avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2024-8-3-107-115HZWFGTavroen-69Research ArticleАВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКАAVIATION AND ROCKET-SPACE ENGINEERINGРазработка стенда для измерения тяги реактивных микродвигателей на основе машинного зренияDevelopment of a stand for measuring thrust of micro-jet thrusters based on machine visionhttps://orcid.org/0000-0003-3126-9865ФедянинВ. В.FedyaninV. V.

Федянин Виктор Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрическая  техника» Омского государственного технического университета 

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

AuthorID (SCOPUS): 57194235343,

ResearcherID: O-9899-2015

Fedyanin Viktor Viktorovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Electrical Equipment Department

Omsk, Mira Ave., 11, 644050

AuthorID (SCOPUS): 57194235343,

ResearcherID: O-9899-2015

k13201@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0635-4849ШалайВ. В.ShalayV. V.

Шалай Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология» 

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

AuthorID (РИНЦ): 9913

ORCID: 0000-0003-0635-4849,

AuthorID (SCOPUS): 35792469000,

AuthorID (SCOPUS): 56755298300,

AuthorID (SCOPUS): 57190972363,

ResearcherID: P-8233-2015

Shalay Viktor Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Oil and Gas Engineering, Standardization and Metrology Department

Omsk, Mira Ave., 11, 644050

AuthorID (RSCI): 9913,

AuthorID (SCOPUS): 35792469000,

AuthorID (SCOPUS): 56755298300,

AuthorID (SCOPUS): 57190972363

https://orcid.org/0000-0003-3483-4321ЯчменевП. С.YachmenevP. S.

Ячменев Павел Сергеевич, старший преподаватель кафедры «Авиа и ракетостроение»  

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

AuthorID (SCOPUS): 57193405041,

ResearcherID: P-5381-2016

YachmeneV Pavel Sergeevich, Senior Lecturer of Aircraft and Rocket Building Department

Omsk, Mira Ave., 11, 644050

AuthorID (SCOPUS): 57193405041,

ResearcherID: P-5381-2016

ВавиловИ. С.VavilovI. S.

Вавилов Игорь Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Авиаи ракетостроение» 

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

AuthorID (РИНЦ): 518332,

AuthorID (SCOPUS): 56610211900,

ResearcherID: B-2634-2014

Vavilov Igor Sergeevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Aircraft and Rocket Building Department

Omsk, Mira Ave., 11, 644050

AuthorID (RSCI): 518332,

AuthorID (SCOPUS): 56610211900,

ResearcherID: B-2634-2014

Омский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation20243009202483107115Copyright © Федянин В.В., Шалай В.В., Ячменев П.С., Вавилов И.С., 20242024Федянин В.В., Шалай В.В., Ячменев П.С., Вавилов И.С.Fedyanin V.V., Shalay V.V., Yachmenev P.S., Vavilov I.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/69

В представленной работе рассмотрены вопросы измерения тяги микродвигателей космических аппаратов. Разработана программа определения тяги двигателя на основе машинного зрения. Составлена математическая модель механической части стенда. Проведено численное моделирование составленной системы уравнений. Результаты моделирования обрабатывались с помощью разработанной программы. Относительная погрешность рассогласования составила не более 5 %. Проведены натурные эксперименты и измерены уровни тяги ионного двигателя. Показан сравнительный анализ полученных результатов эксперимента с математической моделью. Проведены экспериментальные исследования по определению тяги прототипа электродугового двигателя с помощью стенда на основе машинного зрения и с помощью стенда на основе датчика перемещений. Расхождение результатов величины силы тяги составило не более 5,6 %.

In the presented work, the issues of measuring the thrust force of spacecraft thrusters are considered. A program for determining the thrust force based on machine vision has been developed. A mathematical model of the mechanical part of the stand has been compiled. Numerical modeling of the compiled system of equations is carried out. The simulation results are processed using the developed program. The relative error of misalignment is no more than 5 %. Field experiments are carried out and the thrust levels of the ion thruster are measured. A comparative analysis of the experimental results obtained with a mathematical model is shown. Experimental studies have been conducted to determine the thrust of a prototype arcjet thruster using a stand based on machine vision and using a stand based on a displacement sensor. The discrepancy in the results of the thrust force is » 5,6 %.

