ES2645672T3 - Sonda de Langmuir - Google Patents
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Abstract
Un método para determinar un potencial de plataforma, caracterizado porque el método comprende: recibir datos sobre una primera polarización de tensión y una primera corriente recolectada resultante de una primera aguja (16) de una sonda (14) de Langmuir multiagujas; recibir datos en una segunda tensión de polarización y una segunda corriente recolectada resultante de una segunda aguja (16) de la sonda (14) de Langmuir multiagujas; asignar un valor de la temperatura de electrones en la que la sonda (14) de Langmuir multiagujas estaba operando; y utilizar los datos de tensión y corriente, el valor de temperatura de electrones asignado y la teoría de sonda de Langmuir para calcular el potencial de plataforma de la sonda (14) de Langmuir multiagujas.
Description
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DESCRIPCION
Sonda de Langmuir
La invencion se refiere a un metodo para calcular un potencial de plataforma de nave espacial. La invencion tambien se refiere a un dispositivo para llevar a cabo el metodo y un producto de programa de ordenador relacionado. Dicho dispositivo se puede implementar en todos los tipos de naves espaciales que operan en la ionosfera.
Las sondas de Langmuir se han utilizado ampliamente para analizar plasmas en laboratorio y en el espacio. El principio basico de la sonda de Langmuir es exponer un conductor al plasma, polarizarlo con relacion a algun potencial de referencia (el potencial de plataforma) y medir la corriente recolectada. Una respuesta representativa de una sonda de Langmuir se muestra en la figura 1.
Un cuerpo en un plasma (que tiene un potencial Vp de plasma) experimental una corriente cuando esta es golpeada por electrones e iones del plasma. Esto cambia su carga, que a su vez afecta las corrientes de electrones e iones. En un corto periodo de tiempo el cuerpo adquirira una carga de tal manera que la corriente neta es cero. El potencial de equilibrio logrado mediante un cuerpo conductor inmerso en un plasma, de tal manera que la corriente total debida a electrones e iones a la superficie de conduccion suma cero se conoce como el potencial (Vf) de plataforma. El potencial de plataforma tambien se denomina como el potencial de nave espacial, potencial de carga util, potencial de flotacion o potencial de flotacion de carga util. El potencial Vp de plasma, es el potencial en el que no existen protectores/cubiertas entre la superficie de la sonda y el plasma circundante. Un potencial de sonda menor que Vp repele electrones, y un potencial mayor que Vp repele iones.
Cuando la sonda se polariza negativamente atraera iones positivos y repelera electrones. En una polarizacion suficientemente negativa la corriente de iones positiva dominara, esto se denominara la 'region de saturation ionica' 1. Cuando la sonda se polariza positivamente repelera iones positivos y atraera electrones. En la polarizacion suficientemente positiva la corriente de electrones dominara y esto se conoce como la 'region de saturacion de electrones' 2. En la polarizacion intermedia, la corriente sera la suma de corrientes de iones y electrones, esto se conoce como la 'region de retardo' 3.
La sonda de Langmuir se utiliza normalmente en un modo de barrido de tension. Realizar diversas mediciones en diferentes polarizaciones se puede producir una grafica de corriente-tension. Esta luego se ajusta a las ecuaciones teoricas para plasma, fotoelectrones y posiblemente otras corrientes para extraer parametros de plasma.
Para una mejor comprension sobre como la turbulencia en el plasma ionosferico afecta las senales de sistema de satelite de navegacion global (GNSS) y de radiocomunicaciones de alta frecuencia (HF), se tiene que llevar a cabo un estudio de los procesos de accionamiento que provocan la turbulencia y la estructuracion del plasma ionosferico.
Uno de los parametros claves para comprender la turbulencia en el plasma del espacio es la densidad de electrones que se puede medir utilizando una sonda de Langmuir.
Realizar un barrido de sonda de Langmuir toma tiempo (del orden de 1 s). Tambien puede haber diversos factores que pueden provocar que las mediciones se desvlen de las ecuaciones ideales. Se ha encontrado que la sonda de Langmuir barrida proporciona mediciones de densidad de electrones ionosfericos de baja precision debido a las incertidumbres en la determination del potencial de la nave espacial, as! como la temperatura de los electrones. Tambien, un tiempo de muestra de 1 s significa que se limita la resolution de las mediciones.
De esta manera, para superar este problema es conocido el uso de una sonda de Langmuir de polarizacion fija esferica. Sin embargo, la corriente recolectada por una sonda de polarizacion fija esferica depende no solamente de la densidad de los electrones, sino tambien de la temperatura de los electrones y el potencial de la nave espacial. Como resultado, la densidad absoluta de los electrones es muy diflcil de determinar. Adicionalmente existen efectos flsicos que complican los esfuerzos para obtener mediciones de densidad de electrones absolutas.
