軌道用のプロトタイプ燃料計

液体は、地球上と同じように宇宙で振る舞うことはありません。宇宙船の内部では、微小重力によって液体が自由に動き回ります。この振る舞いにより、衛星の燃料量を特定することが困難になりましたが、新しいプロトタイプの燃料計が解決策を提供する可能性があります。ゲージは、電気的特性に基づいて流体の3D形状をデジタルで再現できます。この設計は、衛星の衝突を防ぎ、衛星をより長く運用し続けるのに役立つ信頼性の高い測定値を衛星オペレーターに提供する可能性があります。

衛星のタンクを空にすると、他の衛星に衝突して危険な破片の雲が発生するのを防ぐために、燃料なしで元の軌道に座礁したままになる可能性があります。衝突の可能性を減らすために、オペレーターは最後の数滴の燃料を節約して、機能している宇宙船から数百キロ離れた墓地軌道に衛星を放出します。ただし、その過程で燃料を浪費している可能性があります。

何十年もの間、宇宙で燃料を測定することは正確な​​科学ではありませんでした。最も頻繁に依存する方法の1つは、各推力で燃焼している燃料の量を推定し、タンク内の燃料の量からその量を差し引くことです。この方法は、タンクが満杯に近い最初の段階では非常に正確ですが、各推定値の誤差は次の推定値に続き、すべての推力が加わります。タンクが低くなるまでに、見積もりは大まかな推測のようになり、10％もマークを外す可能性があります。信頼できる測定がなければ、オペレーターは燃料がまだタンクに残っている衛星を早期引退に送り、かなりの金額をテーブルに残す可能性があります。

新しいゲージのコンセプトは、電気容量ボリュームトモグラフィー（ECVT）として知られる低コストの3Dイメージング技術を利用しています。 CTスキャナーのように、ECVTはさまざまな角度で測定を行うことにより、オブジェクトの形状を概算できます。しかし、X線を照射する代わりに、電極は電界を放出し、電荷または静電容量を蓄える物体の能力を測定します。

研究者は、ソフトリソグラフィーと呼ばれるプロセスを使用してセンサー電極を製造しました。このプロセスでは、柔軟なプラスチックの裏打ちを備えた銅シートにインクのパターンを印刷しました。次に、腐食性の化学物質が露出した銅を削り出し、目的の金属片を残しました。チームは、NASAの燃料タンクの1つをモデルにした卵形のコンテナの内部に柔軟なセンサーを並べました。タンクの内部全体で、各センサーから放出された電界を他のセンサーが受け取ることができます。しかし、これらのフィールドのどれだけが最終的に送信されるかは、タンク内にある材料の静電容量によって異なります。

新しいシステムの燃料測定機能が宇宙でどのように見えるかをテストするために、研究者たちは、微小重力の液体の塊を模倣して、液体で満たされた気球をタンクに吊るしました。

液体水素やヒドラジンなど、衛星や宇宙船を推進するために一般的に使用される多くの液体は、地球の酸素が豊富な大気中で非常に可燃性であるため、研究者はより安定したものをテストすることを選択しました。彼らは、宇宙燃料の電気的特性を厳密に模倣したため、通常は工業プロセスで熱エネルギーを貯蔵または放散するために使用される熱伝達流体でバルーンを満たしました。

研究者はシステムを起動し、静電容量データをコンピューターに送り、タンクの長さ全体にわたる流体の位置をマッピングする一連の2D画像を生成しました。コンパイルすると、画像は実際のバルーンの直径との差が6％未満のバルーンの3D表現を生み出しました。