Инновационный прототип топливного измерителя улучшает мониторинг топлива спутников

Жидкости в космосе ведут себя не так предсказуемо, как на Земле. Внутри космического аппарата микрогравитация позволяет жидкостям свободно плескаться и плавать. Это поведение делало количество топлива в спутниках трудным для точного определения, но новый прототип топливного измерителя может предложить решение. Измеритель может цифрово воссоздать 3D-форму жидкости на основе ее электрических свойств. Дизайн потенциально может предоставить операторам спутников надежные измерения, которые помогут предотвратить столкновения спутников и держать их работоспособными дольше.

Позволение баку спутника опустеть может оставить его застрявшим на исходной орбите без топлива для ухода от столкновений с другими спутниками и производства опасных облаков обломков. Чтобы снизить вероятность столкновения, операторы экономят последние капли топлива для выброса спутников на кладбищную орбиту в сотнях километров от функционирующих космических аппаратов. Однако они могут тратить топливо впустую в этом процессе.

На протяжении десятилетий измерение топлива в космосе не было точной наукой. Один из самых часто используемых методов заключается в оценке того, сколько топлива сжигается с каждым толчком, и вычитании этого количества из объема топлива в баке. Этот метод довольно точен в начале, когда бак близок к полному, но ошибка каждой оценки переносится на следующую, накапливаясь с каждым толчком. К тому времени, когда бак низок, оценки становятся больше похожими на грубые догадки и могут промахнуться на 10%. Без надежных измерений операторы могут отправлять спутники с топливом еще в баке на раннюю пенсию, потенциально оставляя значительную сумму денег на столе.

Концепция нового измерителя использует низкозатратную технику 3D-обработки, известную как электрическая емкостная объемная томография (ECVT). Как КТ-сканер, ECVT может аппроксимировать форму объекта, беря измерения под разными углами. Но вместо излучения рентгена электроды излучают электрические поля и измеряют способность объекта хранить электрический заряд, или емкость.

Исследователи произвели сенсорные электроды с использованием процесса, называемого мягкой литографией, в котором они печатали узоры чернил на медных листах с гибкой пластиковой подложкой. Затем коррозионное химическое вещество вытравляло открытую медь, оставляя желаемые полосы металла. Команда выстилала внутреннюю часть яйцевидного контейнера, смоделированного по одному из топливных баков NASA, гибкими сенсорами. По всей внутренней части бака электрические поля, излучаемые каждым сенсором, могут быть приняты другими. Но то, сколько из этих полей в конечном счете передается, зависит от емкости любого материала внутри бака.

Чтобы проверить, как возможности нового системы измерения топлива могут выглядеть в космосе, исследователи подвесили заполненный жидкостью шарик в баке, имитируя жидкий блоб в микрогравитации.

Многие жидкости, обычно используемые для разгона спутников и космических аппаратов, такие как жидкий водород и гидразин, легковоспламеняются в кислородной атмосфере Земли, поэтому исследователи выбрали протестировать что-то более стабильное. Они наполнили шарики теплоносительной жидкостью — обычно используемой для хранения или рассеивания тепловой энергии в промышленных процессах — потому что она точно имитировала электрические свойства космического топлива.

Исследователи активировали систему и передали емкостные данные компьютеру, который произвел серию 2D-изображений, отображающих расположение жидкости на طول длины бака. Когда они были скомпилированы, изображения породили 3D-визуализацию шарика с диаметром, который был менее чем на 6% отличался от фактического диаметра шарика.