Para superar este problema se conoce proporcionar un sistema de sonda de Langmuir que comprende dos o mas sondas cillndricas de polarizacion fija que se conocen como sonda de Langmuir de multiples agujas (m-NLP). Cada sonda cillndrica se polariza a un diferente potencial en la region de saturacion de electrones y las sondas se muestrean simultaneamente para obtener una medicion de la corriente recolectada de cada sonda. Este dispositivo se puede utilizar para determinar la densidad absoluta de electrones sin tener que conocer la temperatura de los electrones y el potencial de la nave espacial (tambien denominado como potencial de plataforma, potencial de carga util o potencial de flotacion de carga util).
El m-NLP es capaz de medir la densidad de electrones con una muy alta resolucion de tiempo, que proporciona alta resolucion espacial de mediciones de densidad de electrones.
Para realizar las mediciones de densidad de electrones absoluta utilizando solamente m-NLP es necesario una estimation del potencial de la nave espacial. Se pueden utilizar potenciales muy por encima del potencial de la nave
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espacial para asegurar que las sondas esten operando en la region de saturacion en el que se pueden tomar mediciones de densidad de electrones absolutas.
El cuadrado de la corriente de sonda (lc2) versus el potencial (V) de la sonda produce una llnea recta. El gradiente de la llnea es proporcional al cuadrado de la densidad de los electrones. La densidad absoluta de electrones se puede calcular de acuerdo con la siguiente expresion:
n
e
K
A V?)
AV
(1)
En el que K es una constante igual a me/2q(2 q rl)2 y me es la masa de electrones, q es la carga de electrones, r es el radio del cilindro, l es la longitud del cilindro, D(lc)2 es la diferencia en las corrientes de sonda recolectadas y DV es la diferencia en la polarizacion de sonda entre dos sondas polarizadas.
"Plasma Analyzer for Measuring Spacecraft Floating Potential in LEO and GEO", Luke Goembel, IEEE Transactions on Plasma Science, IEEE Service Center, Piscataway, NJ, US, vol. 40, No. 2, 1 Febrero 2012 divulga una diseno para un analizador de plasma para medir el potencial de flotacion de la nave espacial.
De acuerdo con un primer aspecto, la presente invencion proporciona un metodo para determinar el potencial de plataforma, el metodo comprende: recibir datos sobre una primera tension de polarizacion y una primera corriente recolectada resultante de una primera aguja de una sonda de Langmuir de multiples agujas; recibir datos sobre un segundo voltaje de polarizacion y una segunda corriente recolectada resultante de una segunda aguja de la sonda de Langmuir de multiples agujas; asignar un valor de temperatura del electrones en la que la sonda de Langmuir de multiples agujas esta operando; y utilizar los datos de tension y corriente, el valor de temperatura de electrones asignado y la teorla de sonda de Langmuir para calcular el potencial de la plataforma de la sonda de Langmuir de multiples agujas.
Los inventores de la presente invencion se han dado cuenta de que, sorprendentemente, la sonda de Langmuir de multiples agujas (m-NLP) que se ha utilizado anteriormente para obtener mediciones de densidad de electrones absoluta se puede utilizar para obtener una medicion del potencial de plataforma. La teorla de sonda de Langmuir proporciona una relacion entre tension de polarizacion, la corriente recolectada, el potencial de plataforma y la temperatura de los electrones. La tension de polarizacion y la tension recolectada se pueden medir facilmente, pero es diflcil determinar la temperatura de los electrones. Inesperadamente, se ha encontrado que se puede asignar un valor (por ejemplo, un valor estimado) para la temperatura de electrones en la que se recolectan los datos recibidos, es decir que el calculo del potencial de la plataforma no es dependiente de conocer el valor exacto de la temperatura de los electrones.
Las mediciones de la sonda de Langmuir dependen del potencial del chasis/plataforma con relacion a la cual la polarizacion se esta aplicando, es decir placa de masa. La masa del instrumento se conecta a la estructura de carga util de tal manera que la masa electrica sea la misma que el potencial de flotacion de carga util. Como se menciono anteriormente, el potencial de flotacion de carga util es el potencial de equilibrio logrado mediante un cuerpo conductor inmerso en un plasma, de tal manera que la corriente total debida a los electrones y los iones para la superficie conductora suma cero. En otras palabras, el potencial de la plataforma es el potencial de equilibrio del m- NLP cuando esta en un plasma. El potencial de plataforma es el potencial de la sonda de Langmuir de multiples agujas cuando esta en contacto electrico adecuado con la plataforma. Los cambios en el potencial de flotacion de carga util, es decir cargar la nave espacial puede afectar las medidas tomadas por las sondas de Langmuir. El conocimiento de cargar la carga util y los diversos procesos que contribuyen a la carga de la carga util es, por lo tanto, crucial para analisis adecuado de las sondas de Langmuir tlpicas. El conocimiento potencial de la nave espacial tambien es util para la operacion de una serie de otros dispositivos en una nave espacial. De esta manera el uso de m-NLP para obtener una medicion del potencial de plataforma se puede utilizar para asegurar otros dispositivos que estan operando en condiciones correctas o se puede utilizar para ajustar o corregir datos.
