KR20150042127A

KR20150042127A - 이온 추진 시스템에서 추진제 전송의 추정을 위한 방법들 및 시스템들

Info

Publication number: KR20150042127A
Application number: KR20140103127A
Authority: KR
Inventors: 씨. 곽 로이드
Original assignee: 더 보잉 컴파니
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2014-08-11
Publication date: 2015-04-20
Also published as: JP6389720B2; US20150106039A1; CN104564574B; CN104564574A; KR102111173B1; EP2873622A1; US9546892B2; JP2015074445A; IN2014DE02205A; EP2873622B1

Abstract

이온 추진 시스템에서 추진제 전송을 추정하기 위한 방법들 및 시스템들이 공개된다. 하나의 예는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법이다. 제1 탱크와 제2 탱크는 밸브에 의해 분리되어 있다. 본 방법은 전송 이벤트의 시작 동안 제1 탱크 및 제2 탱크 각각의 초기 압력 및 초기 온도를 기초로 하여 밸브를 통한 추진제의 유량을 계산하고, 전송 이벤트의 종료 전에 중간시점에서 끝나는 일정 기간의 시간에 대해 래치를 통해 전송된 추진제의 질량을 적어도 부분적으로 유량을 기초로 하여 계산하고, 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의 압력 및 온도를 결정한다.

Description

이온 추진 시스템에서 추진제 전송의 추정을 위한 방법들 및 시스템들{METHODS AND SYSTEMS FOR ESTIMATION OF PROPELLANT TRANSFER IN AN ION PROPULSION SYSTEM}

본 발명은 일반적으로 추진제 전송(propellant transfer)에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는, 이온 추진 시스템(ion propulsion system)에서 추진제 전송을 추정하기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.

몇몇 기지의(known) 위성 추진 시스템들은 고압 래치 밸브(high pressure latch valve)에 의해 분리되어 있는 두 개의 저장 탱크(storage tank)들을 포함한다. 위성의 추진 시스템을 위한 기체 추진제(gas propellant)가 저장 탱크들에 저장되어 있다. 추진제가 하나의 저장 탱크에서 다른 탱크로 전송될 때, 탱크들 간에 전송되는 기체의 양 및 각각의 탱크에 남아있는 추진제의 양이 추정된다. 몇몇 기지의 시스템들은 기체 추진제의 전송을 추정하기 위하여 추진제 P-V-T 게이징 툴(Gauging Tool)을 이용한다. 각각의 탱크 내의 추진제의 부피를 결정하기 위하여, 그리고 속성 테이블(properties table)로부터 해당 유체(fluid) 밀도를 검색하기 위하여, 각각의 탱크에 대해 판독하는 최신의 압력 및 온도 센서가 이용된다. 기체 추진제의 질량은 계산된 부피 및 검색된 밀도를 기초로 하여 계산된다. 기체의 전송 동안, 이러한 기지의 시스템들은 압력 및 온도 프로파일(profile)을 갱신하지 않는다. 오히려, 상술한 측정들 및 계산들은 전송이 시작되기 전에 수행되고, 원하는 양의 기체 추진제를 전송하기 위한 시간은 초기(initial) 추정들을 기초로 하여 계산되고, 계산들은 전송이 완료될 때까지 갱신되거나 반복되지 않는다. 기체 추진제의 전송 동안, 통상적으로 온도 및 압력이 변해서, 기체 추진제의 특성(characteristics)의 변화 및 기체의 유량(flow rate)의 변화를 낳는다. 이러한 변화들은 전송되는 기체의 양의 추정의 부정확을 초래할 수 있다.

본 발명은 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법 및 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 태양(aspect)은 전송 이벤트(transfer event) 동안 이온 추진 시스템(ion propulsion system)에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제(propellant)의 전송을 추정하기 위한 방법이다. 제1 탱크와 제2 탱크는 래치 밸브에 의해 분리되어 있다. 본 방법은, 전송 이벤트의 시작 동안 제1 탱크 및 제2 탱크 각각의 초기 압력 및 초기 온도를 기초로 하여 래치 밸브를 통한 추진제의 유량(flow rate)을 계산하는 단계; 전송 이벤트의 종료 전에 중간시점(intermediate time)에서 끝나는 일정 기간의 시간(a period of time)에 대하여 래치 밸브를 통해 전송된 추진제의 질량을 적어도 부분적으로 유량을 기초로 하여 계산하는 단계; 및 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의 압력을 결정하는 단계;를 포함한다.

다른 태양에 있어서, 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템이 설명된다. 본 시스템은 추진제의 특성을 저장하는 메모리 디바이스 및 메모리 디바이스에 연결된 프로세서를 포함한다. 프로세서는, 전송 이벤트의 시작 동안 제1 탱크 및 제2 탱크 각각의 초기 압력 및 초기 온도를 기초로 하여 래치 밸브를 통한 추진제의 유량을 계산하도록 구성되고, 전송 이벤트의 종료 전에 중간시점에서 끝나는 일정 기간의 시간에 대하여 래치 밸브를 통해 전송된 추진제의 질량을 적어도 부분적으로 유량을 기초로 하여 계산하도록 구성되고, 그리고 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의 압력을 결정하도록 구성된다.

또 다른 태양에 있어서, 전송 이벤트 동안 위성 기반 크세논 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 크세논의 전송을 추정하기 위한 방법이 공개되고, 여기서 제1 탱크와 제2 탱크는 래치 밸브에 의해 분리되어 있다. 본 방법은: (a) 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 크세논의 압력을 적어도 부분적으로 기초로 하여 제1 탱크 및 제2 탱크 각각의 부피를 계산하는 단계; (b) 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 크세논의 압력 및 온도를 기초로 하여 래치 밸브를 통한 크세논의 유량을 계산하는 단계; (c) 전송 이벤트의 길이보다 작은 일정 기간의 시간(a period of time)에 대해 래치 밸브를 통해 전송된 크세논의 질량을 결정하기 위해 일정 기간의 시간에 대한 유량을 적분하는 단계; (d) 일정 기간의 시간의 끝에서 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 크세논의 질량을 결정하는 단계; (e) 일정 기간의 시간의 끝에서 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 크세논의 밀도 및 온도를 결정하는 단계; 및 (f) 일정 기간의 시간의 끝에서 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 크세논의 압력을 결정하는 단계;를 포함한다.

본 명세서에서 설명된 특징들, 기능들, 및 이점들은 다양한 실시예들에서 독립적으로 달성되거나, 또 다른 실시예들에서 조합될 수 있으며, 이들의 추가적인 세부사항들은 이하의 설명 및 도면들을 참조하여 알 수 있다.

