Millimeter Wave Interferometry for Ejecta Concentration Measurements in Plume-Surface Interactions

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作者
Nicolas Rasmont,Hussein Al-Rashdan,Gregory Elliott,Joshua L. Rovey,Laura Villafañe
标识
DOI:10.2514/6.2022-2421
摘要

A novel method to measure the concentration of ejecta generated by the impingement of rocket plumes on granular surfaces is presented. This method is based on the principle of millimeter wave interferometry, using a fully-integrated frequency modulated continuous-wave 60-64 GHz radar to measure the path-integrated ejecta concentration between the radar itself and a reflector. The instrument is capable of quantitative measurements of high path-integrated ejecta concentrations up to 0.317 ± 0.133 vol%.m, one order of magnitude higher than state-of-the-art optical methods, at a repetition rate of 10 kHz and independently of the particle size distribution of the material. The interferometer was calibrated using a particle shadow counting technique for path-integrated concentrations up to 0.0223 ± 0.0008 vol%.m(0.280 ± 0.010 × 10^9 particles/m2) and demonstrated on a reduced-scale plume-surface interaction experiment using a 6.5 N cold gas thruster impinging on a bed of regolith simulant under lunar (6.67 Pa) and martian (800 Pa) ambient pressures. A glass microsphere regolith simulant with a mean particle diameter of 105 um and a standard deviation of 17 um was used for calibration and demonstration. The instrument performed nominally in both demonstrations conditions, measuring a maximum path-integrated ejecta concentration of 0.0419 ± 0.0170 vol%.m (0.527 ± 0.214 × 10^9 particles/m2) in the lunar case and 0.131 ± 0.053 vol%.m (1.65 ± 0.67 × 10^9 particles/m2) in the martian case.
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