En respuesta a un cuerpo cargado, un plasma formara una cubierta alrededor del cuerpo con una carga neta de signo opuesto a aquel del cuerpo. Esto protege al plasma externo de la cubierta del campo electrico del cuerpo. La longitud de la escala de esta cubierta se conoce como la longitud Debye.
La longitud de proteccion Debye Ad se da por
A
D
E0 ^B^e
ne^I
(2)
en el que ne es la densidad de los electrones, qe es la carga de electrones, ke es la constante de Boltzmann, Te es la temperatura de electrones y £q es la permisividad del espacio libre.
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El tamano de una sonda de Langmuir con relacion a la longitud de Debye determina que efectos tiene el protector en las corrientes medidas. El caso mas simple es aquel en el que el tamano a escala de la sonda es mucho mas pequeno que la longitud de Debye. Cuando es cierto, se pueden ignorar los efectos de cubierta.
De la teorla de sondas de Langmuir, la corriente recolectada por una sonda cillndrica con una longitud mucho mayor que su radio, un radio que es mucho menor que la longitud de proteccion de Debye y en un potencial positivo en la region de saturation de electrones (asumiendo que la sonda se ubica en un plasma Maxweliano) es:
I = neeAp
kBTe 2 ^2 nmejn
1 +
(3)
en el que ne es la densidad de electrones, e es la carga de un electron, kb es la constante de Boltzmann, Te es la temperatura de los electrones, me es la masa de un electron, Ap es el area de superficie de sonda, l es la longitud del cilindro y Vb es el potencial aplicado a la sonda, Vf es el potencial de flotation de carga util y Ve es la constante de Boltzmann multiplicada por la temperatura de electrones dividida por la carga de un electron. Esta ecuacion es valida bajo el supuesto de un plasma no magnetizado, sin colision, sin derivation. Se ha encontrado que estas suposiciones se cumplen suficientemente en la mayor parte de la ionosfera completa con la exception de la parte mas baja de la capa D.
Para una sonda cillndrica operada en la region de saturacion de electrones (con todos los supuestos anteriores), hay una relacion lineal entre el cuadrado de la corriente I2 recolectada y el voltaje V de polarization aplicado que se puede utilizar para determinar la densidad de electrones. De esta manera, si se toman dos mediciones en la region de saturacion de electrones la diferencia en el cuadrado de la corriente en aquellos dos puntos se da por
q-I# = (CNeApy(Vb2-Vbl) (4)
en el que C es
e3/2 2
n
(5)
Esto se puede redisponer para dar
n
e
1
CA
I2 - I2 ‘2 'l
Vb2 - Vb
(6)
La derivacion de la densidad de electrones absoluta utilizando una sonda Langmuir de multiples agujas no depende del potencial de sonda con relacion al potencial de plasma, pero depende solamente de la diferencia potencial entre las dos agujas. Esto hace efectivamente inmune al instrumento m-NLP para efectos de carga de la carga util mientras que la carga no sea tan severa que la operation de la aguja se ponga en la region de retardo de electrones.
La ecuacion (3) tambien se puede utilizar para encontrar Vf, el potencial de plataforma de la carga util de cohete, que es util como referencia para el voltaje de polarizacion de sonda.
R =
-I2.2 = Ve + Vb2 - V/ -lj Ve + Vb# - V/
(7)
Esto da la siguiente ecuacion para el calculo del potencial de flotacion de la plataforma Vf.
V/ =
(RVbi) - Vb2
R - 1
+ Ve
(8)
Mediante la ecuacion se puede observar que el potencial de la plataforma se puede derivar por los dos voltajes de polarizacion conocidos y la corriente recolectada por las sondas polarizadas. Para que las ecuaciones sean validas las sondas se tienen que operar en la region de saturacion de electrones. El unico termino desconocido en la ecuacion (8) es Ve, que depende de la temperatura de electrones Te.