도 1은 예시적인 컴퓨팅 디바이스의 블록도이다.
도 2는 위성에서 이용하기 위한 예시적인 이온 추진 시스템의 개략도이다.
도 3은 전송 이벤트 동안 두 저장 탱크들 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 4는 도 2에서 도시된 이온 추진 시스템에서의 래치 밸브의 개략적 단면도이다.
도 5는 도 2에서 도시된 이온 추진 시스템에서의 래치 밸브의 다른 개략적 단면도이다.
도 6은 크세논 압축률의 압력의 함수로서의 그래프이다.
도 7은 상이한 온도들에서의 크세논 압력의 밀도의 함수로서의 그래프이고, 각각의 곡선은 6차 다항식(sixth order polynomial equation)에 의해 수학적으로 표현된다.
도 8은 전송 이벤트 동안의 탱크 압력의 시간의 함수로서의 그래프이다.
도 9는 전송 이벤트 동안의 탱크 온도의 시간의 함수로서의 그래프이다.
도 10은 전송 이벤트 동안의 두 개의 탱크들에서의 크세논 질량의 시간의 함수로서의 그래프이다.

본 명세서에서 설명된 청구 대상(subject matter)은 일반적으로 적어도 두 개의 추진제 탱크들 간의 추진제 전송에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 청구 대상은 이온 추진 시스템에서 추진제 전송을 추정하기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.

하나의 실시예에 있어서, 본 명세서에서 설명된 방법들, 시스템들, 및 컴퓨터 판독가능 매체의 기술적 효과들은: (a) 전송 이벤트의 시작 동안 제1 탱크 및 제2 탱크 각각의 초기 압력 및 초기 온도를 기초로 하여 래치 밸브를 통한 추진제의 유량을 계산하는 것; (b) 전송 이벤트의 종료 전에 중간시점(intermediate time)에서 끝나는 일정 기간의 시간(a period of time)에 대하여 래치 밸브를 통해 전송된 추진제의 질량을 적어도 부분적으로 유량을 기초로 하여 계산하는 단계; 및 (c) 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의(intermediate) 압력을 결정하는 것; 중의 적어도 하나를 포함한다.

본 명세서에서 사용될 때, "a" 또는 "an"과 함께 표현되거나 단수로 언급된 구성요소(element) 또는 단계(step)는 명시적으로 그 예외가 언급되지 않으면 복수의 구성요소들 또는 단계들을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 게다가, 본 발명의 "하나의 구현예(one implementation)" 또는 "예시적인 구현예(exemplary implementation)"에 대한 서술들은 언급된 특징들을 포함하는 추가적인 구현예들의 존재를 배제하는 것으로 해석되도록 의도된 것이 아니다.

본 명세서에서 설명된 예시적인 방법들 및 시스템들은 하나 이상의 제어기(controller)들 상에서 구현될 수 있고, 및/또는 하나 이상의 제어기을 포함할 수 있다. 제어기들은 상술한 바와 같이 수행할 수 있는 아날로그 및/또는 디지털 제어기들의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 제어기는 컴퓨팅 디바이스를 포함한다. 도 1은 추진제 전송을 추정하기 위한 시스템에서 이용될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 디바이스(computing device)(100)의 블록도이다. 예시적인 구현예에서, 컴퓨팅 디바이스(100)는 프로그램된 인스트럭션(instruction)들을 실행하기 위하여 메모리(106) 및 메모리(106)에 연결된 프로세서(processor)(104)를 포함한다. 프로세서(104)는 (예컨대, 멀티-코어(multi-core) 구성으로) 하나 이상의 처리 유닛(processing unit)들을 포함할 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(100)는 메모리(106) 및/또는 프로세서(104)를 프로그래밍함으로써 본 명세서에서 설명된 하나 이상의 오퍼레이션(operation)들을 수행하도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(104)는 오퍼레이션을 하나 이상의 실행가능한 인스트럭션들로 인코딩(encoding)하고 실행가능한 인스트럭션들을 메모리 디바이스(memory device)(106)에서 제공함으로써 프로그램될 수 있다.

프로세서(104)는 범용 CPU(central processing unit), 마이크로컨트롤러(microcontroller), RISC (reduced instruction set computer) 프로세서, ASIC(application specific integrated circuit), PLC(programmable logic circuit), 및/또는 본 명세서에서 설명된 기능들을 실행할 수 있는 임의의 다른 회로 또는 프로세서를 포함하되, 이에 한정되지 않는다. 본 명세서에서 설명된 방법들은 제한 없이 저장 장치(storage device) 및/또는 메모리 디바이스를 포함하는 컴퓨터-판독가능 매체에서 구체화되는 실행가능한 인스트럭션들로서 인코딩될 수 있다. 프로세서(104)에 의해서 실행될 때, 이러한 인스트럭션들은 프로세서(104)가 본 명세서에서 설명된 방법들 중의 적어도 일부를 수행하도록 한다. 상술한 예들은 단지 예시적인 것이어서, 프로세서라는 용어의 정의 및/또는 의미를 어떤 식으로든 제한하려고 의도된 것이 아니다.

본 명세서에서 설명된 바와 같이, 메모리 디바이스(106)는 실행가능한 인스트럭션들 및/또는 다른 데이터와 같은 정보가 저장 및 검색되는 것을 가능하게 하는 하나 이상의 장치들이다. 메모리 디바이스(106)는 제한 없이 DRAM(dynamic random access memory), SRAM(static random access memory), 솔리드 스테이트 디스크(solid state disk), 및/또는 하드 디스크(hard disk)와 같은 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 매체를 포함할 수 있다. 메모리 디바이스(106)는 제한 없이 유지보수 이벤트 로그(maintenance event log), 진단 항목들(diagnostic entries), 오류 메시지들(fault message), 및/또는 본 명세서에서 설명된 방법들 및 시스템들과 함께 이용하기에 적절한 임의의 다른 데이터 타입을 저장하도록 구성될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 컴퓨팅 디바이스(100)는 프로세서(104)에 연결된 프리젠테이션 인터페이스(presentation interface)(108)를 포함한다. 프리젠테이션 인터페이스(108)는 예컨대 설치 데이터, 설정 데이터, 테스트 데이터, 에러 메시지들, 및/또는 임의의 다른 타입의 데이터와 같은 정보를 사용자에게 출력한다(예컨대, 디스플레이, 프린트, 및/또는 이와 달리 출력한다). 예를 들어, 프리젠테이션 인터페이스(108)는 CRT(cathode ray tube), LCD(liquid crystal display), LED(light-emitting diode) 디스플레이, OLED(organic LED) 디스플레이, 및/또는 "전자 잉크(electronic ink)" 디스플레이와 같은 디스플레이 디바이스에 연결된 디스플레이 어댑터(display adapter)(도 1에서 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 프리젠테이션 인터페이스(108)는 둘 이상의 디스플레이 디바이스를 포함한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 프리젠테이션 인터페이스(108)는 프린터를 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 컴퓨팅 디바이스(100)는 사용자(114)로부터 입력을 수신하는 입력 인터페이스(input interface)(110)를 포함한다. 예를 들어, 입력 인터페이스(110)는 본 명세서에서 설명된 방법들 및 시스템들과 함께 사용하기에 적절한 사용자(114)로부터의 선택들, 요청들, 크레덴셜(credential)들, 및/또는 임의의 다른 타입의 입력들을 수신하도록 구성될 수 있다. 예시적인 구현예에서, 입력 인터페이스(110)는 프로세서(104)에 연결되고, 예를 들어, 키보드, 카드 리더(card reader)(예컨대, 스마트카드 리더(smartcard reader)), 포인팅 디바이스(pointing device), 마우스, 스타일러스(stylus), 접촉 감지 패널(touch sensitive panel)(예컨대, 터치 패드 또는 터치 스크린), 자이로스코프(gyroscope), 가속도계(accelerometer), 위치 검출기(position detector), 및/또는 오디오 입력 인터페이스(audio input interface)를 포함할 수 있다. 터치 스크린과 같은 하나의 컴포넌트(component)가 프리젠테이션 인터페이스(108)의 디스플레이 디바이스 및 입력 인터페이스(110) 양쪽 모두로서 기능할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 컴퓨팅 디바이스(100)는 메모리(106) 및/또는 프로세서(104)에 연결된 통신 인터페이스(112)를 포함한다. 통신 인터페이스(communication interface)(112)는 다른 컴퓨팅 디바이스(100)와 같은 원격 디바이스(remote device)와 통신하게 연결된다. 예를 들어, 통신 인터페이스(112)는 제한 없이 유선 네트워크 어댑터(wired network adapter), 무선(wireless network adapter), 및/또는 모바일 통신 어댑터(mobile telecommunications adapter)를 포함할 수 있다.

