เมื่อยานอวกาศเปิดตัว มันจะใช้จรวดประมาณ 75–90% ในการเข้าสู่วงโคจร เศษที่เหลือเป็นตัวกำหนดว่าจะสามารถอยู่บนนั้นได้นานแค่ไหน แต่การวัดปริมาณเชื้อเพลิงที่เหลืออยู่ในถังนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายในสภาวะแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์ นักวิจัยจากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติสหรัฐฯ ได้พัฒนาโซลูชันโดยใช้ชุดเซ็นเซอร์ที่ตรวจจับความจุของของเหลวภายในถังเชื้อเพลิงของยานอวกาศ
ใช้ข้อมูลเหล่านี้เพื่อสร้างภาพสามมิติของเชื้อเพลิง
ที่เหลืออยู่ ทีมงานกล่าวว่า การออกแบบต้นแบบสามารถทำให้ดาวเทียมทำงานได้นานขึ้น ในขณะเดียวกันก็ช่วยหลีกเลี่ยงการชนที่หมดอายุการใช้งานด้วยภายใต้สภาวะไร้แรงโน้มถ่วง สารขับเคลื่อนของเหลวจะเกาะติดกับผนังถังเชื้อเพลิงเนื่องจากแรงตึงผิวและผลกระทบของเส้นเลือดฝอย การกระจายเชิงพื้นที่ที่คาดเดาไม่ได้นี้ทำให้ระดับเชื้อเพลิงยากต่อการระบุ สารขับเคลื่อนยังมีอิสระที่จะเหวี่ยงไปมา ลอยตัว และก่อตัวเป็นฟองอากาศ ซึ่งไม่มีสิ่งใดเกิดขึ้นบนโลก
เทคนิคต่างๆ ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อวัดจรวดขับเคลื่อนบนยานอวกาศ เทคนิคหนึ่งที่รู้จักกันมากที่สุดคือ เทคนิคการทำบัญชี เกี่ยวข้องกับการประเมินว่าการเผาไหม้แต่ละครั้งมีปริมาณเท่าใด และลบสิ่งนี้ออกจากปริมาตรของเชื้อเพลิงที่เหลืออยู่ในถัง อย่างไรก็ตาม แม้ว่าวิธีนี้จะมีความแม่นยำสูงในช่วงเริ่มต้นของภารกิจ ข้อผิดพลาดของการประมาณการแต่ละครั้งจะส่งต่อไปยังวิธีถัดไปและสะสมตามแรงผลักดันแต่ละครั้ง สมาชิกในทีมNick Dagalakisวิศวกรเครื่องกลอธิบาย “เมื่อรถถังเหลือน้อย ค่าประมาณจะกลายเป็นเหมือนการเดาคร่าวๆ และสามารถพลาดเป้าได้มากถึง 10%” เขากล่าว
หากไม่มีการวัดค่าเชื้อเพลิงที่เชื่อถือได้ ผู้ปฏิบัติงานดาวเทียมก็มีความผูกพัน Dagalakis กล่าวเสริม การปลดดาวเทียมเมื่อยังมีน้ำมันเหลืออยู่มากเป็นการสิ้นเปลืองเงิน แต่การปล่อยให้ถังแห้งอาจทำให้ดาวเทียมติดอยู่ โดยไม่มีเชื้อเพลิงเหลือให้หลบเลี่ยงยานลำอื่นหรือเคลื่อนไปยังวงโคจรที่ปลอดภัย
อาร์เรย์ของเซ็นเซอร์ความจุมาตรวัดเชื้อเพลิงใหม่
ซึ่งพัฒนาโดยManohar Deshpande ผู้จัดการการถ่ายโอนเทคโนโลยีของ NASA ใช้เทคนิคการถ่ายภาพ 3 มิติที่เรียกว่าการตรวจเอกซเรย์ปริมาตรความจุไฟฟ้า (ECVT) การตรวจเอกซเรย์โดยทั่วไปเป็นวิธีการสร้างภาพโครงสร้างภายในของวัตถุโดยไม่ทำให้เสียหาย ตัวอย่างที่คุ้นเคย ได้แก่ การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI), เอกซเรย์ปล่อยโพซิตรอน (PET) และเอกซเรย์เอกซ์เรย์ที่ใช้ในโรงพยาบาลเป็นประจำ
ECVT เป็นตัวแปรที่ใหม่กว่า และใช้อาร์เรย์ของเซ็นเซอร์ที่ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เซ็นเซอร์อื่นๆ ในอาร์เรย์สามารถตรวจจับคลื่นเหล่านี้ได้ และความถี่ในการส่งสัญญาณจะขึ้นอยู่กับความจุของสิ่งที่อยู่ระหว่างเซ็นเซอร์ หากไม่มีสิ่งใดอยู่ การส่งสัญญาณจะสูง อย่างไรก็ตาม หากมีวัตถุอยู่ การส่งสัญญาณจะลดลงเนื่องจากวัตถุจะดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบางส่วน การวางเซ็นเซอร์เหล่านี้ไว้รอบๆ คอนเทนเนอร์ และการวัดสัญญาณในหลายตำแหน่ง จึงเป็นไปได้ที่จะสร้างภาพ 3 มิติของวัตถุภายในคอนเทนเนอร์
การผลิตเซนเซอร์