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Como se menciono anteriormente, el metodo comprende asignar un valor para la temperatura de electrones. En una realizacion preferida el valor asignado es un estimad que se basa preferiblemente en un modelo. Por ejemplo, el valor asignado para la temperatura de electrones puede ser un valor de modelo o un mejor supuesto.
Los inventores de la presente invencion se han dado cuenta que, inesperadamente, utilizando un valor asignado para la temperatura de electrones ha limitado el efecto en la precision de los calculos de potencial de plataforma.
Esto se ha confirmado experimentalmente. Por ejemplo, en la region de la mesosfera durante condiciones de invierno, Se te espera que varle de 200K a 400K. Suponga Te = 200K, el termino Ve sera 17 mV, y para Te = 400K el termino Ve = 34mV. Los inventores han realizado calculos utilizando Te = 400K, para conseguir una incertidumbre del peor caso desde el termino Te y se descubre que el error en el calculo de Vf debido a un Te desconocido sera del orden de pocas decenas de mV.
Cuando los datos se reciben de un m-NLP con sondas cillndricas el potencial de la plataforma se puede calcular a partir de la ecuacion (7).
Para obtener mediciones de la densidad de electrones se polariza una sonda de Langmuir con relacion al potencial de la plataforma. Mientras que la sonda se opere en la region de saturacion de electrones, no es necesario saber el potencial de la carga util para accionar la densidad de electrones absoluta (que tambien se puede denominar como la densidad de plasma absoluta). Todo lo que se necesita es una diferencia de potencial conocida entre las multiples agujas. Sin embargo, es util ser capaz de medir el potencial de la plataforma para asegurar que la sonda de Langmuir esta operando en esta region.
Se ha encontrado que en un plasma Maxweliano cuasi-neutro, la corriente termica de electrones recolectada por un cuerpo conductor es de un orden de magnitud mayor que la corriente termica ionica. De esta manera, en una mesosfera/ionosfera tlpica el plasma de tiempo nocturno (oscuridad), cualquier cuerpo conductor logra un potencial de flotacion negativo de tal manera que las corrientes recolectadas de iones y electrones suman cero, y el potencial de flotacion varla de -0.1 V a -0.6 V dependiendo de la temperatura de electrones. Una carga util de cohete de sonda puede obtener una carga significativamente diferente si existen potenciales expuestos en su superficie que recolecten electrones adicionales (cagas de la carga util mas negativa) o emision de fotoelectrones (cargas de carga util mas positivas). Se ha encontrado en la practica que para determinadas cargas utiles el nivel promedio del potencial de carga util varia de -2 a - 2.5 V y que existe una region de altitud en el que el potencial de carga util cambia al 50%. En otras palabras, el potencial de flotacion de carga util puede cambiar significativamente.
Mas aun, la carga de la carga util puede ser diflcil de predecir con los modelos conocidos, por lo tanto, es ventajosa una medicion del potencial de la carga util.
El metodo comprende preferiblemente determinar el potencial de flotacion de carga util en vuelo o en orbita, y/o en tiempo real. Por ejemplo, el analisis de datos se puede llevar a cabo en un procesador u ordenador que puede proporcionar un monitor interno de potencial de flotacion de carga.
Esto significa que se puede utilizar el potencial de carga util calculado para asegurar que los otros dispositivos estan operando en el regimen correcto. Por ejemplo, para una sonda Langmuir multiagujas utilizada para medir la densidad absoluta del electron, la medicion de potencial de flotacion de carga se puede utilizar para asegurar que el m-NLP esta operando en el regimen de saturacion de electrones. Como resultado los datos recibidos de determinados instrumentos se pueden corregir o descartar dependiendo del potencial de plataforma determinado.
Cuando se determina el potencial de carga util en orbita y/o en tiempo real el metodo puede incluir controlar el potencial de flotacion de carga util con base en el potencial de carga util determinado. En una realizacion preferida, el metodo comprende ajustar el potencial de carga util para que este en un nivel deseado. Por ejemplo, el aparato m-NLP puede comprender un emisor de electrones para controlar el potencial de carga util que esta en un valor deseado. El emisor de electrones puede expulsar un haz de electrones en el plasma circundante para mantener el potencial de flotacion en un valor deseado o dentro de un rango deseado. El metodo puede comprender la mitigacion de carga activa de la nave espacial. Es preferible para la superficie del satelite ser por lo menos parcialmente conductor con el fin de evitar las cargas diferenciales. De esta manera, el metodo puede comprender enviar una senal indicadora del potencial de plataforma determinado a un controlador.
En una realizacion preferida existe un circuito de retroalimentacion entre el potencial de flotacion de carga util terminado y el control del potencial de flotacion de carga util. Esto significa que el potencial de flotacion de carga util se puede mantener un determinado nivel.
