Прототип топливомера для орбиты
В космосе жидкости ведут себя не так хорошо, как на Земле. Внутри космического корабля микрогравитация позволяет жидкостям свободно плескаться и плавать.
Такое поведение затрудняет определение количества топлива в спутниках, но новый прототип топливомера, разработанный в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), может предложить идеальное решение. Датчик, описанный в Journal of Spacecraft and Rockets, может в цифровом виде воссоздавать трехмерную форму жидкости на основе ее электрических свойств. Эта конструкция потенциально может предоставить операторам спутников надежные измерения, которые помогут предотвратить столкновения спутников и продлить их работу.
«Каждый день нахождения спутника на орбите приносит, вероятно, миллионы долларов дохода», - сказал Ник Дагалакис, инженер-механик NIST и соавтор исследования. «Операторы хотят использовать каждую каплю топлива, но не настолько, чтобы опустошать бак».
Если пустить бак спутника всухую, он может остаться на своей первоначальной орбите без топлива, чтобы избежать столкновения с другими спутниками и образования опасных облаков мусора.
Чтобы снизить вероятность столкновения, операторы экономят последние несколько капель топлива, чтобы выбросить спутники на орбиту захоронения, за сотни километров от работающего космического корабля. Однако они могут тратить топливо в процессе.
На протяжении десятилетий измерение топлива в космосе не было точной наукой. Один из наиболее часто используемых методов заключается в оценке количества топлива, сжигаемого при каждой тяге, и вычитании этого количества из объема топлива в баке. Этот метод довольно точен в начале, когда бак почти полностью заполнен, но ошибка каждой оценки распространяется на следующую, увеличиваясь с каждым толчком. К тому времени, когда уровень танка заканчивается, оценки становятся больше похожими на приблизительные предположения и могут ошибаться на целых 10%.
Без надежных измерений операторы могут отправлять спутники с топливом в баке на досрочный выход на пенсию, потенциально оставляя на столе значительную сумму денег.
В концепции нового датчика, первоначально разработанной Манохаром Дешпанде, менеджером по передаче технологий в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА, используется недорогой метод трехмерной визуализации, известный как объемная электрическая емкостная томография (ECVT).
Как и компьютерный томограф, ECVT может приблизительно определять форму объекта, проводя измерения под разными углами. Но вместо рентгеновских лучей электроды излучают электрические поля и измеряют способность объекта накапливать электрический заряд или емкость.
Дешпанде обратился к Дагалакису и его коллегам из NIST, имевшим предыдущий опыт изготовления емкостных датчиков, чтобы воплотить свои разработки в реальность.
В чистой комнате NanoFab в Центре наноразмерной науки и технологий NIST исследователи изготовили сенсорные электроды, используя процесс, называемый мягкой литографией, при котором они печатали рисунки чернил на медных листах с гибкой пластиковой основой. Затем коррозионный химикат вырезал открытую медь, оставив желаемые полосы металла, сказал Дагалакис.
Команда установила гибкие датчики внутри яичного контейнера, смоделированного по образцу одного из топливных баков НАСА. Внутри резервуара электрические поля, излучаемые каждым датчиком, могут восприниматься другими. Но сколько из этих полей в конечном итоге передается, зависит от емкости любого материала внутри резервуара.
«Если у вас нет топлива, у вас самая высокая передача, а если у вас есть топливо, у вас будут более низкие показания, потому что топливо поглощает электромагнитную волну», - сказал Дагалакис. «Мы измеряем разницу в передаче для каждой возможной пары датчиков, и, объединив все эти измерения, вы можете узнать, где находится топливо, а где его нет, и создать трехмерное изображение».
Чтобы проверить, как могут выглядеть возможности новой системы измерения уровня топлива в космосе, исследователи подвесили наполненный жидкостью баллон в баке, имитируя жидкую каплю в условиях микрогравитации.
Многие жидкости, обычно используемые для приведения в движение спутников и космических кораблей, такие как жидкий водород и гидразин, легко воспламеняются в богатой кислородом атмосфере Земли, поэтому исследователи решили испытать что-то более стабильное, сказал Дагалакис.
По рекомендации Дешпанде они заполнили воздушные шары жидкостью-теплоносителем - обычно используемой для хранения или рассеивания тепловой энергии в промышленных процессах - поскольку она точно имитировала электрические свойства космического топлива.
Исследователи активировали систему и отправили данные о емкости в компьютер, который произвел серию 2D-изображений, отображающих расположение жидкости по всей длине резервуара. При компиляции изображения дали возможность трехмерного изображения воздушного шара с диаметром, который менее чем на 6% отличался от фактического диаметра воздушного шара.
«Это всего лишь экспериментальный прототип, но это хорошая отправная точка», - сказал Дагалакис.
В случае дальнейшего развития система ECVT могла бы помочь инженерам и исследователям преодолеть несколько других трудностей.
«Эту технологию можно использовать для непрерывного мониторинга потока жидкости во многих трубах на борту Международной космической станции и для изучения того, как небольшие силы плескания жидкости могут изменить траекторию космических кораблей и спутников», - сказал Дешпанде.
Вопросы, отзывы, комментарии (0)
Нет комментариев