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Enabling Ridge Waveguide Technology for Wideband Millimeter-Wave Decoys
Emerging high power millimeter wave applications such as RF decoy repeaters require transmission line technologies operating over a wide bandwidth with the ability to carry hundreds of watts of continuous wave (CW) power. To develop such repeaters an enabling technology for integration of components such as dual-polarized antennas, filters, couplers, bends, and twists is needed. This thesis presents the analysis, design, and measurements of novel passive components for such repeaters in V- and W- bands. At these high frequencies, traditional techniques of design and fabrication are challenging due to small size, losses, and wide bandwidth.A high-power capable wideband 45 ‒ 110 GHz double-ridge waveguide (WRD45110) transmission line with low loss, low dispersion, and high theoretical power-handling is demonstrated first. Then, utilizing the designed cross-section a suite of passive waveguide components required for a typical decoy repeater system such as straight transmission lines, E- and H- plane bends, 90° twists, and termination loads are developed. A quad-ridge horn antenna with consistent broadside gain and stable E- and H- plane radiation patterns over the desired frequency band is also demonstrated. All components are carefully designed across different physics-based domains (RF, thermal, air-breakdown, etc.) and fabricated with either a direct metal laser sintering (DMLS) 3D printing or a conventional CNC machining with special care taken to allow for easy interconnecting.The design of a dual polarized high power capable system over 45 ‒ 110 GHz band is also presented. To combine two polarizations into the same radiating aperture, an Orthomode Transducer (OMT) based upon WRD45110 is developed. In order to fabricate this prototype through DMLS process, this OMT is devised with all the guidelines of 3D metal printing.Also, in system level, a preliminary system integration of a decoy repeater is discussed. To enhance the isolation between the TX and RX antennas in a decoy repeater, reactive impedance surfaces (RIS) with 1D RIS (corrugations), and 2D RIS (mushroom structure) are designed and built. In addition, a switched-beam phased array system that uses a perforated gradient index flat lens for beam scanning in ±30° elevation and 0° ‒ 360° azimuth is demonstrated over the entire 45 ‒ 110 GHz frequency range.</p
Bibliography of Lewis Research Center technical publications announced in 1992
This compilation of abstracts describes and indexes the technical reporting that resulted from the scientific and engineering work performed and managed by the Lewis Research Center in 1992. All the publications were announced in the 1992 issues of STAR (Scientific and Technical Aerospace Reports) and/or IAA (International Aerospace Abstracts). Included are research reports, journal articles, conference presentations, patents and patent applications, and theses
Cumulative index to NASA Tech Briefs, 1986-1990, volumes 10-14
Tech Briefs are short announcements of new technology derived from the R&D activities of the National Aeronautics and Space Administration. These briefs emphasize information considered likely to be transferrable across industrial, regional, or disciplinary lines and are issued to encourage commercial application. This cumulative index of Tech Briefs contains abstracts and four indexes (subject, personal author, originating center, and Tech Brief number) and covers the period 1986 to 1990. The abstract section is organized by the following subject categories: electronic components and circuits, electronic systems, physical sciences, materials, computer programs, life sciences, mechanics, machinery, fabrication technology, and mathematics and information sciences
Research and technology, fiscal year 1986, Marshall Space Flight Center
The Marshall Space Flight Center is continuing its vigorous efforts in space-related research and technology. Extensive activities in advanced studies have led to the approval of the Orbital Maneuvering Vehicle as a new start. Significant progress was made in definition studies of liquid rocket engine systems for future space transportation needs and the conceptualization of advanced laucnch vehicles. The space systems definition studies have brought the Advanced X-ray Astrophysics Facility and Gravity Probe-B to a high degree of maturity. Both are ready for project implementation. Also discussed include significant advances in low gravity sciences, solar terrestrial physics, high energy astrophysics, atmospheric sciences, propulsion systems, and on the critical element of the Space Shuttle Main Engine in particular. The goals of improving the productivity of high-cost repetitive operations on reusable transportation systems, and extending the useful life of such systems are examined. The research and technology highlighted provides a foundation for progress on the Hubble Space Telescope, the Space Station, all elements of the Space Transportation System, and the many other projects assigned to this Center