오퍼레이팅 시스템(operating system)들 및 애플리케이션(application)들을 위한 인스트럭션들은 본 명세서에서 설명된 프로세스들 중의 하나 이상을 수행하기 위하여 프로세서(104)에 의한 실행을 위해서 비일시적인(non-transitory) 메모리(106) 상에 함수적인 형태로 존재한다. 상이한 구현예들에서 이러한 인스트럭션들은 메모리(106)와 같은 상이한 물리적인(physical) 또는 유형의(tangible) 컴퓨터 판독가능 매체 또는 컴퓨터 판독가능 매체(computer-readable media)(118)와 같은 다른 메모리 상에서 구체화될 수 있고, 이것은 제한 없이 플래시 드라이브(flash drive), CD-ROM, 썸 드라이브(thumb drive), 플로피 디스크(floppy disk) 등을 포함할 수 있다. 게다가, 인스트럭션들은 제한 없이 플래시 드라이브, CD-ROM, 썸 드라이브, 썸 드라이브, 플로피 디스크 등을 포함할 수 있는 비일시적인 컴퓨터 판독가능 매체(118) 상에서 함수 형태로 존재한다. 컴퓨터 판독가능 매체(118)는 프로세서(104)에 의한 액세스 및/또는 실행을 허용하기 위하여 선택적으로 컴퓨팅 디바이스(100)에 삽입가능(insertable) 및/또는 컴퓨팅 디바이스(100)로부터 제거가능(removable)하다. 하나의 예에 있어서, 컴퓨터 판독가능 매체(118)는 CD/DVD 드라이브에 삽입되거나 배치되는 광(optical) 또는 자기(magnetic) 디스크 또는 메모리(106) 및/또는 프로세서(104)와 연계된 다른 장치를 포함한다. 몇몇 예들에서, 컴퓨터 판독가능 매체(118)는 착탈가능하지 않을 수 있다.

도 2는 예시적인 이온 추진 시스템(200)의 일부의 개략도이다. 예시적인 구현예에서, 이온 추진 시스템(200)은 추진제로서 크세논(xenon)을 이용하는 크세논 이온 추진 시스템이다. 다른 구현예들에서, 시스템(200)은 임의의 적절한 추진제를 이용하는 임의의 다른 적절한 타입의 이온 추진 시스템일 수 있다. 게다가, 예시적인 구현예에서, 이온 추진 시스템(200)은 위성(도시되지 않음)에 설치된다. 대안적으로, 이온 추진 시스템(200)은 임의의 적절한 우주선에 설치될 수 있다. 제어기(202)는 이온 추진 시스템(200)의 오퍼레이션을 제어한다. 제어기(202)는 이온 추진 시스템(200)을 제어하는 데에만 할애될 수 있고, 또는 위성에서 다른 컴포넌트들 및/또는 시스템들을 또한 제어할 수 있다. 제어기(202)는, 예를 들어, 위치유지(stationkeeping), 모멘텀 관리(momentum management)를 수행하기 위해서, 그리고 온-오비트 사양(on-orbit specification)들 내에서의 포인팅(pointing)을 유지하기 위해서 이온 추진 시스템(200)을 제어한다. 몇몇 구현예들에서, 제어기(202)는 컴퓨팅 디바이스(100)(도 1에서 도시됨)를 포함한다.

이온 추진 시스템(200)은 내장된 리던던시(built-in redundancy)를 가지고 설계된다. 이온 추진 시스템(200)은 두 개의 실질적으로 동일한 서브시스템들, 즉 제1 하프(half)(204) 및 제2 하프(206)를 포함하는데, 이들 각각은 위성의 모든 추진 기능들을 수행할 수 있다. 이온 추진 시스템(200)의 각각의 하프(204 및 206)는 이온 추진 시스템(200)을 위한 추진제를 저장하는 그 자신의 탱크, 즉 제1 탱크(208) 및 제2 탱크(210)를 포함한다. 각각의 하프(204 및 206)는 탱크들(208 및 210)로부터 추진제가 공급되는 스러스터(thruster)(212)들을 포함한다. 밸브(214)들은 탱크(208 또는 210)로부터 스러스터(212)들로 추진제를 안내하도록 제어기(202)에 의해서 선택적으로 제어된다. 압력 센서(218)들 및 온도 센서(220)들은 탱크들(208 및 210)에서 압력 및 온도를 감지한다. 예시적인 구현예는 두 개의 실질적으로 동일한 서브시스템들(즉, 하프들(204 및 206))을 포함하지만, 이들 각각은 두 개의 스러스터(212)들을 포함한다. 다른 구현예들은 실질적으로 더욱 동일한 여분의(redundant) 시스템들을 포함할 수 있고, 이들 각각은 둘 이상의 스러스터(212)들을 포함할 수 있다.