ионный двигательэлектродуговой двигательреактивный двигательстенд измерения тягималый космический аппаратмашинное зрениеion thrusterarcjet thrusterjet thrusterthrust measurement standsmall spacecraftmachine visionReferencesБелоконов И. В., Ивлиев А. В., Ключник В. Н. [и др.]. Электротермическая двигательная установка наноспутника // Космическая техника и технологии. 2022. № 4 (39). С. 45–57. EDN: WTEMLQ.Belokonov I. V., Ivliyev A. V., Klyuchnik V. N. [et al.]. Elektrotermicheskaya dvigatel’naya ustanovka nanosputnika [Electrothermal propulsion system for a nanosatellite] // Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii. Space Technique and Technologies. 2022. No. 4 (39). P. 45–57. EDN: WTEMLQ. (In Russ.).Артюхов Ю. А., Клюшников В. Ю. Ракетные двигатели для малых космических аппаратов // Космонавтика и ракетостроение. 2021. № 3 (120). С. 143–159. EDN: OLGPSW.Artyukhov Yu. A., Klyushnikov V. Yu. Raketnyye dvigateli dlya malykh kosmicheskikh apparatov [Engines for small satellites] // Kosmonavtika i raketostroyeniye. Cosmonautics and Rocket Engineering. 2021. No. 3 (120). P. 143–159. EDN: OLGPSW. (In Russ.).Zanola S. Assessment of the impact of miniaturized electric propulsion systems on small satellites technology / Politecnico di Torino. 2019. 124 p.Zanola S. Assessment of the impact of miniaturized electric propulsion systems on small satellites technology / Politecnico di Torino. 2019. 124 p. (In Engl.).Гопанчук В. В., Потапенко М. Ю. Электрореактивные двигатели для малых космических аппаратов // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2012. № 4. С. 60–67.Gopanchuk V. V., Potapenko M. Yu. Elektroreaktivnyye dvigateli dlya malykh kosmicheskikh apparatov [Hall effect thrusters for small-sized spacecrafts] // Vestnik Baltiyskogo federal’nogo universiteta im. I. Kanta. Herald of I. Kant Baltic Federal University. 2012. No. 4. P. 60–67. (In Russ.).Tsay M., Frongillo J., Model J. [et al.]. Flight development of iodine BIT-3 RF ion propulsion system for SLS EM-1 CubeSats. 2016. URL: http://mstl.atl.calpoly.edu/~workshop/archive/2016/Summer/Day%202/Session%206/2_MichaelTsay.pdf (дата обращения: 11.04.2024).Tsay M., Frongillo J., Model J. [et al.]. Flight development of iodine BIT-3 RF ion propulsion system for SLS EM-1 CubeSats. 2016. URL: http://mstl.atl.calpoly.edu/~workshop/archive/2016/Summer/Day%202/Session%206/2_MichaelTsay.pdf (accessed: 11.04.2024). (In Engl.).Zhang Z., Ren J., Tang H.-B. [et al.]. Calibrating ion density profile measurements in ion thruster beam plasma // Review of Scientific Instruments. 2016. Vol. 87, № 11. P. 113502–2283. DOI: 10.1063/1.4966912.Zhang Z., Ren J., Tang H.-B. [et al.]. Calibrating ion density profile measurements in ion thruster beam plasma // Review of Scientific Instruments. 2016. Vol. 87, no. 11. P. 113502–2283. DOI: 10.1063/1.4966912. (In Engl.).Scharmann S., Keil K., Zorn J. [et al.]. Thrust measurement of an ion thruster by a force probe approach and comparison to a thrust balance // AIP Advances. 2022. Vol. 12, № 4. DOI: 10.1063/5.0066401.Scharmann S., Keil K., Zorn J. [et al.]. Thrust measurement of an ion thruster by a force probe approach and comparison to a thrust balance // AIP Advances. 2022. Vol. 12, no. 4. DOI: 10.1063/5.0066401. (In Engl.).Никонов А. В., Давлетшин Р. В., Яковлева Н. И [и др.]. Фильтрация методом Савицкого–Голея спектральных характеристик чувствительности матричных фотоприемных устройств // Успехи прикладной физики. 2016. Т. 4, № 2. С. 198–205. EDN: VXBTOL.Nikonov A. V., Davletshin R. V., Yakovleva N. I. [et al.]. Fil’tratsiya metodom Savitskogo–Goleya spektral’nykh kharakteristik chuvstvitel’nosti matrichnykh fotopriyemnykh ustroystv [Savitzky-Golay smoothing method of FPA photodiodes spectral response] // Uspekhi prikladnoy fiziki. Advances in Applied Physics. 2016. Vol. 4, no. 2. P. 198–205. EDN: VXBTOL. (In Russ.).Henrich N., Gerger J., Seifert B. [et al.]. Simultaneously measured direct and indirect thrust of a FEEP thruster using novel thrust balance and beam diagnostics // Acta Astronautica. 2022. Vol. 197. P. 107–114. DOI: 10.1016/j.actaastro.2022.05.009.Henrich N., Gerger J., Seifert B. [et al.]. Simultaneously measured direct and indirect thrust of a FEEP thruster using novel thrust balance and beam diagnostics // Acta Astronautica. 