Histoire du developpement de la microbalance a quartz pour l’espace
Generalites
Le développement des microbalances à quartz (les QCM) pour l’espace à commencé en 1966 sous le nom de Celesco. La gamme de produit était achetée par Telonic Berkeley, ensuite par QCM Research, de la Laguna Beach en Californie en 1985. La majorité du personnel initial, développeurs et fabricants des systèmes QCM, est restée engagée, y compris Donald Wallace, fondateur de QCM Research, qui a joué un rôle-clé dans le lancement de QCM en 1966. Il a exercé pendant plus de 20 ans au Comité ASTM E-21 sur la Contamination spatiale et est l’auteur de plusieurs articles sur ce sujet et sur les questions liées à la technologie QCM. Scott Wallace exerce maintenant comme président de la société.
Histoire des travaux de recherche et de developpement avec les systemes qcm
Le premier Celesco QCM produit était destiné à une expérience du flux du mouvement avec l’écoulement du plasma en 1966, pour lequel le Dr. David Hall était le principal enquêteur à TRW. Nous avons vite réalisé que les QCM pourraient être utilisés pour détecter l’écoulement moléculaire tant dans les circuits de dépression basés sur le sol que dans l’espace, et avons commencé à développer des systèmes QCM de manière plus élaborée.
Ce premier effort a abouti à un Densitomètre cryogénique à l’aide d’un cristal à 20 kelvin à bord d’une roquette Saturne destiné à mesurer la densité du N2 à de très hautes altitudes.
Les premières têtes de Détecteurs QCM, des modèles MK 1 aux modèles MK 7, étaient développées pour la NASA Marshall et McDonnell Douglas en 1971 et 1972 pour le programme Skylab, ATM et AM/EREP et pour les Satellites Air Force via Lockheed Missiles and Space et l’Aerojet Corporation.
À ce point, il était clair que le concept nécessitait un développement à différents niveaux. Dans un premier temps il y a eu un QCM standard, le Détecteur QCM MK 9, avec une température comprise entre 80 k et 373 K, ou à 10 K avec une Puce hybride à basse température. En suite, une petite version cryogénique passive du QCM qui pourrait fonctionner au-delà de la plage de température de 5 à 398 K a été ajoutée : le QCM MK 8, primé par IR-100, plus tard notre QCM MK 15 et en fin de compte le CQCM MK 16. Dans ce QCM qui a évolué depuis vers plusieurs variations, (de MK 17 à MK 19), on peut augmenter la température des cristaux aux moyens d’un radiateur intégré pour le mode de fonctionnement QTGA (Analyse thermogravimétrique QCM), tandis que le refroidisseur reste froid. En fin, un TQCM refroidi de manière thermoélectrique, destiné à l’utilisation dans un laboratoire de matériaux ou dans un vol spatial, a été conçu et dispose d’une plage de température variant entre 80 et 373 K : le TQCM MK 10, et le DTQCM MK 14 étanche à la radiation thermique solaire. Récemment, une nouvelle série de TQCM, appelés série TQCM MK 20, a été publiée ; cette série a un profil plus petit que le MK 10 et élargit aussi la plage de détection de masse à l’aide de cristaux de 25 MHz.
Nos modifications les plus récentes apportées à la gamme QCM sont le QCM MK 21, un QCM miniature qui a évolué du modèle à succès MK 8 et le QCM étanche solaire MK 22, encore en cours de développement en ce moment.
QCM Technology
The circuitry that is used in the sensor heads has been hybridized to a TO-5 size since 1970, when it was first used on the Skylab flight. Since then, we have developed a cryogenic low-temperature chip, also in the TO-5 size, which goes down in temperature to 5K and dissipates only 2.45mw of power (useful when a cold heat sink has a limited amount of time, and when only a limited amount of cooling is available). Contained in the circuit are two oscillators and a mixer for driving the crystals, combining the two frequencies and ending up with a beat frequency which is indicative of the mass that has been added to or subtracted from the sense crystal. The Hybrid Chip has been environmentally flight-qualified and has performed successfully in space; for instance, for a continuous period of six years with the LDEF QCMs.