Se ha descubierto que se puede utilizar una sonda de Langmuir multiagujas para medir la densidad absoluta del plasma (es decir, la densidad de electrones) y el potencial de flotacion de carga util simultaneamente.
El metodo puede comprender, proporcionar una sonda de Langmuir multiagujas que preferiblemente tiene sondas cillndricas; polarizar una primera aguja de la sonda de Langmuir de multiagujas en un primer potencial con relacion
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al potencial de la plataforma; polarizar una segunda aguja de la segunda sonda de Langmuir multiagujas en un segundo potencial con relacion con el potencial de plataforma y medir la corriente recolectada de cada una de las agujas polarizadas.
En teorla un m-NLP con dos sondas es suficiente para ser capaz de medir el potencial de flotacion de carga util. Por lo tanto, en una realizacion los datos son recibidos de una sonda de Langmuir d multiagujas que comprende dos sondas.
Es deseable tener mas de dos sondas ya que esto permite el desempeno del dispositivo que se va a verificar. Tambien, tener mas de dos sondas tambien agregara redundancia al sistema, de tal manera que puede aun funcionar si una de las sondas no funciona como se pretende. Por lo tanto, la sonda de Langmuir multiagujas de la que se obtienen datos comprende preferiblemente mas de dos sondas o preferiblemente mas de cuatro sondas.
Es deseable ser capaz de obtener una medicion del error en la medicion y ser capaz de detectar errores sistematicos. Cuatro sondas proporcionan la capacidad de comprobar los datos obtenidos y proporcionar redundancia, mientras se mantiene la cantidad de hardware necesario en la carga util en un mlnimo.
Cuando las sondas de Langmuir multiagujas del que se obtuvieron los datos comprende mas de dos sondas el metodo puede comprender verificar los datos. El metodo luego puede ser utilizado para determinar si existen errores en las mediciones y pueden incluir dicha etapa.
Preferiblemente el radio de cada una de las sondas de Langmuir multiagujas de la que se reciben los datos es menor que la longitud de Debye.
Por ejemplo, si la longitud de Debye es igual que o menor que el radio de la sonda, los valores calculados se veran afectados. Con esto en mente, tambien es beneficioso tener mas de dos sondas de tal manera que el dispositivo tiene la capacidad de probar si esta midiendo el regimen de plasma en el se validan nuestras ecuaciones, es decir, el metodo puede comprender una etapa de verificacion. Tener dicha verificacion de calidad permite una mayor confidencia en los valores calculados. Dependiendo de la naturaleza de la perturbacion puede ser posible corregir los datos para compensar, de esta manera el metodo puede comprender corregir los datos si se detecta un error.
En un caso tlpico, la longitud de Debye estara en el rango de 2 mm - 5 cm y la mayor parte del tiempo en el orden de 1 cm. Esto significa que el radio de las sondas del m-NLP del que se obtienen los datos es preferiblemente menos de 1 mm.
En un segundo aspecto la presente invencion proporciona un dispositivo para determinar un potencial de plataforma, el dispositivo comprende una sonda de Langmuir multiagujas y un procesador, en el que el procesador se dispone para recibir datos en una primera tension de polarizacion y resulta en una primera corriente recolectada de una primera aguja de una sonda de Langmuir multiagujas; recibir datos en una segunda tension de polarizacion y en una segundo corriente recolectada resultante de una segunda aguja de la sonda de Langmuir multiagujas; asigna un valor para la temperatura de los electrones en la que esta operando la sonda de Langmuir multiagujas; y utiliza los datos y voltaje de corriente, el valor de la temperatura de electrones asignados y la teorla de sonda de Langmuir para calcular el potencial de la plataforma de la sonda de Langmuir multiagujas.
En una realizacion preferida el procesador se dispone para llevar a cabo el metodo del primer aspecto y, opcionalmente, algo o todo de las caracterlsticas preferibles de ese metodo como se discutio anteriormente.
Preferiblemente el m-NLP tiene sondas cillndricas. Como se discutio anteriormente, esto significa que determinados calculos (basados en la ecuacion de Langmuir para sondas cillndricas) se puede utilizar para determinar el potencial de la plataforma.
Preferiblemente el NLP m tiene mas de dos sondas y mas preferiblemente cuatro sondas. Esto es por las razones discutidas anteriormente en relacion con el primer aspecto.
Preferiblemente el radio de cada sonda es menor y mas preferiblemente significativamente menor que la longitud de Debye. Esto es por las razones discutidas anteriormente en relacion con el primer aspecto.