하프들(204 및 206)은 래치 밸브(216)에 의해 분리되어 있다. 래치 밸브(216)는 두 개의 하프들 사이에서 미케니컬 씰링(mechanical sealing)을 제공한다. 원하는 경우에, 래치 밸브(216)는 제1 탱크(208) 및 제2 탱크(210) 사이에서 크세논의 전송을 허용하기 위하여 개방될 수 있어서, 다른 탱크(210 또는 208)로부터 크세논을 받는 탱크(208 또는 210)를 포함하는 하프(204 또는 206)의 동작 수명(operational life)을 연장시킬 수 있다. 추진제는 탱크들(208 및 210) 간의 상이한 압력으로 인해서 탱크들(208 및 210) 사이에서 전송된다. 래치 밸브(216)가 개방된 때, 추진제는 더 높은 압력에 있는 어느 하나의 탱크(208 또는 210)로부터 더 낮은 압력에서 추진제를 가지고 있는 탱크(210 또는 208)로 흐른다. 압력이 동일하게 되거나 래치 밸브(216)가 폐쇄될 때까지 일반적으로 전송은 계속된다. 예시적인 구현예에서, 래치 밸브(216)의 개방 및 폐쇄는 (사용자(114)에 의해 작동되게 위치한 지상 기반(ground based) 컴퓨팅 디바이스(100)와 같은) 원격 컴퓨팅 디바이스로부터 수신된 인스트럭션에 응답해서 제어기(202)에 의하여 제어된다.

추진제가 하나의 탱크(208 또는 210)로부터 흘러나와 래치 밸브(216)를 통해서 다른 탱크(210 또는 208) 안으로 흐를 때, 시스템에서 다양한 변화가 일어난다. 구체적으로는, 탱크들(210 및 208) 내의 압력들이 변하고, 추진제의 온도가 변하고, 각각의 탱크(208 및 210) 내의 추진제의 질량이 변하고, 추진제의 밀도가 변할 수 있다. 극히 차가운(extremely cold) 온도로 인하여 래치 밸브(216) 또는 다른 컴포넌트들에 대한 손상이 일어나는 것을 방지하기 위하여 온도들의 주의깊은 제어가 중요하다. 게다가, 추진제의 온도는 추진제의 상(phase)이 바뀌는 역치값(threshold value) 아래로 내려가는 것이 방지되어야 한다. 예시적인 구현예에서, 예를 들어, 압력이 5.841 MPa (847 psia) 아래로 가는 것이 허용된다면, 크세논 추진제는 16.7 ℃ (62.1 ℉) 위에서 유지되어야 한다. 이 온도 아래에서, 크세논은 액체상(liquid phase)으로 전이될 것이다. 게다가, 이 역치 주변에서, 크세논 추진제는 기체 및 액체 둘 다로 존재할 수 있고, 이것은 탱크들(208 및 210) 사이에서 전송되는 추진제의 질량을 결정하는 것을 복잡하게 할 수 있다.

도 3은 탱크들(208 및 210) 간의 크세논의 전송과 같이, 전송 이벤트 동안 두 탱크들 간의 추진제의 전송을 추정하는 방법(300)의 흐름도이다. 예시적인 구현예에서, 방법(300)은 컴퓨팅 디바이스(100)와 같은 지상 기반 컴퓨팅 디바이스에서 구현된다. 지상 기반 컴퓨팅 디바이스(100)는, 센서 데이터를 수신하고 탱크들(208 및 210) 사이에서 추진제를 전송하도록 (제어기(202)를 통하여) 래치 밸브(216)를 제어하기 위하여 이온 추진 시스템(200)을 포함하는 위성과 (예컨대, 통신 인터페이스(112)를 통하여) 통신한다. 이와 달리, 방법(300)은 제어기(202)에서 구현될 수 있다. 게다가, 방법(300)은 둘 이상의 제어기 및/또는 컴퓨팅 디바이스를 통해서 구현될 수 있다. 예를 들어, 방법(300)의 하나 이상의 단계들은 제어기(202)에 의해서 수행될 수 있는 반면, 하나 이상의 다른 단계들은 지상 기반 컴퓨팅 디바이스(100)에 의해 수행될 수 있다. 도 3에서, XT1는 제1 탱크(208)이고, XT2는 제2 탱크(210)이고, XLV9는 래치 밸브(216)이고, Xe는 크세논이고, PXT1은 제1 탱크(208) 안의 압력이고, PXT2는 제2 탱크(210) 안의 압력이다.

각각의 탱크(208 및 210) 안에서 크세논 추진제의 초기 질량이 존재한다. 302에서, 전송 이벤트가 시작되기 전에, 탱크들(208 및 210) 각각을 위해서 초기 압력 및 온도가 기록된다. 컴퓨팅 디바이스(100)는 압력 센서(218)들 및 온도 센서(220)들로부터 각각의 탱크(208 및 210)에 대한 압력 및 온도를 수신하고, 초기값들을 메모리 디바이스(106)에 저장한다. 메모리 디바이스(106)는 추진제의 속성들에 대한 상세한 데이터를 포함한다. 예시적인 구현예에서, 추진제는 크세논이고, 상세한 데이터는 내장된 NIST(National Institute of Standards and Technology) 크세논 속성 테이블을 포함한다. 컴퓨팅 디바이스(100)는 기지의 압력 및 온도를 기초로 하여 각각의 탱크(208 및 210)에서의 크세논의 초기 밀도를 NIST 테이블로부터 결정한다.

단계 302에서, 방법(300)을 위한 시간 간격(timestep) 또한 설정된다. 시간 간격은 시스템(200)의 순간적인 상태(instantaneous state)가 방법(300)에 따라서 얼마나 자주 추정되고/갱신되는지를 결정한다. 예시적인 구현예에서, 시간 간격은 오퍼레이터(operator)/사용자(114)에 의해서 수동으로 선택된다. 다른 구현예들에서, 시간 간격은 미리 설정된(preset) 시간 간격일 수 있다. 시간 간격의 길이는 임의의 적절한 시간 길이일 수 있지만, 전송 이벤트 동안 복수의 추정들이 행하여지는 것을 가능하게 하기 위해서 전송 이벤트의 예상된 길이보다 일반적으로 현저하게 더 작다. 하나의 구현예에서, 시간 간격은 5초이다. 다른 구현예들에서, 시간 간격은 대략 수 초, 수 분, 또는 수 시간일 수 있다. 더 긴 시간 간격들은 추정에 있어서 정확성 및 세밀성(granularity)을 감소시킬 수 있지만, 컴퓨팅 디바이스(100) 상에서의 연산 부담(computational burden) 또한 감소시킬 수 있다.

초기값들이 단계 302에서 설정된 후에, 304에서, 컴퓨팅 디바이스(100)는 어느 탱크(208 또는 210)가 더 높은 압력에서 크세논을 포함하는지를 결정한다. 이 예에서, 제1 탱크(208)의 압력은 제2 탱크(210)의 압력보다 더 크지 않고, 방법(300)은 단계 306에서 계속된다. 제1 탱크(208)의 압력이 제2 탱크(210)의 압력보다 더 컸다면, 방법(300)은 단계 307로 계속될 것이다. 단계 307 이후의 방법(300)의 나머지는 설명지되 않을 것이고, 이하에서 언급된 것을 제외하고는 본 명세서에서 설명된 방법(300)의 나머지와 실질적으로 동일할 것이다.