Position actuelle
Pour des besoins de vol spatial, nous pouvons fournir nos MK 9 Standard et QCM à basse température, notre TQCM MK 10, nos CQCM MK 16, 17, 18 et 19 sous réserve de l’analyse QTGA et nos DTQCM MK 14 étanches aux effets de la radiation thermique solaire. Bien que n’ayant pas d’histoire dans le domaine des vols, nos MK 20, MK 21 et MK 22 nouvellement développés ont été conçus en fonction des normes de vol bien établies.
Nous pouvons vous fournir une Unité électronique de vol (FEU), qui contrôlera et collectera les données à partir des QCM indépendants. Cette unité était conçue pour une Perturbation par une particule isolée (SEU) et pour éviter un Verrouillage maintenu (SEL). La documentation relative à cette unité comprend la vibration (aléatoire et sinusoïdale), le choc, l’exposition à une grande radiation, la radiation thermique solaire, la transmission d’onde acoustique, l’EMC et le cycle thermique. La vitesse de lecture et l’interface sont à votre niveau.
L’unité de contrôle/d’acquisition de données de Modèle 2000 peut être utilisée pour contrôler jusqu’à douze QCM de toute association de différents modèles de capteurs par le port RS232 de votre ordinateur portable. Le processeur de signal du Model 1900 et le contrôleur thermique du Model 1800 destinés au contrôle des TQCM MK 10 et MK 14 sont à la disposition des clients ayant un seul besoin de QCM.
Nous pouvons également fournir à présent l’Appareil de dégazage sous vide /cinétique de dépôt (VODKA) comme une unité clef en main. Cet appareil sous vide élevé dispose de trois ou quatre QCM MK 18, une Cellule d’effusion et facultativement, un Spectromètre de masse et les lampes krypton, pour caractériser les différents produits de dégazage, comme une fonction de la température, à partir d’un matériel échantillon destiné à l’usage dans le domaine spatial. Cet appareil est conforme à l’ASTM E 1559-93 qui complète l’ATSM E595.
Pour les clients qui ont besoin d’une grande masse de sensibilité et veulent encore maintenir la stabilité et la technologie confirmée des détecteurs QCM de QCM Research, nous disposons maintenant de grandes fréquences. Les fréquences standard sont maintenant 3, 5, 10, 15 et 25 MHz. Les projets de douane peuvent utiliser les fréquences d’au moins 100 MHz.
Histoire du vol des systemes qcm
Après les modèles QCM de vol récents, notre prochain engagement a eu lieu en 1977, lorsque nous avons joué un rôle déterminant dans le développement du véhicule Ariane, fournissant nos QCM MK 9 au CNES (France) et à Aeritalia (Italie).
Nous étions des co-enquêteurs avec les Dr. R. Schall et E. Borson d’Aerospace, fournissant les QCM MK 9 et le matériel électronique relatif au vol pour la Mission LDEF, lancée par le Navette spatiale en 1978. Nous avons également fourni des systèmes QCM pour le même vol LDEF au MBB en Allemagne. Pour cette expérience, l’écoulement de l’oxygène atomique affectait les deux bords d’attaque QCM, dont les cristaux sont recouverts de sulfure de zinc et d’oxyde d’indium, tandis que les QCM identiques étaient protégés contre l’écoulement. Nous avons les données relatives à ce vol compilées depuis six ans, lesquelles données sont actuellement en cours d’analyse.
Nous avons fourni deux TQCM MK 10 et une Unité de traitement de signaux incorporée à l’expérimentation de la propulsion ionique de Hughes Aircraft Company sur le satellite P-80 en 1978, et deux TQCM MK 10 et une Unité électronique de vol sur l’expérimentation de l’IAPS P-80 pour Hughes Space and Communications Division.
L’Agence spatiale européenne a passé un contrat pour le vol ECS-1 avec trois QCM MK 9 en 1981.