En una realizacion preferida el dispositivo comprende un controlador. Esto significa que el potencial de la plataforma se puede controlar con base en el potencial de la plataforma calculado. El dispositivo tambien comprende un emisor de electrones para controlar el potencial de la plataforma. Esto significa que el potencial de la plataforma se puede controlar segun se requiera. El controlador se puede separar del procesador o puede ser parte del procesador.
La sonda de Langmuir multiagujas puede utilizar en un CubeSat que es una nave espacial cuboide escalable discreta, que mide 100 x 100 x 100 mm y que pesa un maximo de 1,33 kg. Se denomina como un CubeSat U 1. Al apilar dos o tres de estas naves espaciales U1 en la parte superior de cada una, se puede obtener una nave espacial 2U o 3U.
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Cuando el dispositivo se despliega sobre un CubeSat es preferible para el dispositivo comprender (y mas preferiblemente consistir de) una tarjeta de circuitos impresos electronica (PCB), un emisor de electrones, cuatro sondas Langmuir esfericas miniaturizadas en brazos de gruas separados y cuatro sistemas de despliegue de brazos de grua individuales.
Es preferible para el dispositivo ser dispuesto para realizar procesamiento interno de tal manera que sea posible transferir datos de densidad de electrones con requerimientos de enlace descendente de telemetrla reducida. Este procesamiento interno tambien puede significar que el control en tiempo real, tal como el control de potencial de nave espacial, se puede llevar a cabo.
El metodo puede llevar el calculo en tiempo real de densidad electronica y el potencial de la nave espacial en una matriz de compuerta programables en campo (FPGA). La implementation puede ser alcanzada al utilizar codificador HDL Mathworks, que genera VHDL sintetizable independiente del objetivo o codigo Verilog. Alternativamente (por ejemplo cuando el procesamiento no se lleva a cabo internamente) la densidad electronica y el potencial de la nave espacial se puede calcular despues del vuelo utilizando secuencias de comandos de Matlab.
Preferiblemente el rendimiento del algoritmo implementado en el hardware es tan rapido como o mas rapido que el Indice de muestreo mas alto del sistema, que se puede fijar por ejemplo en 10 kHz.
Las cuatro corrientes medidas y los valores de polarization de sonda pueden almacenarse en dos matrices separadas. Si se utiliza un FPGa, se puede alcanzar una reduction significativa del tiempo de computation requerido al ejecutar partes del algoritmo en paralelo. La information calculada en el potencial de flotation de la nave espacial puede ser enviada posteriormente a la aritmetica digitales que controlan el emisor de electrones de tal manera que se puede controlar el potencial de la nave espacial en tiempo real.
El dispositivo puede comprender un sistema de brazo de grua cargado con resorte, que puede comprender mecanismos de despliegue de brazo de grua separado de cada brazo de grua.
El dispositivo se puede colocar en uno de los bordes de 10 x 10 cm de la nave espacial, que de que luego se colocan en la parte delantera normal a la direction de cabezal asegurara que las sondas se situen en un plasma sin perturbaciones. El sistema de brazo de gruas se puede utilizar en un CubeSat 2U o escalado a un CubeSat 3U al aumentar la longitud de los elementos del brazo de grua.
El despliegue del sistema de brazo de grua se puede manipular mediante mecanismos de despliegue separados, que se disenan para que sean una parte de los paneles laterales PCB de la nave espacial, que tambien puede sostener los paneles solares. El mecanismo de despliegue puede ser un tipo de cable de combustion, en donde el cable se corta a pasar una determinada corriente y tension a traves del cable durante una cantidad de tiempo dada.
Por ejemplo, esto se puede alcanzar al pasar aproximadamente 0,5 A de corriente en una tension de suministro 3.3 V durante aproximadamente 3 segundos. El mecanismo de corte de cable se puede hacer de una resistencia (por ejemplo, resistencia de tamano 0603 o 0805) colocada directamente sobre el PCB, en cada lado del elemento de sonda. El cable de combustion se puede doblar en la parte superior de la resistencia. Preferiblemente los mecanismos de corte de cable comprenden dos resistencias para asegurar la redundancia en el caso de que una de las resistencias encuentre un mecanismo o falla electrica. Cuando se aplica la corriente, el elemento de resistencia se calienta a altas temperaturas mediante el flujo de corriente y por lo tanto funde el cable de combustion.
