궤도용 프로토타입 연료 게이지

액체는 지구에서처럼 우주에서 잘 작동하지 않습니다. 우주선 내부에서는 미세 중력으로 인해 액체가 자유롭게 움직이고 떠다니게 됩니다. 이 동작으로 인해 위성의 연료량을 파악하기가 어려웠지만 새로운 프로토타입 연료 게이지가 솔루션을 제공할 수 있습니다. 게이지는 전기적 특성을 기반으로 유체의 3D 모양을 디지털 방식으로 재현할 수 있습니다. 이 설계는 잠재적으로 위성 운영자에게 위성 충돌을 방지하고 더 오랫동안 작동 상태를 유지하는 데 도움이 되는 신뢰할 수 있는 측정을 제공할 수 있습니다.

위성의 탱크가 마르면 연료가 없는 원래 궤도에 좌초되어 다른 위성과 충돌하여 위험한 파편 구름이 생성되는 것을 방지할 수 있습니다. 충돌 가능성을 줄이기 위해 운영자는 마지막 몇 방울의 연료를 저장하여 위성을 작동 중인 우주선에서 수백 킬로미터 떨어진 묘지 궤도로 방출합니다. 그러나 그 과정에서 연료를 낭비할 수 있습니다.

수십 년 동안 우주에서 연료를 측정하는 것은 정확한 과학이 아니었습니다. 가장 자주 사용되는 방법 중 하나는 각 추력으로 연소되는 연료의 양을 추정하고 탱크에 있는 연료의 양에서 그 양을 빼는 것입니다. 이 방법은 탱크가 거의 가득 찼을 때 시작 시 매우 정확하지만 각 추정치의 오류는 다음 추력으로 이어지며 모든 추력이 더해집니다. 탱크가 부족할 때쯤에는 추정치가 대략적인 추측처럼 되어 최대 10%까지 표시를 놓칠 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 측정이 없으면 운영자는 탱크에 연료가 남아 있는 위성을 조기 은퇴로 보내 잠재적으로 상당한 금액을 테이블에 남겨둘 수 있습니다.

새로운 게이지의 개념은 전기 정전 용량 단층 촬영(ECVT)으로 알려진 저렴한 3D 이미징 기술을 사용합니다. CT 스캐너와 마찬가지로 ECVT는 다양한 각도에서 측정하여 물체의 모양을 근사화할 수 있습니다. 그러나 X선을 쏘는 대신 전극은 전기장을 방출하고 물체가 전하 또는 정전용량을 저장하는 능력을 측정합니다.

연구원들은 유연한 플라스틱 지지대가 있는 구리 시트 위에 잉크 패턴을 인쇄하는 소프트 리소그래피라는 프로세스를 사용하여 센서 전극을 생산했습니다. 그런 다음 부식성 화학 물질이 노출된 구리를 조각하여 원하는 금속 조각을 남겼습니다. 팀은 유연한 센서가 있는 NASA의 연료 탱크 중 하나를 모델로 한 달걀 모양의 컨테이너 내부를 라이닝했습니다. 탱크 내부 전체에서 각 센서에서 방출되는 전기장은 다른 센서에서 수신될 수 있습니다. 그러나 이러한 필드 중 어느 정도가 결국 전송되는지는 탱크 내부에 있는 물질의 정전 용량에 따라 다릅니다.

새로운 시스템의 연료 측정 기능이 우주에서 어떤 모습일지 테스트하기 위해 연구원들은 액체로 채워진 풍선을 탱크에 매달아 미세 중력의 액체 방울을 모방했습니다.

액체 수소 및 히드라진과 같이 인공위성과 우주선을 추진하는 데 일반적으로 사용되는 많은 액체는 지구의 산소가 풍부한 대기에서 가연성이 높기 때문에 연구원들은 더 안정적인 것을 테스트하기로 결정했습니다. 그들은 풍선에 열전달 유체(일반적으로 산업 공정에서 열 에너지를 저장하거나 발산하는 데 사용됨)를 채웠습니다. 이는 우주 연료의 전기적 특성을 밀접하게 모방했기 때문입니다.

연구원들은 시스템을 활성화하고 탱크 길이 전체에 걸쳐 유체의 위치를 ​​매핑하는 일련의 2D 이미지를 생성하는 컴퓨터에 정전 용량 데이터를 제공했습니다. 컴파일했을 때 이미지는 실제 풍선의 지름과 6% 미만의 다른 지름을 가진 풍선의 3D 렌더링을 생성했습니다.