Разработка стенда для измерения тяги реактивных микродвигателей на основе машинного зрения

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 %.

1. Белоконов 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.

2. Артюхов Ю. А., Клюшников В. Ю. Ракетные двигатели для малых космических аппаратов // Космонавтика и ракетостроение. 2021. № 3 (120). С. 143–159. EDN: OLGPSW.

3. Zanola S. Assessment of the impact of miniaturized electric propulsion systems on small satellites technology / Politecnico di Torino. 2019. 124 p.

4. Гопанчук В. В., Потапенко М. Ю. Электрореактивные двигатели для малых космических аппаратов // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2012. № 4. С. 60–67.

5. 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).

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Watts H. Design of a Thrust Stand for Electric Propulsion / Western Michigan University. 2019. 42 p.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Костылев Д. А., Федотов О. В. Машинное зрение в робототехнических системах // Наука, техника и образование. 2016. № 7 (25). С. 55–58. EDN: WHBBJJ.

17. 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.

18. VL53L0X. World smallest Time-of-Flight ranging and gesture detection sensor. STMicroelectronics. 2016. 40 p.

19. Nicolau V. R. Omnidirectional scanner using a time of flight sensor / Universitat Politècnica de Catalunya. 2018. 44 p.