International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제18권1호
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pp.138-143
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2017
A performance analysis for a pulsed plasma thruster(PPT) has been conducted to predict the thrust and current change. Two models were implemented - a one-dimensional lumped circuit analysis model and the Teflon ablation model provided by Michael Keidar. The circuit model incorporating resistance and inductance models was adapted to predict the magnitude of the discharge current. Numerical simulations like current discharge rates with different voltages were reasonably well compared with experimental data. The effects of Teflon ablation on thruster characteristics were investigated.
펄스형 플라즈마 전기추력기의 설계기술과 제어기법에 있어서는 과거의 기술에 비하여 많은 도약을 하였다. 그리고, 펄스형 플라즈마 전기추력기의 충전된 전기에너지는 추력기 구동시 중요한 비중을 차지함을 알 수 있다. 펄스형 플라즈마 전기추력기는 매 분사시 축전기에 충전된 전기에너지를 방전시켜 분사 시키므로서 추력을 얻는 장치이다. 따라서, 매 분사시 균일한 추력을 얻고자 할 경우에는 동작시점에서 균일한 전기 에너지가 충전되어 있어야 한다. 따라서, 본 논문에서는 매 분사시 균일한 추력을 얻기 위한 기법과 축전기와 추력기 엔진간의 기하학적 연결에 따른 안정성을 연구하였다.
This paper describes an engineering model development of a pulsed plasma thruster, which is capable of an impulse bit of 20uNs and a specific impulse of 800s. The solid fuel which is Teflon allows for a self-contained, inert and stable propellant system. And, the PPT technology makes it possible to consider a revolutionary attitude control system (ACS) concept providing stabilization and pointing accuracies previously obtainable only with reaction wheels, with reduced mass and power requirements.
펄스형 플라즈마 추력기의 성능해석을 위해 Teflon의 승화와 이온화 모델링을 수행하였다. PPT 작동 시 발생하는 방전 전휴의 변화를 예측하기 위해 일차원 lumped circuit model을 적용하였으며 Mickeal Keidar가 제시한 테플론-플라즈마 온도에 따른 테플론 승화 모델을 적용하였다. Saha 방정식을 이용하여 테플론 구성 원소인 탄소와 불소분자의 이온화를 예측하였다. 프로그램 검증을 위해 선행실험 결과와 비교하여 유사함을 확인하였으며 PPT 작동 전압에 따른 전류 변화정도를 고찰하였다.
A coaxial pulsed plasma thruster (PPT) with a Teflon cavity was designed, and its performance characteristics were examined varying stored energy, cavity length and capacitance. The PPT was tested as the entire system including the discharge circuit, and the results were explained with both the transfer efficiency and the acceleration efficiency. The transfer efficiency is defined as the fraction of energy in capacitors supplied into plasma, and the acceleration efficiency as the fraction of energy supplied into plasma converted to thrust energy. To estimate these efficiencies, the equivalent plasma resistance was defined and calculated using energy conservation during discharge. The equivalent plasma resistance proportionally increased with cavity length, and therefore the current peak increased with decreasing cavity length. The energy density calculated by the transfer efficiency was increased with decreasing cavity length. As a result, higher acceleration efficiency and lower transfer efficiency were obtained with shorter cavity length. Accordingly, there was an optimal cavity length for the thrust efficiency. The specific impulse and the impulse bit per unit stored energy ranged from 390 s and 50 $\mu$ Ns/J for a cavity length of 34 mm to 825 s and 11 $\mu$ Ns/J for a cavity length of 4 mm when the stored energy was fixed to 21.4J. Thus, it was showed that the performance of this PPT approached that of electromagnetic-acceleration-type PPT with decreasing cavity length. The PPT achieved thrust efficiencies of 10-12% at 21.4 J and 6-7% at 5.35 J at cavity lengths between 14 mm and 29 mm.