어느 탱크가 추가적인 크세논을 받아들이고 있을 것인지 및 어느 탱크가 크세논을 잃고 있을 것인지를 식별하기 위하여 필요하다는 점 외에도, 크세논의 흐름의 방향은 크세논의 유량의 적절한 계산을 위해 필요하다. 상술한 바와 같이, 크세논이 탱크들(208 및 210) 사이에서 흐를 때, 크세논은 밸브(216)를 통해서 흐른다. 도 4 및 도 5는 래치 밸브(216)의 단순화된(simplified) 단면들이다. 래치 밸브(216)를 통한 흐름의 방향은 화살표 400(도 4) 및 500(도 5)에 의해서 표시된다. 화살표(400)들은 제1 탱크(208)로부터 제2 탱크(210)로의 추진제의 흐름을 나타낸다. 화살표(500)들은 제2 탱크(210)로부터 제1 탱크(208)들로의 추진제의 흐름을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 래치 밸브(216)는 밸브를 통한 흐름의 방향에 대해 대칭적이지 않다. (도 4에서 도시된 바와 같이) 추진제가 래치 밸브(216)를 통해서 탱크(208)로부터 탱크(210)로 전송될 때, 밸브(216)를 통한 흐름은 샤프 에지 오리피스(sharp edge orifice)를 통한 흐름이다. (도 5에서 도시된 바와 같이) 추진제가 탱크(210)로부터 탱크(208)로 전송될 때, 밸브(216)를 통한 흐름은 노즐(nozzle)을 통한 흐름이다. 노즐 흐름 및 샤프 에지 오리피스 흐름의 상이한 특성이 탱크들(208 및 210) 사이에서 추진제의 흐름의 특성을 결정하는 데에 고려된다.

단계 308에서, 각각의 탱크(208 및 210) 내의 크세논 추진제의 부피는 각각의 탱크(208 및 210)에 대한 초기 압력을 기초로 하여 계산된다. 단계 310에서 탱크들(208 및 210) 사이에서의 크세논의 유량이 계산된다. 탱크(208)로부터 탱크(210)로의 추진제의 유량을 결정하기 위해 이용되는 방정식은 오리피스/노즐 압축 흐름 방정식(compressible flow equation)이다. 이 방식식은 다음과 같이 표현될 수 있다:

(1)

여기서,

는 유량(flowrate)이고,

는 방출 계수(discharge coefficient), A는 흐름 면적(flow area)이고, g는 중력 상수(gravitational constant)이고,

는 기체의 비열(specific heat)이고, R는 기체 상수(gas constant)이고, T는 기체의 온도이고,

는 업스트림 압력(upstream pressure)이고,

는 다운스트림 압력(downstream pressure)이고,

는

-

이다. 방정식 (1)에서, PR은 다음과 같다:

(2)

래치 밸브(216)를 통한 흐름의 방향의 차이는 방정식 (1)에서 방출 계수

에서 고려된다. 설명되고 있는 노즐 흐름 방향(예컨대, 도 5에서 도시된 탱크(210)로부터 탱크(208)로의 흐름(500))에 대해서, 밸브를 통한 분사 영역(jet area)의 방출 계수

는 고정되어 있고 탱크 압력들의 비(ratio)에 대해 독립적이다. 예시적인 구현예에서, (마찰 손실을 포함하는) 노즐 흐름 방출 계수

는 약 0.95이다. 샤프 에지 오리피스에 대해서(예컨대, 도 4에서의 흐름(400), 본 명세서에서 설명되지 않은 방법(300)의 경로), 방출 계수

는 가변적(variable)이다. 구체적으로는, 압력들의 비(즉,

)가 변함에 따라서 방출 계수가 변한다. 래치 밸브(216)에 대해서, 샤프 에지 오리피스 방향에서의 방출 계수

는 0.62에서부터 0.87까지 변한다. 탱크들(208 및 210) 간의 압력 차이가 가장 낮을 때, 방출 계수

가 가장 낮다. 압력 차이가 가장 클 때, 방출 계수

가 가장 크다. 그래서, 제1 탱크(208)가 제2 탱크(210)보다 더 큰 압력을 가지고, 방법(300)이 단계 308로 진행할 때, 방출 계수

는 유량이 계산될 때마다 순간적인 압력 비

에 따라서 변한다.

단계 312에서, 방정식 (1)의 유량은 시간 간격 동안 전송되는 크세논의 양을 결정하기 위하여 선택된 시간 간격에 대해 적분된다(integrated). 제1 관통(pass through) 방법(300)에 대해서, 제1 시간 간격은 밸브(216)가 개방될 때 시작된다(즉, 전송 이벤트의 시작). 제1 시간 간격의 끝은 전송 이벤트의 시작 이후 및 전송 이벤트의 종료 전의 중간시점이다. 각각의 추후의 시간 간격은 이전 시간 간격의 끝에서 시작된다.

시간 간격의 끝에서, 중간시점에서 각각의 탱크(208 및 210)에서의 크세논의 양은 314에서 계산된다. 적분된 질량 흐름(mass flow)(즉, 당해 시간 간격 동안 흐른 크세논의 전체 질량)은 받는(receiving) 제1 탱크(208)에 더해지고, 주는(giving) 제2 탱크(210)로부터 빼진다. 단계 316 - 320에서, 중간시점에서의 탱크들(208 및 210) 안의 크세논의 온도, 밀도, 및 압력은 탱크들(208 및 210)에서의 갱신된 질량들 및 메모리(106)에 저장된 크세논 속성들을 기초로 하여 결정된다. 온도, 밀도, 및 압력의 이러한 결정된 값은 때때로 중간시점의 값(intermediate value) 및/또는 순간적인 값(instantaneous value)이라고 본 명세서에서 지칭된다.