En un tercer aspecto la presente invention proporciona un producto de programa de ordenador que comprende instrucciones que cuando se ejecutan mediante un procesador hacen que el procesador se disponga para recibir datos en una primera tension de polarizacion y una primera corriente recolectada resultante de una primera de una sonda Langmuir multiagujas; recibe datos en una segunda tension de polarizacion y una segunda corriente recolectada resultante de una segunda aguja de la sonda de Langmuir multiagujas; asigna un valor para la temperatura de electrones en la que la sonda de Langmuir multiagujas esta operando; y utiliza datos de corriente y tension, el valor de temperatura de electrones asignado y la teorla de sonda Langmuir para calcular el potencial de plataforma de la sonda de Langmuir multiagujas.
En una realization preferida el producto de programa de ordenado cuando se ejecuta puede provocar que el procesador sea capaz de llevar a cabo algo o todas las caracterlsticas preferibles del primer aspecto, como se discutio anteriormente.
Cualquiera caracterlsticas opcionales o preferidas de la invencion se pueden aplicar en todos los aspectos de la invencion.
Determinadas realizaciones preferidas de la presente invencion se describiran ahora solamente por via de ejemplo con referencia a los dibujos acompanantes, en los que:
La figura 1 muestra una respuesta representativa de una sonda de Langmuir;
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
La figura 2 muestra una configuracion de carga util de ejemplo con un m-NLP; y La figura 3 muestra una sonda de ejemplo.
Los cohetes de sondas tlpicos tienen una configuracion de motor de dos etapas que consiste de un motor de una primera etapa y un motor de segunda etapa. En la figura 2 se muestra una separation de motor despues de carga util.
La carga util 10 de ejemplo comprende una serie de dispositivos 12, que miden, por ejemplo, los parametros de plasma. La carga util tambien comprende una sonda (m-NLP) 14 Langmuir multiagujas hacia el AFT de carga util 10. El instrumento 14m-NLP consiste de sonda de cuatro sondas 16Langmuir cillndricas miniaturizadas. Cada sonda tiene la configuracion mostrada en la figura 3.
Las sondas comprenden un conductor 18 central, un aislante 20 dielectrico y un trenzado 22 externo. Las dimensiones mencionadas adelante se refieren a una sonda especlfica desarrollada para uso cerca a la ionosfera terrestre La parte expuesta del conductor 18 central tiene una longitud de 25 mm. Cubrir la parte no expuesta del conductor central es un aislante 20 dielectrico que tiene una longitud expuesta de aproximadamente 1 mm. La parte no expuesta del aislante 20 dielectrico esta rodeada por un trenzado 22 que tiene una longitud de 15 mm expuesta. Esta se mantiene dentro de una parte 24 aislante. El area 20 aislante corta entre el trenzado 22 y el conductor 18 central se proporciona para evitar cortocircuito entre el trenzado 22 y el conductor 18 central.
El conductor 18 central tiene un diametro de 0,51 mm. Un diametro de sonda de 0,51 mm da una sonda con un radio que es significativamente mas pequeno que la longitud de Debye experimentada normalmente. Esto significa que los efectos de cubierta alrededor de la sonda se pueden ignorar en la mayor parte de las circunstancias.
Las dimensiones pueden ser a escala, por ejemplo, dependiendo del tamano de la nave espacial. Por ejemplo, en un CubeSat el conductor 18 central puede tener un diametro de 0,29 mm.
En operation las sondas 16 cada una se polarizan en diferentes tensiones que varlan entre normalmente + 2.5 V y + 10 V. Las dos sondas 16 se montan en un brazo de grua 26 en la cubierta de popa de la carga util. Las otras dos sondas 16 se montan en otro brazo de grua 28, montado en 180 grados a partir del brazo de grua 26 con otras sondas. Las sondas se pueden utilizar simultaneamente para medir la densidad absoluta del electron y el potencial de la plataforma.
Cuando el m-NLP esta en un plasma y los voltajes se aplican a cada sonda, se mide la corriente recolectada de cada sonda.
Se estima un valor de temperatura de electrones en el que las mediciones se toman utilizando un modelo. Este valor se puede asignar antes de que se tomen las mediciones.
Utilizando la polarization de una de las sondas (Vb1) y la corriente recolectada medida de esa sonda (I1), la polarization de otra de las sondas (Vb2) y la corriente recolectada medida de esa sonda (I2) y el valor estimado para la temperatura de electrones, se calcula el potencial de la plataforma utilizando la siguiente ecuacion:
R =
ij
V + Vbi - Vf
V + Vb2 - Vf
En el que Ve es la constante de Boltzmann multiplicada por la temperatura de electrones dividida por la carga de un electron, Vf es el potencial de la plataforma y que cuando se reorganiza da:
Vf =
—1
jJ
RVfei - v&2 , V R — 1 + e
El valor de potencial de plataforma calculado se determina en orbita y en tiempo real mediante un procesador interno a bordo de la carga util 10. El valor calculado del potencial de la plataforma se utiliza para controlar el emisor de electrones (no mostrado) que controla el potencial de la plataforma sobre la base del potencial de la plataforma calculado.