Large space structures and systems in the space station era: A bibliography with indexes (supplement 05)
Bibliographies and abstracts are listed for 1363 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between January 1, 1991 and July 31, 1992. Topics covered include technology development and mission design according to system, interactive analysis and design, structural and thermal analysis and design, structural concepts and control systems, electronics, advanced materials, assembly concepts, propulsion and solar power satellite systems
Space station systems: A bibliography with indexes (supplement 6)
This bibliography lists 1,133 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between July 1, 1987 and December 31, 1987. Its purpose is to provide helpful information to the researcher, manager, and designer in technology development and mission design according to system, interactive analysis and design, structural and thermal analysis and design, structural concepts and control systems, electronics, advanced materials, assembly concepts, propulsion, and solar power satellite systems. The coverage includes documents that define major systems and subsystems, servicing and support requirements, procedures and operations, and missions for the current and future Space Station
Analysis of the multipactor effect in microwave waveguides and transmission lines
El trabajo desarrollado en la presente tesis doctoral tiene por objeto el estudio del efecto multipactor en
guÃas de microondas. La descarga de multipactor es un fenómeno que aparece en componentes que operan
en condiciones de alto vacÃo, y en presencia de campos electromagnéticos de gran intensidad en el rango de
la radiofrecuencia (RF) y las microondas. El efecto multipactor aparece en un amplio rango de dispositivos
como son los componentes pasivos de los satélites de telecomunicaciones espaciales, los aceleradores de
partÃculas, y los amplificadores tipo klystron. Este fenómeno se produce debido a la presencia de electrones
libres en el interior del dispositivo que son acelerados por el campo eléctrico de RF, de manera que al impactar
con las paredes del componente pueden liberar electrones secundarios de la superficie. Si se dan las
condiciones de sincronÃa necesarias con el campo eléctrico, se inicia una reacción en cadena que provoca
un crecimiento exponecial de la población de electrones dentro del dispositivo, conduciendo finalmente a la
aparición de una corriente eléctrica que constituye la descarga de multipactor. Existen una serie de efectos
derivados de la descarga como son el aumento del nivel de ruido y de la potencia reflejada, calentamiento
térmico local, desintonización de cavidades resonantes, y daños fÃsicos en las superficies. Todos estos fenómenos provocan una degradación del funcionamiento del dispositivo, por lo que la descarga de multipactor
debe de evitarse a toda costa. Esto implica una restricción en la potencia máxima a la que puede funcionar
el componente.
En la presente tesis doctoral nos centraremos en el estudio del efecto multipactor en el ámbito de los
componentes pasivos de los satélites de telecomunicaciones. En este escenario es crucial asegurarse de que
la descarga no se pueda producir en ningún componente a lo largo de toda su vida útil, ya que de lo contrario
esto supondrÃa una grave amenanza para el correcto funcionamiento de todo el conjunto del satélite o de
una parte del mismo. Evidentemente, si algún dispositivo fallara debido a una descarga, serÃa imposible
efectuar ningún tipo de reparación del mismo. Es por ello que el estudio del efecto multipactor es un tema
de gran interés, tanto para las industrias de fabricación de componentes de satélites como para las agencias
espaciales. La correcta comprensión del efecto multipactor a través de herramientas de simulación permite
estimar la potencia umbral a la que se inicia la descarga, información que es empleada para el diseño de
componentes libres de este perjudicial fenómeno.
El objetivo de este trabajo es profundizar en el conocimiento del efecto multipactor en diferentes casos
que, a pesar de ser de interés práctico, aún no habÃan sido abordados en la bibliografÃa existente hasta el
momento. Como resultado de este estudio, se dispondrá de márgenes más rigurosos para la predicción de
la descarga de multipactor que podrán ser aprovechados por las industrias destinadas a la fabricación de
componentes espaciales, permitiendo de esta manaera incrementar la capacidad de manejo de potencia en
dichos dispositivos.