Masatoshi Kawakami;Hideyuki Horisawa;Kim, Itsuro ura
한국추진공학회:학술대회논문집
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한국추진공학회 2004년도 제22회 춘계학술대회논문집
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pp.294-299
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2004
An assessment of a novel laser-electric hybrid propulsion system was conducted, in which a laser-induced plasma was induced through laser beam irradiation onto a solid target and accelerated by electrical means instead of direct acceleration only by using a laser beam. A fundamental study of newly developed rectangular laser-assisted pulsed-plasma thruster (PPT) was conducted. On discharge characteristics and thrust performances with increased peak current compared to our previous study to increase effects of electromagnetic forces on plasma acceleration. Maximum peak current increased for our early study by increasing electromagnetic effects in a laser assisted PPT. At 8.65 J discharge energy, the maximum current reached about 8000 A. Plasma behaviors emitted from a thruster in various cases were observed with an ICCD camera. It was shown that the plasma behaviors were almost identical between low and high voltage cases in initial several hundred nanoseconds, however, plasma emission with longer duration was observed in higher voltage cases. Canted current sheet structures were also observed in the higher voltage cases using a larger capacitor. With a newly developed torsion-balance type thrust stand, thrust performances of laser assisted PPT could be estimated. The impulse bit and specific impulse linearly increased. On the other hand, coupling coefficient and the thrust efficiency did not increase linearly. The coupling coefficient decreased with energy showing maximum value (20.8 ?Nsec/J) at 0 J, or in a pure laser ablation cases. Thrust efficiency first decreased with energy from 0 to 1.4 J and then increased linearly with energy from 1.4 J to 8.6 J. At 8.65 J operation, impulse bit of 38.1 ?Nsec, specific impulse of 3791 sec, thrust efficiency of 8 %, and coupling coefficient of 4.3 ?Nsec/J were obtained.
On a liquid propellant PPT, the discharge processes that discharge was initiated and plasma was accelerated was observed by using a ultra high speed camera. Liquid propellant PPT is a pulsed plasma thruster using liquid as propellant. Our past study showed the successful operation of liquid propellant PPT and the thruster showed high specific impulse. However, its acceleration mechanism has not been clarified. In this study we observed the plasma acceleration processes in order to deepen our understanding of the acceleration mechanism.
마이크로 나노 급 위성의 자세제어를 위한 소형 추력 장치로써, 펄스 에너지를 활용한 새로운 추력기의 개발 연구를 진행 중이다. 레이저 추진은 연료를 탑재하지 않기 때문에 경량화 및 비용 절감이 가능하고 펄스 에너지 레벨을 조절하여 목적에 적합한 추력을 발생시킬 수 있다. 본 논문에서는 높은 추력 발생을 위하여 플라즈마 팽창 제한의 물질로 젤 형태의 물질을 적용하였다. 또한 pendulum system으로 속도를 측정하여 momentum coupling coefficient($C_m$)를 도출함으로써 추력 성능이 크게 향상되었음을 확인하였다.
본 논문에서는 플라즈마 펄스 추력기(PPT)를 사용한 우주 비행체의 자세 제어 가용성을 연구하였다. 전형적인 기체 추진 시스템에 비해 PPT는 높은 임펄스 특성을 갖고 있어 궤도나 자세 제어에 필요한 추진제의 질량을 적게 소모한다. PPT는 상대적으로 긴 작동 시간과 장착의 간편성 때문에 장기 작동을 요구하는 임무에 많이 적용되리라 기대된다. 소형 위성 시스템의 자세 제어를 위한 PPT의 적용 가능성을 실제 임무를 통하여 연구하였다. 고전적인 비례 미분 제어기와 퍼지 제어기를 적용해 보았고 점 더 유연한 임무 성능을 위해 연료 절감형 퍼지 제어기를 제안하였다.
과학기술위성 1호(STSAT-1)는 위성의 자세를 제어하기 위하여 Reaction Wheel Assembly(RWA)를 적용하였으며, 위성의 무게중심에 Wheel의 회전수에 비례하는 관성모멘트를 발생시켜 자세를 제어하였다. 과학기술위성 2호(STSAT-2)는 과학기술위성 1호에 적용하였던 반작용휠(RWA)과 펄스형태로 동작시켜 위성의 자세 및 궤도제어를 위하여 요구하는 추력을 얻을 수 있는 펄스형 전기 추진시스템(Pulsed Plasma Thruster: PPT)이 탑재된다. (중략)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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