Прототип указателя уровня топлива для орбиты

Жидкости ведут себя в космосе не так хорошо, как на Земле. Внутри космического корабля микрогравитация позволяет жидкостям свободно выплескиваться и плавать. Такое поведение затруднило определение количества топлива в спутниках, но новый прототип датчика уровня топлива может предложить решение. Датчик может в цифровом виде воссоздать трехмерную форму жидкости на основе ее электрических свойств. Эта конструкция потенциально может предоставить операторам спутников надежные измерения, которые помогут предотвратить столкновение спутников и продлить их работоспособность.

Опустошение бака спутника может привести к тому, что он останется на своей первоначальной орбите без топлива, чтобы избежать столкновения с другими спутниками и образования опасных облаков обломков. Чтобы снизить вероятность столкновения, операторы экономят последние несколько капель топлива, чтобы выбрасывать спутники на кладбищенскую орбиту в сотнях километров от функционирующих космических аппаратов. Однако при этом они могут тратить топливо впустую.

На протяжении десятилетий измерение расхода топлива в космосе не было точной наукой. Один из наиболее часто используемых методов предполагает оценку того, сколько топлива сжигается при каждой тяге, и вычитание этого количества из объема топлива в баке. Этот метод довольно точен в начале, когда бак близок к полному, но погрешность каждой оценки распространяется на следующую, увеличиваясь с каждым толчком. К тому времени, когда бак заканчивается, оценки становятся больше похожими на грубые предположения и могут ошибаться на целых 10%. Без надежных измерений операторы могут отправить спутники с топливом в баке на досрочный вывод из эксплуатации, что может привести к потере значительной суммы денег.

В концепции нового датчика используется недорогой метод трехмерной визуализации, известный как объемная электроемкостная томография (ECVT). Как и компьютерный томограф, ECVT может аппроксимировать форму объекта, выполняя измерения под разными углами. Но вместо рентгеновских лучей электроды излучают электрические поля и измеряют способность объекта накапливать электрический заряд или емкость.

Исследователи изготовили сенсорные электроды, используя процесс, называемый мягкой литографией, в котором они печатали узоры чернил на медных листах с гибкой пластиковой подложкой. Затем коррозионно-активный химикат вырезал открытую медь, оставляя после себя нужные полоски металла. Команда выровняла внутреннюю часть контейнера в форме яйца, смоделированного по образцу одного из топливных баков НАСА, с помощью гибких датчиков. Внутри резервуара электрические поля, излучаемые каждым датчиком, могут приниматься другими. Но то, какая часть этих полей в конечном итоге передается, зависит от емкости любого материала, находящегося внутри резервуара.

Чтобы проверить, как новые системы измерения расхода топлива могут выглядеть в космосе, исследователи подвесили заполненный жидкостью воздушный шар 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 проверить что-то более стабильное. Они наполнили воздушные шары жидким теплоносителем, который обычно используется для хранения или рассеивания тепловой энергии в промышленных процессах, потому что он очень близко имитирует электрические свойства космического топлива.

Исследователи активировали систему и передали данные о емкости на компьютер, который создал серию 2D-изображений, отображающих расположение жидкости по всей длине резервуара. При компиляции изображений было получено 3D-изображение воздушного шара, диаметр которого отличался менее чем на 6 % от фактического диаметра воздушного шара.