더욱 구체적으로, 컴퓨팅 디바이스(100)는 폴리트로픽(polytropic) 상태를 가정해서 두 탱크들(208 및 210)에서의 밀도 및 온도 변화를 갱신한다. 폴리트로픽 프로세스는, 가역적(reversible)이고 관계식

를 따르는 열역학(thermodynamic) 프로세스이며, P는 압력이고, V는 부피이고, 폴리트로픽 지수(polytropic index) n은 임의의 실수이고, C는 상수이다. 프로세스가 일정한 온도로 이루어지는 경우(등온 프로세스(isothermal process))에,

이다. 프로세스에서 아무런 열 전달이 없는 경우(단열 프로세스(adiabatic process))에,

, 기체의 비열의 비(ratio)이다. 매우 낮은 밀도에서, 모든 기체들 및 증기(vapor)들은 이상 기체(ideal gas)의 거동에 접근하고, P-V-T 관계는 이상 기체 방정식 거동에 의해 주어진다. m은 질량이고, R은 기체 상수이고, T는 온도인 이상 기체 상태 방정식

은 낮은 밀도에서 양호한 근사식이다. 하지만, 더 높은 밀도에서, 거동은 이러한 이상 기체 상태 방정식에서 실질적으로 벗어난다. 이후, 기체 방정식은 압축성 물질(compressible substance)의 방정식으로서 표현되어야 한다:

(3)

여기서, Z = 압축률 인자(compressibility factor)(이상 기체에 대해 Z = 1). 도 6은 압력에 대한 크세논의 압축률 인자 Z의 그래프이다. 1(unity)로부터의 Z의 편차(deviation)는 이상 기체 상태 방정식으로부터의 실제 관계의 측정치이고, 크세논에 대해 상당한(substantial) 것이다. 상술한 바와 같이, 컴퓨팅 디바이스(100)는 내장된 NIST 크세논 속성 테이블을 포함한다. 이 속성들은 도 7에서 도시된 바와 같이 56℉에서부터 100℉까지 범위의 각각의 온도에서의 크세논 밀도 대 압력을 포함한다. 압축률이 이미 고려되었다. 방법(300)은 또한 질량 전송이 계산될 때 압력이 변하면서 탱크 부피들이 변하는 것을 고려한다. 폴리트로픽 프로세스 하의 탱크들(208 및 210)의 온도는 다음과 같이 표현될 수 있다:

(4)

또는

(5)

여기서,

. 탱크들(208 및 210)의 폴리트로픽 계수들은 실험에 의해 결정된다. 예를 들어, 데이터는 래치 밸브(216)의 일련의 개폐들로 수집될 수 있고, 계수들을 계산하기 위해 이용될 수 있다. 하나의 구현예에서, 계수들은 30 초에 달하는 개방시간을 가지고 5개의 밸브 개폐 시퀀스(open/close sequences)로부터의 데이터를 기초로 하여 결정되었다.

컴퓨팅 디바이스(100)는 단계 318에서 각각의 탱크(208 및 210)에서의 변화된 질량에 관해 순간적인 밀도(

) 및 순간적인 온도(

)를 갱신한다. 이후에, 320에서, 결정된

및

에 대해 순간적인 압력(

)가 다음의 방정식에 따라서 결정될 수 있다:

(6)

방정식 (6)은 또한 다음과 같이 표현될 수 있다:

(7)

게다가, 몇몇 구현예들에서, 순간적인 압력은 순간적인 온도에서의 순간적인 밀도를 기초로 하여 결정된다. 이러한 결정들은 일련의 방식정식들을 이용해서 각각의 온도 또는 온도들 범위에 대해 하나씩 만들어진다. 이 방정식들은 일반적으로 다음과 같은 형태를 취하는 6차 다항식들이다:

에서,

(8)

여기서, A, B, C, D, E, F, 및 G는 상수이고,

는

이다.

단계 322에서, 압력들이 같아졌는지 여부를 결정하기 위하여 탱크들(208 및 210)에서의 중간시점의 압력이 비교된다. 만일 압력이 같아졌다면, 크세논 추진제의 이동이 324에서 완료된다. 만일 압력이 같아지지 않았다면, 방법(300)은 단계 308로 돌아가서, 단계 308 - 322가 반복된다. 이러한 반복은 탱크들(208 및 210)의 압력이 실질적으로 같아질 때까지 계속된다.

몇몇 구현예들에서, 방법(300)은 또한 단계 320과 단계 322 사이에서 온도 체크(check)를 포함한다. 320에서 탱크들(208 및 210) 내의 압력을 갱신한 후에, 컴퓨팅 디바이스는 탱크들 208 및 210 중의 어느 한쪽에 대해 결정된 온도가 역치값보다 작은지 여부를 결정한다. 몇몇 구현예들에서 역치값은 추진제가 액체로 전이될(transition) 온도 더하기 어느 정도의 안전 마진(safety margin)이다. 부가적으로 또는 대안적으로, 역치는 시스템(200)의 하나 이상의 컴포넌트들이 손상을 입을 수 있는 온도보다 높은 온도일 수 있다. 만일 결정된 온도가 역치값보다 작다면, 전송 이벤트는 종료되고 래치 밸브(216)가 폐쇄된다. 만일 온도들이 역치값 위에서 유지되면, 방법(300)은 단계 322로 계속된다.

전송 이벤트 동안 일어나는 것으로 설명되었지만, 방법(300)은 실제 전송 이벤트에 앞서 및/또는 실제 전송 이벤트 동안 전송 이벤트를 시뮬레이션하고 추정하기 위해 이용될 수 있다. 그래서, 오퍼레이터는 예를 들어, 현재의 온도, 압력, 밀도, 및 질량 값들을 기초로 하여 전송 이벤트를 시뮬레이션하기(simulate) 위해 방법(300)을 이용할 수 있다. 전송을 시뮬레이션함으로써, 오퍼레이터는 (예컨대, 탱크들(208 및 210)에서의 압력이 같아질 때까지) 전송 완료(complete transfer)가 얼마나 많은 시간을 필요로 할지, 온도를 너무 낮게 떨어뜨리지 않으면서 전송 완료가 일어날 수 있는지 여부, 최대로 가능한 전송보다 더 적은 원하는 전송을 달성하기 위하여 전송 이벤트가 얼마나 오래 지속되어야 하는지 등을 결정할 수 있다.

몇몇 구현예들에서, 방법(300)은 (컴퓨팅 디바이스(100) 및/또는 제어기(202)와 같은) 제어기에 의해 수행되고, 전송 이벤트를 제어하는 데 이용된다. (스케줄에 따른 것이든, 수신된 명령에 대한 응답으로서든) 전송 이벤트를 시작하기로 결정한 때, 제어기는 래치 밸브(216)를 개방하고 방법(300)을 수행한다. 압력이 같아졌거나 또는 하나의 탱크(208 또는 210)에서의 추진제의 온도가 너무 낮다고 제어기가 결정한 경우에, 제어기는 래치 밸브(216)를 폐쇄한다.

