Många satelliter utför mycket viktiga och lukrativa uppgifter, men vissa kan tas ur drift med bränsle kvar i tanken på grund av de nuvarande metoderna för att mäta bränslemängden. Bränslemätare med högre noggrannhet kan hjälpa till att säkerställa att satelliter förblir i drift längre och mer görs av sin tid i omloppsbana. Kredit:NASA Jet Propulsion Laboratory
Vätskor uppför sig inte lika bra i rymden som de är på jorden. Inuti en rymdfarkost, mikrogravitation gör att vätskor fritt kan skvalpa och flyta omkring.
Detta beteende har gjort att bränslemängden i satelliter är svår att fastställa, men en ny prototyp bränslemätare konstruerad vid National Institute of Standards and Technology (NIST) skulle kunna erbjuda en idealisk lösning. Mätaren, beskrivs i Journal of Spacecraft and Rockets , kan digitalt återskapa en vätskas 3D-form baserat på dess elektriska egenskaper. Designen skulle potentiellt kunna ge satellitoperatörer tillförlitliga mätningar som skulle hjälpa till att förhindra att satelliter kolliderar och hålla dem i drift längre.
"Varje dag som en satellit stannar i omloppsbana uppgår till förmodligen miljontals dollar i intäkter, sa Nick Dagalakis, en maskiningenjör från NIST och medförfattare till studien. "Operatörerna vill använda varje droppe bränsle, men inte så mycket att de tömmer tanken."
Att låta en satellits tank gå torr kan lämna den strandsatt i sin ursprungliga omloppsbana utan bränsle för att undvika att krossa andra satelliter och skapa farliga skräpmoln.
För att minska sannolikheten för kollision, operatörer sparar de sista dropparna bränsle för att kasta ut satelliter i en kyrkogårdsbana, hundratals kilometer bort från fungerande rymdfarkoster. De kanske slösar bränsle i processen, dock.
I årtionden, att mäta bränsle i rymden har inte varit en exakt vetenskap. En av de mest använda metoderna är att uppskatta hur mycket bränsle som förbränns med varje dragkraft och subtrahera den mängden från bränslevolymen i tanken. Denna metod är ganska exakt i början när en tank är nästan full, men felet för varje uppskattning fortsätter till nästa, blandas med varje dragkraft. När en tank är låg, uppskattningarna blir mer som grova gissningar och kan missa målet med så mycket som 10%.
Utan tillförlitliga mätningar, operatörer kan skicka satelliter med bränsle kvar i tanken till en förtidspension, potentiellt lämna en ansenlig summa pengar på bordet.
Konceptet med den nya mätaren – ursprungligen utarbetad av Manohar Deshpande, en tekniköverföringschef på NASA Goddard Space Flight Center—använder en billig 3D-bildteknik som kallas elektrisk kapacitansvolymtomografi (ECVT).
Som en CT-skanner, ECVT kan approximera ett objekts form genom att ta mätningar i olika vinklar. Men istället för att fotografera röntgen, elektroder avger elektriska fält och mäter föremålets förmåga att lagra elektrisk laddning, eller kapacitans.
Deshpande sökte expertis hos Dagalakis och hans kollegor på NIST – som hade tidigare erfarenhet av att tillverka kapacitansbaserade sensorer – för att hjälpa till att göra hans design till verklighet.
Det inre av prototypbränsletanken är fodrad med flexibla elektroder, var och en kan avge elektriska fält (gula pilar) som försvagas när de passerar genom den värmeöverföringsvätska (HT-90) fyllda ballongen. Elektroderna tar upp de fält som genereras av de andra, försvagad eller full styrka. Genom att kombinera måtten för varje elektrodpar, mätaren kan uppskatta ballongens placering och volym. Kredit:NIST/N. Hanacek
I NanoFab-renrummet på NIST:s Center for Nanoscale Science and Technology, forskarna producerade sensorelektroder med en process som kallas mjuk litografi, där de tryckte mönster av bläck över kopparark med en flexibel plastbaksida. Sedan, en frätande kemikalie skar ut den exponerade kopparn, lämnar efter sig de önskade metallremsorna, sa Dagalakis.
Teamet kantade insidan av en äggformad behållare som är modellerad efter en av NASA:s bränsletankar med de flexibla sensorerna. I hela insidan av tanken, elektriska fält som emitteras av varje sensor kan tas emot av de andra. Men hur mycket av dessa fält som slutar sändas beror på kapacitansen för det material som finns inuti tanken.
"Om du inte har något bränsle, du har den högsta överföringen, och om du har bränsle, du kommer att ha en lägre läsning, eftersom bränslet absorberar den elektromagnetiska vågen, ", sa Dagalakis. "Vi mäter skillnaden i transmission för alla möjliga sensorpar, och genom att kombinera alla dessa mätningar, du kan veta var det finns och inte finns bränsle och skapa en 3D-bild."
För att testa hur det nya systemets bränslemätningsförmåga kan se ut i rymden, forskarna hängde en vätskefylld ballong i tanken, efterliknar en flytande klump i mikrogravitation.
Många vätskor som vanligtvis används för att driva satelliter och rymdfarkoster, såsom flytande väte och hydrazin, är mycket brandfarliga i jordens syrerika atmosfär, så forskarna valde att testa något mer stabilt, sa Dagalakis.
På Deshpandes rekommendation, de fyllde ballongerna med en värmeöverföringsvätska - som normalt används för att lagra eller avleda termisk energi i industriella processer - eftersom den nära efterliknade rymdbränslets elektriska egenskaper.
Forskarna aktiverade systemet och matade kapacitansdata till en dator, som producerade en serie 2D-bilder som kartlade vätskans plats i hela tankens längd. När den sammanställs, bilderna gav upphov till en 3D-återgivning av ballongen med en diameter som var mindre än 6 % annorlunda än den faktiska ballongens diameter.
"Det här är bara en experimentell prototyp, men det är en bra utgångspunkt, sa Dagalakis.
Om det utvecklas vidare, ECVT-systemet kan hjälpa ingenjörer och forskare att övervinna flera andra utmaningar som vätskans beteende i rymden innebär.
"Tekniken skulle kunna användas för att kontinuerligt övervaka vätskeflödet i de många rören ombord på den internationella rymdstationen och för att studera hur de små krafterna av skvalpande vätskor kan förändra banan för rymdfarkoster och satelliter, " sa Deshpande.