En 1984, Dornier Aircraft Co. voulait avoir le contrôle total de la contamination sur son satellite Rosalt IR. Nos QCM devaient contrôler sans cesse toute éventuelle contamination, de l’usinage d’origine du télescope jusqu’à l’assemblage, l’aménagement, l’installation dans le satellite et en fin un contrôle incorporé tout au long du vol.
Un deuxième contrat de vol avec Hughes SCD offrait quatre TQCM MK 10 et une Unité électronique de vol pour le Satellite Air Force MMB2 en 1988.
L’Agence spatiale canadienne (ASC) a placé deux de nos CQCM MK 16 sur le Terminal (main) du Télémanipulateur (bras) incorporé au vol de la navette STS-52 et plusieurs vols suivis. Les QCM avaient une couche de matériau sur la surface sensible à la présence de l’oxygène atomique (O) afin que l’atmosphère en pleine baisse puisse, en effet, enlever le matériau déposé et entraîner la réduction de la fréquence de battement. Lorsque l’ASC a signalé la fin de l’expérience, Johnson de la NASA a alors dirigé les astronautes pour explorer la région que le bras ne pouvait pas contaminer, surtout dans les environs du panache. En 1995, sur un vol suivi (STS-74), la même configuration était utilisée lorsque la navette s’était posée près de la zone de contrôle d’attitude russe à 13 kg et a surorbité les propulseurs sur la Station spatiale MIR pour que les QCM détectent la contamination de surface tant transitoire que persistante. La NASA continue d’utiliser les QCM sur le bras pour mesurer les taux d’érosion par l’oxygène atomique dans les vols de la navette spatiale.
En 1993, nous avons fourni aux Laboratoires de physique appliquée de l’Université Johns Hopkins quatre TQCM MK 10, un CQCM MK 16 (pour QTGA) et une Unité électronique de vol pour usage sur le Satellite Spirit III, appelé MSX Experiment, lancé en 1996.
La même année, nous avons finalisé avec TRW le contrat de fourniture de quatre TQCM MK 10 et une Unité électronique de vol devant décollé début 1994, mais qui est maintenant programmé pour décoller à une date ultérieure. Le vol est le vol Plasma Jet de l’US Air Force, l’Electric Propulsion Space Experiment (ESEX).
Nous avons fourni les CQCM MK 17 pour le Space Active Modular Materials Experiment (SAMMES) de 1994 à 1997. Cette action aboutira finalement à douze unités de contamination modulaire pouvant être attachées à n’importe quelle navette pour rendre l’accès à l’espace abordable et fréquent, afin d’effectuer l’essai de matériaux en orbite.
T&M Engineering, collaborant avec l’ASE, a placé deux de nos CQCM MK 19 sur le Module cristal de la Station spatiale russe MIR à la fin de l’année 1995 pour contrôler la contamination. L’unité électronique de vol est basée sur notre Contrôleur standard M2000.
Nous avons livré les QCM MK 9 à Dornier pour le projet Ariane 5 de l’ASE, lancé en 1996 et 1997. Ces vols et tous les vols réussis auront des QCM dans la zone de charge payante et attaché au corps.
Sur un projet de vol récent interplanétaire, l’astronef Pathfinder de la NASA, le Mars Rover a un CQCM MK 19 avec le même champ visuel que le panneau solaire. Le QCM dispose d’un polymère adhésif sur la surface pour collecter et mesure les petites particules de poussière qui se posent sur le capteur solaire.
Pour le prochain vol Ariane/ STENTOR, nous fournissons à Aerospatiale deux CQCM MK 17 personnalisés qui seront utilisés pour évaluer la vitesse de l’érosion des matériaux sélectionnés, placés sur les cristaux des QCM, impactés par un propulseur ionique.
D’autres vols futurs qui seront engagés comprennent Mighty SAT 2 avec Edwards AFB, ainsi que des projets pour Boeing, NASA MSFC et autres.
En plus des systèmes de vol spatial, nous avons fourni à nos clients à travers le monde une gamme variée de systèmes QCM destinés aux installations et expériences terrestres.
QCM RESEARCH est une petite entreprise commerciale spécialisée dans les Systèmes QCM personnalisés et à ce titre, nous sommes prêts à répondre à vos besoins.