En cuanto a la metodologÃa para el estudio del efecto multipactor en guÃas de microondas en diferentes
escenarios especÃficos, se ha desarrollado una herramienta eficiente para la simulación numérica de este fenómeno. La idea básica en la cual se basa el algoritmo de simulación es el estudio de las trayectorias de un
conjunto de electrones en el interior del dispositivo, que son acelerados por el campo electromagnético total
que hay dentro del mismo. Dependiendo del caso concreto que estemos tratando existen dos posibilidades
diferentes para simular el comportamiento de los electrones: el modelo de electrón efectivo y el modelo de
electrón individual. El modelo de electrón efectivo considera el seguimiento de un número fijo de partÃculas
que se define en el instante inicial. El incremento de la población electrónica, debido a la emisión secundaria
de electrones por parte de la superficie, se tiene en cuenta mediante la acumulación de carga y masa por parte
de cada electrón efectivo. A pesar de que esta consideración supone una simplificación de la esencia fÃsica
del problema, puesto que en la situación real se absorben o se crean nuevos electrones en las colisiones, los
resultados proporcionados por este modelo son buenos cuando se comparan con los datos experimentales
en un amplio abanico de escenarios, siempre que la señal de RF sea armónica en el tiempo. Sin embargo,
cuando la envolvente de la señal de RF varÃa con el tiempo (como ocurre en el caso de las señales moduladas
digitalmente) se obtienen resultados más precisos si se implementa un modelo de electrón individual. El
modelo de electrón individual permite la creación de nuevas partÃculas en el transcurso de la simulación en
el caso de que se generen electrones secundarios en las colisiones. De forma similar, si el electrón resulta
absorbido por la superficie es eliminado de la simulación. El único inconveniente que presenta el modelo
de electrón individual respecto al de electrón efectivo es que en este último caso es posible obtener fácilmente
las trayectorias de los electrones en el interior del dispositivo; mientras que para el caso de electrón
individual es mucho más complicado, ya que los electrones se crean y se destruyen continuamente en las
numerosas colisiones con las paredes del componente. En cualquier caso, independientemente de la elección
de un modelo u otro, el funcionamiento del algorimo de simulación es muy similar en ambas situaciones.
Inicialmente el código toma en consideración un cierto número de electrones individuales o efectivos que
son emitidos con velocidades aleatorias, desde uno o varios puntos espaciales del interior del componente.
Entonces, la trayectoria y la velocidad de cada electrón se obtiene resolviendo numéricamente su ecuación
diferencial de movimiento, que es el resultado de la acción del campo electromagnético total al que se ve
sometido. Como método de resolución numérica de la ecuación diferencial del movimiento usaremos un
algoritmo Velocity-Verlet. Cada vez que se actualiza la posición y velocidad de un electrón se comprueba si
se ha producido un impacto con las paredes del dispositivo. En caso de que esto ocurra, se calcula la función
de emisión de electrones secundarios (conocida como SEY, del inglés Secondary Electron Yield coefficient),
que da cuenta de la interacción del electrón con la superficie, y permite determinar tanto si se emiten electrones
secundarios como si el electron primario incidente es absorbido por la misma. Hecho esto se actualiza
la población de electrones y el electrón impactante (en caso de que no sea absorbido o si está implementado
el modelo de electrón efectivo) es lanzado de nuevo hacia el interior del componente desde la posición de
impacto. El código se detiene cuando se ha simulado un tiempo (expresado en número de periodos de RF)
predefinido, o si se alcanza un cierto nivel crÃtico de número de electrones (asociado al criterio de descarga
de multipactor). El dato de salida del simulador es la evolución de la población de electrones en el dispositivo
en función del tiempo, siendo ésta la información necesaria para poder decidir si se ha producido la
descarga para un nivel determinado del voltaje de RF de la señal.
El contenido de esta tesis doctoral se puede dividir en cuatro areas temáticas diferentes que pretenden
abordar aspectos particulares del fenómeno de multipactor: mitigación del efecto multipactor por medio de
campos magnéticos estáticos, multipactor en guÃas ridge y multiridge, multipactor con señales moduladas
digitalmente, y multipactor en guÃas rellenadas parcialmente con ferrita. A continuación se hará un breve
resumen de la motivación y los resultados obtenidos en cada caso.
