혁신적 연료 게이지 프로토타입, 위성 연료 모니터링 향상

액체는 지구에서처럼 우주에서 잘 행동하지 않습니다. 우주선 내부에서 미중력은 액체가 자유롭게 출렁이고 떠다니게 합니다. 이 행동으로 위성의 연료 양을 정확히 파악하기 어려웠지만, 새로운 프로토타입 연료 게이지가 해결책을 제시할 수 있습니다. 이 게이지는 유체의 전기적 특성을 기반으로 유체의 3D 모양을 디지털로 재현합니다. 이 설계는 위성 운영자에게 신뢰할 수 있는 측정을 제공하여 위성 충돌 방지와 더 긴 운영을 가능하게 할 수 있습니다.

위성 탱크가 마르도록 두면 원래 궤도에 발이 묶여 다른 위성과 충돌하여 위험한 파편 구름을 생성할 연료가 남지 않습니다. 충돌 확률을 줄이기 위해 운영자는 위성을 기능하는 우주선에서 수백 킬로미터 떨어진 묘지 궤도로 배출하기 위해 마지막 몇 방울의 연료를 아껴둡니다. 그러나 이 과정에서 연료를 낭비할 수 있습니다.

수십 년 동안 우주에서 연료 게이징은 정확한 과학이 아니었습니다. 가장 자주 의존하는 방법 중 하나는 각 추진으로 얼마나 많은 연료가 연소되는지 추정하고 그 양을 탱크의 연료 부피에서 빼는 것입니다. 이 방법은 탱크가 거의 찼을 때 시작할 때는 꽤 정확하지만 각 추정의 오류가 다음으로 이어져 매 추진마다 복합됩니다. 탱크가 낮아질 때쯤이면 추정치는 러프한 추측이 되어 최대 10%까지 빗나갈 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 측정 없이는 운영자가 아직 연료가 있는 위성을 조기 퇴역시켜 상당한 돈을 낭비할 수 있습니다.

새로운 게이지의 개념은 전기 용량 부피 단층촬영(ECVT)이라는 저비용 3D 이미징 기술을 활용합니다. CT 스캐너처럼 ECVT는 다른 각도에서 측정하여 물체 모양을 근사할 수 있습니다. 하지만 X선을 쏘는 대신 전극이 전기장을 방출하고 물체의 전하 저장 능력, 즉 정전용량을 측정합니다.

연구자들은 연질 리소그래피라는 공정을 사용하여 센서 전극을 제작했습니다. 구리 시트 위에 유연한 플라스틱 백킹으로 잉크 패턴을 인쇄한 다음, 부식성 화학약품으로 노출된 구리를 깎아 원하는 금속 스트립을 남겼습니다. 팀은 NASA 연료 탱크를 모델로 한 달걀 모양 용기 내부에 유연한 센서를 장착했습니다. 탱크 내부 전체에서 각 센서가 방출하는 전기장은 다른 센서들이 수신할 수 있습니다. 하지만 이 필드 중 얼마나 많이 전달되는지는 탱크 내부에 있는 물질의 정전용량에 달려 있습니다.

새로운 시스템의 연료 게이징 능력이 우주에서 어떻게 보일지 테스트하기 위해 연구자들은 탱크에 유체로 채워진 풍선을 매달아 미중력 상태의 액체 덩어리를 모방했습니다.

위성과 우주선 추진에 흔히 사용되는 액체 수소와 하이드라진 같은 많은 액체는 지구의 산소 풍부한 대기에서 인화성이 높기 때문에 연구자들은 더 안정한 것을 테스트하기로 했습니다. 열전달 유체(일반적으로 산업 공정에서 열에너지 저장 또는 방산용으로 사용)를 풍선에 채웠는데, 이는 우주 연료의 전기적 특성을 밀접하게 모방하기 때문입니다.

연구자들은 시스템을 활성화하고 정전용량 데이터를 컴퓨터에 입력하여 탱크 길이를 따라 유체 위치의 2D 이미지 시리즈를 생성했습니다. 컴파일되면 이미지들은 실제 풍선 직경의 6% 미만 차이로 3D 렌디션을 생성했습니다.