도 8-10은 시뮬레이션된 전송 이벤트 동안의 탱크들(208 및 210)에 대한 크세논의 탱크 압력(도 8), 탱크 온도(도 9), 및 질량(도 10)의 그래프들이다. 도 8-10에서의 데이터는 방법(300)을 실행하는 컴퓨팅 디바이스에 의해서 생성되었다. 도 8-10에서, Xe 탱크 1은 제1 탱크(208)이고, Xe 탱크 2는 제2 탱크(210)이며, 전송은 탱크(210)로부터 탱크(208)로의 전송이다. 알 수 있는 바와 같이, 완전한 전송 이벤트는 탱크들(208 및 210)에서의 압력이 같아질 때까지 약 2150초가 지속될 것이다. 도 9에서 보이는 바와 같이, 전송 이벤트 동안 (크세논을 받는) 탱크(208)의 온도는 약간 증가하고, (크세논을 잃는) 탱크(210)의 온도는 상당히 감소할 것이다. 전송 이벤트로의 약 900 초에서, 탱크(210)의 온도는 16.7 ℃ (62.1 ℉) 아래로 떨어질 것이다. 이 시간이 넘으면, 온도는 크세논이 기체에서 액체로 전이할 수 있기에 충분히 낮다. 따라서, 실제 전송 이벤트는 일반적으로 크세논 기체의 액체로의 전이를 막기 위해 약 900 초 전에 중단될 것이다. 하지만, 이 경우에, 탱크(210) 안의 압력은 크세논의 임계(critical) 압력 5.841 MPa (847 psia) 아래이다. 기체가 그 임계 온도 아래에 있다는 징후가 있는 동안, 압력은 기체를 액화하기 위하여 임계 온도에서 요구되는 임계값(critical value) 아래에 있다. 온도와 압력의 이러한 조합에서, 크세논은 도 7에서 보인 바와 같이 기체 형태로 남아 있다. 그래서, 이러한 방법은 유체의 상태, 즉 그것이 단일한 상(single phase)으로 있는지 또는 기체에서 액체로의 전이상태(transition)에 있는지에 대해서 오퍼레이터가 실시간으로 알게 한다.

본 명세서에서 설명된 방법들 및 시스템들은 계속해서 실시간으로 이온 추진 시스템의 두 탱크들 간의 크세논 전송의 정확한 추정을 제공한다. 시간 간격은 사용자에 의해서 정의된다. 탱크들에서의 압력, 온도, 및 밀도 정보의 지속적인 갱신은 오퍼레이터로 하여금 임의의 과도하게 적극적인(overly aggressive) 전송 오퍼레이션을 피하게 한다. 감압(decompression)을 초래하는 공여 탱크(giver tank)로부터의 크세논의 길어진 방출(prolong discharge)은 유체 온도가 너무 급하게 떨어지는 것으로 인하여 크세논을 두 개의 상 흐름(phase flow)으로 바꿀 수 있다. 임계 압력 및 온도 조건 위에서 전송이 이루어지게 함으로써, 크세논이 기체 상(gaseous phase)으로만 유지될 수 있어서 크세논 전송의 정확한 측정을 가능하게 한다. 본 방법은 흐름이 래치 밸브의 정상(normal) 방향인지 또는 반대(reverse) 방향인지에 따라서, 압축성 유체에 대한 오리피스 흐름 방정식 또는 노즐 흐름 방정식을 이용한다. 본 방법은 또한 기체 및 그 주변의 폴리트로픽 거동을 고려한다. 내장된 크세논 속성 룩업 테이블(look-up table)은 압력, 온도, 및 밀도가 매 시간 간격마다 갱신되는 것을 가능하게 한다. 몇몇 기지의 방법들과 달리, 본 발명은 크세논을 포함하여 추진제들의 압축률을 고려한다. 내장된 크세논 속성 테이블들은 압축률을 고려하는 NIST12로부터 생성된 정보를 포함한다. 그래서, 예시적인 시스템들은 매 시간 간격마다 순간적인 압력, 온도 및 질량 변화들을 적절하게 갱신할 수 있다.

항목 1: 전송 이벤트(transfer event) 동안 이온 추진 시스템(ion propulsion system)에서 제1 탱크(tank)와 제2 탱크 간의 추진제(propellant)의 전송을 추정하기 위한 방법으로서, 상기 방법은: 전송 이벤트의 시작 동안 제1 탱크 및 제2 탱크 각각의 초기 압력 및 초기 온도를 기초로 하여 제1 탱크와 제2 탱크 사이의 밸브(valve)를 통한 추진제의 유량(flow rate)을 계산하는 단계; 전송 이벤트의 종료 전에 중간시점에서 끝나는 일정 기간의 시간(a period of time)에 대하여 밸브를 통해 전송된 추진제의 질량(mass)을 적어도 부분적으로 유량을 기초로 하여 계산하는 단계; 및 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의(intermediate) 압력을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.

항목 2: 항목 1에 있어서, 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 추진제의 중간시점의 질량을 계산하는 단계; 및 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 추진제에 대한 중간시점의 밀도를 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.

항목 3: 항목 2에 있어서, 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.

항목 4: 항목 3에 있어서, 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의 압력을 결정하는 것은 결정된 중간시점의 온도 및 결정된 중간시점의 밀도를 적어도 부분적으로 기초로 하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.

항목 5: 항목 1에 있어서, 밸브를 통해 전송된 추진제의 질량을 계산하는 것은 전송 이벤트의 시작부터 중간시점까지의 시간 간격(timestep) 동안의 유량을 적분하는 것(integrating)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.

항목 6: 항목 5에 있어서, 밸브를 통해 전송된 추진제의 계산된 질량을 기초로 하여 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 추진제의 중간시점의 질량을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.

항목 7: 항목 1에 있어서, 제1 탱크 및 제2 탱크의 중간시점의 온도 및 중간시점의 압력을 기초로 하여 밸브를 통한 추진제의 중간시점의 유량을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.

항목 8: 항목 1에 있어서, 제1 탱크 또는 제2 탱크의 중간시점의 온도가 역치값(threshold value) 아래로 감소하면 전송 이벤트를 종료하기 위해 밸브를 폐쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.

항목 9: 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은: 추진제의 특성(characteristics)을 저장하는 메모리 디바이스(memory device); 및 상기 메모리 디바이스에 연결된 프로세서(processor);를 포함하고, 상기 프로세서는: 전송 이벤트의 시작 동안 제1 탱크 및 제2 탱크 각각의 초기 압력 및 초기 온도를 기초로 하여 밸브를 통한 추진제의 유량을 계산하도록 구성되고; 전송 이벤트의 종료 전에 중간시점에서 끝나는 일정 기간의 시간에 대하여 밸브를 통해 전송된 추진제의 질량을 적어도 부분적으로 유량을 기초로 하여 계산하도록 구성되고; 그리고 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의 압력을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템.

항목 10: 항목 9에 있어서, 상기 프로세서는: 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 추진제의 중간시점의 질량을 계산하도록 더 구성되고; 그리고 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 추진제에 대한 중간시점의 밀도를 결정하도록 더 구성된 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템.

항목 11: 항목 10에 있어서, 상기 프로세서는 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의 온도를 결정하도록 더 구성된 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템.

항목 12: 항목 10에 있어서, 상기 프로세서는 결정된 중간시점의 온도 및 결정된 중간시점의 밀도를 적어도 부분적으로 기초로 하여 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의 압력을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템.

항목 13: 항목 9에 있어서, 상기 프로세서는 중간시점에서 끝나는 일정 기간의 시간에 대해 유량을 적분함으로써 밸브를 통해 전송된 추진제의 질량을 계산하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템.