El primer bloque trata sobre las técnicas de mitigación del efecto multipactor cuyo objetivo es prevenir
la aparición de la descarga en el dispositivo ya que, como se ha comentado anteriormente, ésta comporta
una serie de efectos negativos que degradan el funcionamiento del mismo. Existen diferentes técnicas con
el propósito de inhibir la descarga. Por una parte, tenemos aquellos métodos que pretenden disminuir el
número de electrones emitidos por la superficie aplicando diversos tratamientos fÃsico-quÃmicos sobre la
misma: pulido quÃmico, trazado de surcos, recubrimientos, etc. Sin embargo, los tratamientos superficiales
se degradan con el tiempo, y el surcado de la superficie puede empeorar el funcionamiento del dispositivo.
Por otra parte, algunos autores proponen el uso de campos magnéticos estáticos para lograr una mitigación
parcial o total del mismo. En nuestro caso, exploramos la posibilidad de suprimir la descarga de multipactor
en una lÃnea de transmisión coaxial sometida a un campo magnético estático orientado en la dirección axial de la guÃa. En una primera etapa, se analizó el caso de un campo magnetico espacialmente uniforme
sobre la guÃa coaxial. La presencia de un campo magnetostático de tales caracterÃsticas tiende a curvar las
trayectorias de los electrones haciéndolas girar alrededor de las lÃneas de campo magnético, empujando al
electrón de vuelta hacia el conductor de partida y perturbando las tÃpicas trayectorias resonantes de doble
superficie entre los conductores. Este hecho quedó constatado al examinar las trayectorias resultantes de las
simulaciones numéricas, donde se observó la aparición de trayectorias resonantes de una sola superficie para
algunos valores de intensidad del campo magnético aplicado. El principal parámetro que afecta al tiempo
de vuelo de los electrones entre dos impactos sucesivos con los conductores del coaxial es el cociente
entre la frecuencia de ciclotrón (que es proporcional a la amplitud del campo magnético) y la frecuencia
de RF. Concretamente, cuanto mayor es dicho cociente menor es el tiempo entre colisiones. Cuando se
excede un valor crÃtico del cociente frecuencia de ciclotrón frente a frecuencia de RF, el tiempo de vuelo se
hace tan corto que el electrón no puede sincronizarse con el campo eléctrico de RF, dando como resultado
impactos muy poco energéticos que inhiben por completo la descarga. Como consecuencia se demuestra que
la descarga de multipactor puede suprimirse completamente en una lÃnea de transmisión coaxial, siempre
que se disponga de un campo magnético suficientemente intenso. El valor concreto del ratio frecuencia
de ciclotron frente a frecuencia de RF necesario para inhibir la descarga depende a su vez del valor de la
frecuencia de RF. Sin embargo, se puede tomar como regla aproximada que la descarga de multipactor no
puede ocurrir cuando la frecuencia de ciclotrón excede a la de RF. Esta aproximación constituye un buen
punto de inicio en la mayorÃa de los casos, antes de realizar las simulaciones numéricas propiamente dichas.
Para validar los resultados teóricos obtenidos en las simulaciones numéricas se llevó a cabo una campaña
de medidas experimentales, obteniéndose unos resultados satisfactorios en la comparacion entre teorÃa y
experimento.
Una vez comprendido satisfactoriamente el caso de mitigación de la descarga de multipactor en guÃa
coaxial con un campo magnetostático uniforme, se analizó en una segunda etapa de este estudio la presencia
de un campo magnetostático no uniforme sobre la guÃa. Este segundo caso supone una situación más realista
desde el punto de vista de una implementación práctica, ya que un campo magnético de estas caracterÃsticas
puede lograrse con un imán permanente de neodimio en forma de cilindro hueco insertando la guÃa coaxial
en su interior. En esta configuración, además del campo magnético axial, existe una componente en la
dirección radial, siendo ambas espacialmente no uniformes. En concreto, la componente axial del campo
magnético presenta una cierta uniformidad en la región central del cilindro imantado, pero su intensidad
desciende rápidamente en la vecindad de las tapas del cilindro. Este hecho es importante desde el punto de
vista de la mitigación de la descarga puesto que, tal y como se comprobó en el caso de campo magnetostático
axial uniforme, se requiere una intensidad alta de campo magnético para suprimir la descarga. Sin embargo,
tras examinar las trayectorias de los electrones en la guÃa coaxial sometida al campo no uniforme del imán,
se constató que la componente radial del campo magnético tendÃa a expulsar al electrón de las regiones de
bajo campo magnético axial, que es donde podrÃa iniciarse la descarga en primera instancia. Gracias a este
fenómeno, el efecto de mitigación de multipactor de un imán cilÃndrico hueco resultó muy similar al del
campo magnetostático axial y uniforme considerado en la primera etapa del estudio. Este hecho se verificó
con una campaña experimental de medidas. Como consecuencia, se puede asumir que la aproximación de
que el multipactor se ve mitigado para frecuencias de RF por debajo del valor de la frecuencia de ciclotrón
también es válido en el caso del imán cilÃndrico hueco.