ในการทำเซ็นเซอร์ ECVT Dagalakis และเพื่อนร่วมงานใช้การพิมพ์หินแบบอ่อนเพื่อพิมพ์หมึกแข็งที่เคลือบด้วยขี้ผึ้งลงบนแผ่นทองแดงเคลือบกระดาษบาง ๆ จากนั้นจึงแกะสลักแถบทองแดงเพื่อขจัดหมึกและสร้างรูปแบบของเซ็นเซอร์และการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า
ต้นแบบถังน้ำมันเชื้อเพลิง Dagalakis ตั้งข้อสังเกตว่าเนื่องจากเซ็นเซอร์สามารถทำได้โดยใช้เทคนิคการผลิต MEMS ที่เป็นที่รู้จักกันดี ขนาดของอาร์เรย์แผ่นประจุไฟฟ้า ช่องว่างและแถบป้องกันสามารถตั้งค่าได้อย่างแม่นยำในระดับสูง เทคนิคการประดิษฐ์เหล่านี้ยังขจัดความจำเป็นในการบัดกรีสายไฟฟ้าบนเพลตและแถบ และกำหนดเส้นทางสายไฟผ่านอาร์เรย์เซ็นเซอร์และโครงสร้างถัง สุดท้าย เนื่องจากแถบนี้มีความยืดหยุ่น จึงสามารถนำไปใช้กับด้านในของภาชนะรูปไข่ได้ เช่นเดียวกับถังเชื้อเพลิงยานอวกาศ
ภาพ 3 มิติของปริมาณเชื้อเพลิงสารขับเคลื่อนที่
เป็นของเหลวหลายชนิด (รวมถึงไฮโดรเจนเหลวและไฮดราซีน) ติดไฟได้สูงในชั้นบรรยากาศของโลก เป็นทางเลือกที่ปลอดภัยกว่า นักวิจัยได้ทดสอบอาร์เรย์เซ็นเซอร์ของพวกเขาโดยใช้สารทดแทนเชื้อเพลิงที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกคล้ายกับของจรวดยานอวกาศจริง แต่มีความเสถียรในอากาศ
นักวิจัยได้วางเซ็นเซอร์ไว้รอบถังทดสอบ (รุ่นจิ๋วของถังเชื้อเพลิงจริงของ NASA) และวัดความแตกต่างในการส่งสัญญาณของคู่เซ็นเซอร์ที่เป็นไปได้ทุกคู่ในอาร์เรย์ เมื่อรวมการวัดเหล่านี้เข้าด้วยกัน พวกเขากำหนดว่าถังบรรจุน้ำมันเชื้อเพลิงอยู่ที่ใดและไม่ได้อยู่ที่ใด ค่อยๆ สร้างภาพ 3 มิติของปริมาณเชื้อเพลิงตามความยาวของถัง ภาพที่สร้างขึ้นใหม่ของพวกเขาแสดงให้เห็นการจับคู่ที่ดีกับรูปร่างที่แท้จริงของของเหลวภายในถัง
การจำลองอวกาศเพื่อให้เข้าใจมากขึ้นว่าระบบนี้จะทำงานอย่างไรในอวกาศ ทีม NIST ได้ระงับบอลลูนที่บรรจุของเหลวไว้ในถังทดสอบ โดยเลียนแบบหยดของเหลวในสภาวะไร้น้ำหนัก จากนั้นพวกเขาป้อนข้อมูลความจุที่ได้ลงในโปรแกรมซอฟต์แวร์เพื่อสร้างชุดของภาพ 2D ซึ่งต่อมาได้รวบรวมเพื่อสร้างบอลลูน 3 มิติ เส้นผ่านศูนย์กลางที่วัดได้ของบอลลูนแตกต่างกันน้อยกว่า 6% เมื่อเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลางจริงทรงกลมเปียกและแห้งรวมกันในลักษณะเดียวกัน
นักวิจัยกล่าวว่าเซ็นเซอร์ ECVT ใหม่สามารถช่วยแก้ปัญหาอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับของเหลวในอวกาศได้เช่นเดียวกับการวัดเชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น Deshpande แนะนำว่าอาจใช้เพื่อตรวจสอบการไหลของของเหลวในท่อจำนวนมากบนสถานีอวกาศนานาชาติอย่างต่อเนื่องและศึกษาว่าของเหลวที่ไหลลื่นสามารถเปลี่ยนแปลงวิถีของยานอวกาศและดาวเทียมได้อย่างไร
นักวิจัยซึ่งรายงานการทดลองของพวกเขาในJournal of Spacecraft and Rocketsวางแผนที่จะทดสอบเพิ่มเติมและสำรวจเทคนิคการสร้างภาพต่างๆ พวกเขายังศึกษาวิธีที่จะรวมเซ็นเซอร์ของพวกเขาเข้ากับยานอวกาศระยะไกลรุ่นใหม่
Dagalakis บอกกับ Physics Worldว่า “การออกแบบและการผลิตที่ยืดหยุ่นและราคาไม่แพงของเซนเซอร์เหล่านี้อาจทำให้เซนเซอร์เหล่านี้ใช้ได้หลายตัวในยานอวกาศหรือถังเชื้อเพลิงดาวเทียมที่ทำงานอย่างอิสระเพื่อสร้างภาพคอมโพสิตของปริมาณเชื้อเพลิงทั้งหมด “เซ็นเซอร์เหล่านี้อาจมีขนาดและรูปร่างแตกต่างกันสำหรับครอบคลุมพื้นผิวของถัง ท่อภายใน ท่อจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิง และโครงสร้างความเข้มข้นของเชื้อเพลิง”
Credit : aquilaadalberti.net arranjosdecosturatetyana.com arsdual.net asdcrecords.net attritionconsortium.com