2022. Vol. 197. P. 107–114. DOI: 10.1016/j.actaastro.2022.05.009. (In Engl.).Watts H. Design of a Thrust Stand for Electric Propulsion / Western Michigan University. 2019. 42 p.Watts H. Design of a Thrust Stand for Electric Propulsion / Western Michigan University. 2019. 42 p. (In Engl.).Moeller T., Polzin K. A. Thrust stand for vertically oriented electric propulsion performance evaluation // Review of Scientific Instruments. 2010. Vol. 81, № 11. DOI: 11510810.1063/1.3502463.Moeller T., Polzin K. A. Thrust stand for vertically oriented electric propulsion performance evaluation // Review of Scientific Instruments. 2010. Vol. 81, no. 11. DOI: 11510810.1063/1.3502463. (In Engl.).Polk J. E., Haag T., Pancotti A. [et al.]. Recommended practice for thrust measurement in electric propulsion testing // Journal of Propulsion and Power. 2017. Vol. 33, № 3. P. 539–555. DOI: 10.2514/1.B35564.Polk J. E., Haag T., Pancotti A. [et al.]. Recommended practice for thrust measurement in electric propulsion testing // Journal of Propulsion and Power. 2017. Vol. 33, no. 3. P. 539–555. DOI: 10.2514/1.B35564. (In Engl.).Polzin K. A., Markusic T. E., Stanojev B. J. [et al.]. Thrust stand for electric propulsion performance evaluation // Review of Scientific Instruments. 2006. Vol. 77, № 10. 105108. DOI: 10.1063/1.2357315.Polzin K. A., Markusic T. E., Stanojev B. J. [et al.]. Thrust stand for electric propulsion performance evaluation // Review of Scientific Instruments. 2006. Vol. 77, no. 10. 105108. DOI: 10.1063/1.2357315. (In Engl.).Longmier B. W., Reid B. M., Gallimore A. [et al.]. Validating a plasma momentum flux sensor to an inverted pendulum thrust stand // Journal of Propulsion and Power. 2009. Vol. 25, № 3. P. 746–752. DOI: 10.2514/1.35706.Longmier B. W., Reid B. M., Gallimore A. [et al.]. Validating a plasma momentum flux sensor to an inverted pendulum thrust stand // Journal of Propulsion and Power. 2009. Vol. 25, no. 3. P. 746–752. DOI: 10.2514/1.35706. (In Engl.).Yoshikawa T., Tsukizaki R., Kuninaka H. Calibration methods for the simultaneous measurement of the impulse, mass loss, and average thrust of a pulsed plasma thruster // Review of Scientific Instruments. 2018. Vol. 89, № 9. 095103. DOI: 10.1063/1.5027047.Yoshikawa T., Tsukizaki R., Kuninaka H. Calibration methods for the simultaneous measurement of the impulse, mass loss, and average thrust of a pulsed plasma thruster // Review of Scientific Instruments. 2018. Vol. 89, no. 9. 095103. DOI: 10.1063/1.5027047. (In Engl.).Костылев Д. А., Федотов О. В. Машинное зрение в робототехнических системах // Наука, техника и образование. 2016. № 7 (25). С. 55–58. EDN: WHBBJJ.Kostylev D. A., Fedotov O. V. Mashinnoye zreniye v robototekhnicheskikh sistemakh [Machine vision in robotic systems] // Nauka, tekhnika i obrazovaniye. Science, Technology and Education. 2016. No. 7 (25). P. 55–58. EDN: WHBBJJ. (In Russ.).Ячменев П. С., Федянин В. В., Вавилов И. С. Разработка стенда измерения тяги на основе аэродинамического метода для электроракетных двигателей малых космических аппаратов // Динамика систем, механизмов и машин. 2023. Т. 11, № 2. С. 51–57. DOI: 10.25206/2310-9793-2023-11-2-51-57. EDN: FBKNDS.Yachmenev P. S., Fedyanin V. V., Vavilov I. S. Razrabotka stenda izmereniya tyagi na osnove aerodinamicheskogo metoda dlya elektroraketnykh dvigateley malykh kosmicheskikh apparatov [Development of a thrust measurement stand based on the aerodynamic method for electric thrusters of small spacecraft] // Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin. Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. 2023. Vol. 11, no. 2. P. 51–57. DOI: 10.25206/2310-9793-2023-11-2-51-57. EDN: FBKNDS. (In Russ.).VL53L0X. World smallest Time-of-Flight ranging and gesture detection sensor. STMicroelectronics. 2016. 40 p.VL53L0X. World smallest Time-of-Flight ranging and gesture detection sensor. STMicroelectronics. 2016. 40 p. (In Engl.).Nicolau V. R. Omnidirectional scanner using a time of flight sensor / Universitat Politècnica de Catalunya. 2018. 44 p.Nicolau V. R. Omnidirectional scanner using a time of flight sensor / Universitat Politècnica de Catalunya. 2018. 44 p. (In Engl.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.