-state propulsion experiment designed to test long-duration operation in the solar rüzgar.If successful, the technology could form the basic.

Kimyasal ve Konvansiyonel Elektrikli Tahtın Üzerinde Karşılaştırmalı Avantajları

SSEP'in önemini takdir etmek için, performansını anahtar metriklere dayalı tahrik sistemlerine kıyasla karşılaştırmak yardımcı olur.

Comparison of Propulsion System Types
Metric Chemical Monopropellant Hall-Effect Thruster Solid-State Electric (SSEP)
Specific Impulse (seconds) 200–250 1,200–2,000 800–1,500 (pulsed); 2,500+ (DC)
System Dry Mass (per 100 W) 0.5 kg 1.8 kg 0.3 kg
Propellant Efficiency Low (85% of mass is propellant) High (ionized propellant) Very high (solid-state feed, no moving parts)
Operational Lifetime <100 hours total burn >5,000 hours >10,000 hours (projected)
Plume Contamination Significant (soot, deposits) Moderate (erosion of channel) Low (no heavy metals, inert gas only)

Yukarıdaki tablo, SSEP'in uygun bir orta zemine sahip olduğunu gösteriyor: Hall- effect iters'den daha basit, mimari daha hafif bir şekilde inşa ederken, Hall- effects iter itme işlemi, hemen hemen hemen hemen hemen hemen hemen hemen hemen hemen hemen hemen hemen hemen hemen hemen aynı şekilde güçle çakılabiliyor.

Maturity Yolunda Kalan Meydanlar

Hızlı ilerlemeye rağmen, sağlam devlet elektrik tahriki henüz her görev için hazır değildir. SSEP'den önce üç önemli zorluk, büyük ölçekli dağıtımlar için varsayılan seçim haline gelebilir.

Dielektrik Breakdown ve Lifetime

Elektrikli alanlar verimli iyon ivmesi için gerekliydi - 100 kV /cm'i aştı - gelişmiş kompozitlere karşı dielektrikler, tekrarlanan pullar, kısmi deşarjlar ve elektrik ağacının bozulmasıyla ilgili olarak, sıvı boşaltılması ve yeniden dağıtılması için sıvı yağdıran araştırmacılar, yalıtım onarımı ile ilgili olarak % 300 artış gösterdiler.

Yüksek Gerilimde Güç

Mekanik kendisi sağlam devlet olsa da, güç tedariki hala yüksek hacimli DC-DC dönüştürücüleri %90 düzeyindeki potansiyellere ulaşmak için 90 verimlilikte tipik bir 12-28 V uzay aracı yarı iletkenlerde, özellikle de galyum nitride (GaN) ve silikonlu (SiC), kompakt, verimli dönüştürücüler elde etti. Ancak, iç mekansal yük görevleri için gerekli olan megawatt seviyelerinin% 99 verimliliğini elde etmek.

Lavangard Depolama ve Uzun Misyonlar için Feed

Katı devlet tahriki, pervanant için gerekli değildir - hala inert gaz tedariki gerektirir (genellikle xenon, krypton veya argon). On yıldan uzun süre boyunca kalıcı olan görevler, endüstri doğrudan dış yem olmadan kullanılabilir.

Future Yol ve Gelişen Kavramlar

Önümüzdeki birkaç araştırma, sağlam devlet elektrik tahrik yeteneklerini daha da artırma sözü veriyor.

Mekanik için Yapay Zeka

Katı devlet itkilerinin dielektrik özellikleri yaşlanma ve termal çevrimler nedeniyle zamanla gelişti, optimum performansın sabit parametreli işlemle kıyaslanması gerektiğini gösteriyor. Makine öğrenme algoritmaları, kanal elektrostatik problardan gelen geri bildirimlere dayanan geri bildirimlere göre hız dalgaformları ve gerilim seviyelerini ayarlamak için dağıtılıyor. Kaliforniya Üniversitesi'nden Erken sonuçlar, Los Angeles, bir sinir ağ kontrolörü sabit parametresi sabit yük devretme işlemine kıyasla yüzde 40 oranında istikrara sahip olabileceğini gösteriyor.

Entegre Propellant-Less Systems

Gerçekten devrimci bir konsept, dış bir alanla momentum değişimi kullanarak pervanant tamamen ortadan kaldırır.TheETHFLT:0)fotokok tahrik edicisi) Bu, radyasyon basıncının aşırı hassas, mikrobiyönemli bir perumable per-state teknolojisi için incelenmesini sağlayan, yüzeysel bir yükleyicisi olmadan, yüzeysel bir şarj aracı için de araştırılabilir.

Uydu Yapıları ile Heterojen Bütünleştirme

Katı devletli havale edilmiş platformlara son olarak, doğrudan uydunun yapısal elemanlarına bağlı olarak diktelenecektir - bu şekilde yan paneller veya yük güvertesi gibi.Bu tür bir testte bulunur:0) Lab.[DQT:2 yüzey alanı üzerinde çalışır, aynı anda DLR'de bir ivme kanalı olarak kullanırken dielektrik materyalinin yükünü azaltır.

Endüstri ve Hükümet Programları İzlemek

SSEP'in laboratuvardan uçuşa hazır sistemlere geçiş, birkaç önemli program tarafından hızlandırılıyor:

  • [FONTA'nın On-Orbit Servicing, Assembly ve Manufacturing 2 (OSAM-2): ) Uzayda montaj sonrası yörünge transferi için sağlam devlet destekli bir modül dahil etmek için planlanmıştır.
  • [FONTA’nın “Fly!” Misyonu: 2026 için programlanmış, bu teknoloji gösterisi 12U CubeSat'de bir 100 W ferroelektrik iterini test edecek.
  • [FONT=0]DARPA'nın “Uygun Tartışması” Programı: [Döntgen: 1) Küçük, manevralı denetimli uydular için sağlam bir süpülse gerektiren küçük, manevralı denetimli uydular.
  • [FONTD:0)JAXA'nın “Innovative Uydu Teknolojisi Şeytanstration 4”:) Sürekli işlem süresi 10.000 saat boyunca ölçmek için bir deney içerir.

Sonuç: Propulsion'de Sessiz Bir Devrim

Katı devlet elektrik tahrik bileşenleri sadece mevcut teknoloji üzerinde artış değildir - havacılık araçlarının nasıl ittiğinin nasıl yanıldığı konusunda temel bir değişim temsil eder.Çalışılabilir parçaları ortadan kaldırır, sistem kütlesini azaltır ve ölçeklenebilir, entegre tasarımları sağlar, SSEP daha önce sağlam bir şekilde yeni misyon mimarilerini ortaya çıkarmak için hazırlanmaktadır.