El segundo bloque temático de esta tesis doctoral tiene como objetivo el estudio del efecto multipactor
en guÃas ridge y multiridge. Este tipo de guÃas tiene muchas aplicaciones en dispositivos de microondas y
RF. Por ejemplo, se usan tanto en aplicaciones de baja como de alta potencia, conformando las secciones
de filtros pasobanda o pasobajo. A su vez, esta clase de filtros son buenos candidatos para aplicaciones destinadas a las telecomunicaciones espaciales, debido a su tamaño compacto y a una buena respuesta en
la banda eliminada. Algunas de sus ventajas son amplio rango espectral de funcionamiento en régimen
monomodo, baja impedancia caracterÃstica y una alta longitud de onda de corte para el modo fundamental.
Algunas aplicaciones concretas de estos filtros son, por ejemplo, como filtros preselectores antes de la
entrada a multiplexores, o como filtros supresores de armónicos después de transmisores y amplificadores,
especialmente en componentes a bordo de satélites.
Para llevar a cabo el estudio del efecto multipactor en este tipo de estructuras, se han elaborado las cartas
de susceptibilidad de multipactor para diferentes configuraciones de guÃas ridge y multiridge. En estas cartas
de susceptibilidad se representa el voltaje umbral de multipactor en función del producto de frecuencia de
RF por gap (tÃpicamente el gap se mantiene fijo y es la frecuencia la que varÃa). Las simulaciones numéricas
requeridas para elaborar las cartas de susceptibilidad se han realizado con un software de uso comercial
denominado FEST3D. Respecto a las estructuras consideradas para las guÃas ridge y multiridge, las alturas
del gap elegidas suelen ser mucho menores que las dimensiones transversales, lo que implica que las estructuras
simuladas se aproximan bastante a una guÃa de placas plano-paralelas. A pesar de esto el análisis cubre
un amplio rango de alturas del gap que son interesantes en aplicaciones prácticas. Con respecto al número
de ridges (inserciones metálicas), se han considerado tres tipos de estructuras diferentes: ridge (un ridge),
ridge doble (dos ridges), y multiridge (tres ridges). Además, existe otra clasificación posible en función de
las dos configuraciones posibles: asimétrica (el ridge o ridges se sitúan solo en la superficie superior de la
guÃa) y simétrica (el ridge o ridges se sitúan tanto en la cara superior como inferior de la guÃa). Las cartas de
susceptibilidad exploran la variación del umbral de multipactor con los dos parámetros fundamentales que
caracterizan la geometrÃa de la guÃa ridge: la altura del gap y la anchura del ridge. Asà mismo, se presenta
un método sencillo para predecir el voltaje umbral de multipactor en estructuras complejas que contengan
varias secciones de guÃas ridge o multiridge. Este procedimiento se constituye como una alternativa a la
simulación precisa del efecto multipactor sobre todo el componente, que puede requerir bastante tiempo de
cálculo. Mediante el uso de las cartas de susceptibilidad, y con el conocimiento de la distibución espacial del
campo electromagnético en el dispositivo, se puede obtener el voltaje umbral de multipactor en el puerto de
entrada del componente asà como la localización en el interior del mismo donde se prevee la descarga. Este
método aproximado se aplicó a un filtro de modos evanescente y a un filtro en banda S para alta potencia,
encontrándose buena concordancia cuando los resultados obtenidos de esta forma fueron comparados con
la simulación del dispositivo completo en FEST3D. En consecuencia, el uso de las cartas de susceptibilidad
de las guÃas ridge y multiridge permite incrementar la capacidad de manejo de potencia del componente, en
comparación con las predicciones dadas por aproximaciones más simplistas como la guÃa de placas planoparalelas, que tiende a ser bastante conservativa para geometrÃas que difieren de dicha situación ideal. De
hecho, de acuerdo con las cartas de susceptibilidad obtenidas, la potencia umbral de la descarga para los filtros
de modo evanescente y para el filtro en banda S están 4 dB y 3.3 dB por encima de los valores obtenidos
mediante las aproximaciones de placas plano-paralelas, respectivamente.