Claims (14)
- 51015202530354045505560REIVINDICACIONES1. Un metodo para determinar un potencial de plataforma, caracterizado porque el metodo comprende:recibir datos sobre una primera polarizacion de tension y una primera corriente recolectada resultante de una primera aguja (16) de una sonda (14) de Langmuir multiagujas;recibir datos en una segunda tension de polarizacion y una segunda corriente recolectada resultante de una segunda aguja (16) de la sonda (14) de Langmuir multiagujas;asignar un valor de la temperatura de electrones en la que la sonda (14) de Langmuir multiagujas estaba operando; yutilizar los datos de tension y corriente, el valor de temperatura de electrones asignado y la teorla de sonda de Langmuir para calcular el potencial de plataforma de la sonda (14) de Langmuir multiagujas.
- 2. Un metodo como se reivindica en la reivindicacion 1, en el que la etapa de utilizar los datos para calcular el potencial de la plataforma se realiza en orbita.
- 3. Un metodo como se reivindica en la reivindicacion 1 o 2, en el que la etapa de utilizar los datos para calcular el potencial de plataforma se realiza en tiempo real.
- 4. Un metodo como se reivindica en la reivindicacion 2 o 3, que comprende controlar el potencial de plataforma con base en el potencial de plataforma calculado.
- 5. Un metodo como se reivindica en cualquier reivindicacion precedente, en el que los datos se reciben de una sonda (14) de Langmuir multiagujas con sondas cillndricas y el potencial de plataforma se calcula utilizando la siguiente ecuacionU.V + Vbi - VV + vb2 - VfEn el que l2 es la segunda corriente recolectada, h es la primera corriente recolectada, Vb2 es la segunda tension de polarizacion, Vb1 es la primera tension de polarizacion, Ve es la constante de Boltzmann multiplicada por la temperatura de electrones dividida por la carga de un electron y Vf es el potencial de plataforma.
- 6. Un dispositivo para determinar el potencial de plataforma, caracterizado porque el dispositivo comprende una sonda (14) de Langmuir multiagujas; yun procesador, en el que el procesador se dispone para recibir datos en una primera tension de polarizacion y una primera corriente recolectada resultante de una primera aguja (16) de la sonda de Langmuir multiagujas; recibir datos en un segundo voltaje de polarizacion y una segunda corriente recolectada resultante de una segunda aguja (16) de la sonda de Langmuir multiagujas; asignar un valor para la temperatura de electrones en el que la sonda de Langmuir multiagujas esta operando; y usar datos de voltaje y corriente, el valor de temperatura de electrones asignado y la teorla de Langmuir para calcular el potencial de plataforma de la sonda de Langmuir multiagujas.
- 7. Un dispositivo como se reivindica en la reivindicacion 6, en el que el procesador se dispone para que sea capaz de calcular el potencial de plataforma cuando esta en orbita.
- 8. Un dispositivo como se reivindica en la reivindicacion 6 o 7, en el que el procesador se dispone para calcular el potencial de plataforma cuando esta en tiempo real.
- 9. Un dispositivo como se reivindica en la reivindicacion 7 u 8, en el que el dispositivo comprende un controlador que se dispone para controlar el potencial de plataforma con base en calculos de orbita y/o en tiempo real.
- 10. Un dispositivo como se reivindica en la reivindicacion 9, en el que el dispositivo comprende un emisor de electrones que se dispone para que sea capaz de controlar el potencial de plataforma sobre la base del potencial de plataforma calculado.
- 11. Un dispositivo como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, en el que la sonda (14) de Langmuir multiagujas tiene sondas cillndricas.
- 12. Un dispositivo como se reivindica en la reivindicacion 11, en el que el procesador se dispone para calcular el potencial de plataforma utilizando la siguiente ecuacionwV + Vbi - VfV + vb2 - VfEn el que I2 es la segunda corriente recolectada, I1 es la primera corriente recolectada, Vb2 es la segunda tension de polarizacion, Vbi es la primera tension de polarizacion, Ve es la constante de Boltzmann multiplicada por la temperatura de electrones dividida por la carga de un electron, y Vf es el potencial de plataforma.
- 13. Un dispositivo como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12, en el que la sonda (14) de Langmuir multiagujas tiene mas de dos sondas.
- 14. Un producto de programa de ordenador que comprende instrucciones que cuando se ejecutan mediante un 10 procesador provocan que el procesador se disponga para llevar a cabo el metodo de cualquiera de lasreivindicaciones 1 a 5.
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