항목 14: 항목 13에 있어서, 상기 프로세서는 밸브를 통해 전송된 추진제의 계산된 질량을 기초로 하여 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 추진제의 중간시점의 질량을 결정하도록 더 구성된 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템.

항목 15: 항목 9에 있어서, 추진제는 크세논을 포함하고, 이온 추진 시스템은 위성을 위한 크세논 이온 추진 시스템인 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템.

항목 16: 항목 15에 있어서, 상기 프로세서는 제1 탱크 또는 제2 탱크의 중간시점의 온도가 역치값 아래로 감소하면 전송 이벤트를 종료하기 위해 밸브를 폐쇄하도록 더 구성된 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템.

항목 17: 전송 이벤트 동안 위성 기반 크세논 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 크세논의 전송을 추정하기 위한 방법으로서, 제1 탱크와 제2 탱크는 밸브에 의해서 분리되어 있고, 상기 방법은: (a) 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 크세논의 압력을 적어도 부분적으로 기초로 하여 제1 탱크 및 제2 탱크 각각의 부피를 계산하는 단계; (b) 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 크세논의 압력 및 온도를 기초로 하여 밸브를 통한 크세논의 유량을 계산하는 단계; (c) 전송 이벤트의 길이보다 작은 일정 기간의 시간(a period of time)에 대해 밸브를 통해 전송된 크세논의 질량을 결정하기 위해 일정 기간의 시간에 대한 유량을 적분하는 단계; (d) 일정 기간의 시간의 끝에서 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 크세논의 질량을 결정하는 단계; (e) 일정 기간의 시간의 끝에서 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 크세논의 밀도 및 온도를 결정하는 단계; 및 (f) 일정 기간의 시간의 끝에서 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 크세논의 압력을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 위성 기반 크세논 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 크세논의 전송을 추정하기 위한 방법.

항목 18: 항목 17에 있어서, 단계 (a)-(f)를 적어도 한 번 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 위성 기반 크세논 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 크세논의 전송을 추정하기 위한 방법.

항목 19: 항목 17에 있어서, 제1 탱크 및 제2 탱크 중의 어느 한쪽에서의 크세논의 온도가 역치 아래로 감소할 때까지 단계 (a)-(f)를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 위성 기반 크세논 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 크세논의 전송을 추정하기 위한 방법.

항목 20: 항목 17에 있어서, 제1 탱크 및 제2 탱크에서의 크세논의 압력이 실질적으로 같아질 때까지 단계 (a)-(f)를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 위성 기반 크세논 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 크세논의 전송을 추정하기 위한 방법.

본 발명의 하나 이상의 태양들은 범용(general-purpose) 컴퓨팅 디바이스가 본 명세서에서 설명된 기능들, 방법들, 및/또는 프로세스들을 수행하도록 구성될 때 범용 컴퓨팅 디바이스를 특수용(special-purpose) 컴퓨팅 디바이스로 변환한다고 이해되어야 한다.

글로 작성된 이러한 설명은, 통상의 기술자(any person skilled in the art)가 임의의 장치들 또는 시스템들의 제작 및 이용과 임의의 통합된 방법의 수행을 포함한 실시예들을 실시하는 것이 가능하도록, 베스트 모드(best mode)를 포함한 다양한 구현예들을 공개하기 위하여 예시들을 이용한다. 특허청구범위는 청구항들에 의해서 정의되며, 통상의 기술자에게 떠오르는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들은, 이들이 청구항들의 문언적 표현(literal language)과 다르지 않은 구성적 구성요소(structural element)들을 가지거나 이들이 청구항들의 문언적 표현과는 경미한 차이를 가지는 등가적인 구성적 구성요소들을 포함한다면, 청구항들의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims

전송 이벤트(transfer event) 동안 이온 추진 시스템(ion propulsion system)에서 제1 탱크(tank)와 제2 탱크 간의 추진제(propellant)의 전송을 추정하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
전송 이벤트의 시작 동안 제1 탱크 및 제2 탱크 각각의 초기 압력 및 초기 온도를 기초로 하여 제1 탱크와 제2 탱크 사이의 밸브(valve)를 통한 추진제의 유량(flow rate)을 계산하는 단계;
전송 이벤트의 종료 전에 중간시점에서 끝나는 일정 기간의 시간(a period of time)에 대하여 밸브를 통해 전송된 추진제의 질량(mass)을, 적어도 부분적으로 유량을 기초로 하여, 계산하는 단계; 및
중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의(intermediate) 압력을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서,
중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 추진제의 중간시점의 질량을 계산하는 단계; 및
중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 추진제에 대한 중간시점의 밀도를 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.
청구항 2에 있어서,
중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.
청구항 3에 있어서,
중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의 압력을 결정하는 것은 결정된 중간시점의 온도 및 결정된 중간시점의 밀도를 적어도 부분적으로 기초로 하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서,
밸브를 통해 전송된 추진제의 질량을 계산하는 것은 전송 이벤트의 시작부터 중간시점까지의 시간 간격(timestep) 동안의 유량을 적분하는 것(integrating)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.
청구항 5에 있어서,
밸브를 통해 전송된 추진제의 계산된 질량을 기초로 하여 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에서의 추진제의 중간시점의 질량을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서,
제1 탱크 및 제2 탱크의 중간시점의 온도 및 중간시점의 압력을 기초로 하여 밸브를 통한 추진제의 중간시점의 유량을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서,
제1 탱크 또는 제2 탱크의 중간시점의 온도가 역치값(threshold value) 아래로 감소하면 전송 이벤트를 종료하기 위해 밸브를 폐쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하기 위한 방법.
전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은:
추진제의 특성(characteristics)을 저장하는 메모리 디바이스(memory device); 및
상기 메모리 디바이스에 연결된 프로세서(processor);를 포함하고,
상기 프로세서는:
- 전송 이벤트의 시작 동안 제1 탱크 및 제2 탱크 각각의 초기 압력 및 초기 온도를 기초로 하여 밸브를 통한 추진제의 유량을 계산하도록 구성되고;
- 전송 이벤트의 종료 전에 중간시점에서 끝나는 일정 기간의 시간에 대하여 밸브를 통해 전송된 추진제의 질량을, 적어도 부분적으로 유량을 기초로 하여, 계산하도록 구성되고; 그리고
- 중간시점에 대해 제1 탱크 및 제2 탱크 각각에 대한 중간시점의 압력을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템.
청구항 9에 있어서,
추진제는 크세논(xenon)을 포함하고, 이온 추진 시스템은 위성을 위한 크세논 이온 추진 시스템인 것을 특징으로 하는 전송 이벤트 동안 이온 추진 시스템에서 제1 탱크와 제2 탱크 간의 추진제의 전송을 추정하는 데 이용하기 위한 시스템.