El tercer tema a tratar es el análisis del efecto multipactor con señales moduladas digitalmente. Cabe
mencionar que la mayor parte de las publicaciones relacionadas con el efecto multipactor centran su interés
en el análisis de señales de RF armónicas en el tiempo con una sola señal portadora. Sin embargo, los sistemas
reales de comunicaciones espaciales mediante satélites trabajan con señales multiportadora, donde a
su vez cada una de las portadoras está modulada para usar eficientemente el espectro frecuencial disponible.
Estas señales pueden llegar a ser muy diferentes de una señal no modulada (es decir, de una señal armónica
pura) y, por lo tanto, las conclusiones provenientes de estudios de multipactor basados en señales armónicas
de una sola portadora podrÃan no ser aplicables cuando se emplean señales moduladas. A pesar de
este hecho, existe muy poca bibliografÃa que estudie multipactor con esta clase de señales. Por ello, en este
apartado se pretende estudiar el fenómeno multipactor en una guÃa de transmisión coaxial excitada con una
señal modulada digitalmente. Con este propósito se consideran algunos de los tipos de modulación digital
más empleados como son la Phase-Shift Keying (PSK), la Quadrature Amplitude Modulation (QAM), y la
Amplitude and Phase-Shift Keying (APSK).
Cabe destacar que el estudio del efecto multipactor con señales moduladas ha revelado un alto grado
de complejidad en relación con el resto de temas tratados a lo largo de esta tesis doctoral. En las señales
moduladas digitalmente, en contraste con el caso armónico, la envolvente de la señal varÃa en el transcurso
de la transmisión. Por tanto, la amplitud de la envolvente puede subir y bajar por encima del voltaje umbral
de multipactor del caso armónico en repetidas ocasiones. En aquellos intervalos de tiempo en que el voltaje
excede el umbral del caso armónico, la población de electrones en el interior del coaxial aumentará. Sin
embargo, en la situación opuesta, el número de electrones disminuirá, ya que serán principalmente absorbidos
por las paredes del componente. Debido a esto, en las simulaciones de multipactor es necesario tener en
cuenta y analizar cuidadosamente la forma de toda la señal transmitida, cuya duración suele ser muy larga
si la comparamos con los tiempos en los que se realizan las simulaciones para un escenario tÃpico de una señal
armónica. Una consecuencia inmediata de este hecho es que se requieren tiempos de computación muy
grandes si se pretende simular el efecto multipactor a lo largo de toda la señal. Además de esto, la elección
del criterio teórico de multipactor para esclarecer si se ha producido la descarga llega a ser crÃtica cuando
se trata con señales moduladas. Para el caso de señales armónicas, la evolución en el tiempo del número de
electrones adquiere un comportamiento bien definido (crecimiento o decrecimiento exponencial) después de
un breve transitorio temporal. Por lo tanto, si se observa una tendencia creciente de estas caracterÃsticas, la
población siempre seguirá aumentando hasta que la descarga sea detectada por los instrumentos de medida.
Teniendo en cuenta que la señal se extiende indefinidamente en el tiempo, no importa cómo de lento sea
el ritmo de crecimiento, la población (o densidad) electrónica requerida para la detección de la descarga se
alcanzará finalmente. Sin embargo, cuando está presente una señal modulada tÃpicamente habrá intervalos
alternos de crecimiento y decrecimiento del número de electrones, dependiendo de la forma de la envolvente
de la señal. Asà pués, la elección de la población (o densidad) electrónica que desencadena la descarga, es
decir, el criterio de multipactor, será decisivo a la hora de obtener teóricamente el voltaje umbral. A pesar de
la importancia que conlleva el conocimiento de la densidad electrónica crÃtica, que se traduce en la detección
de la descarga en el laboratorio, este tema aún no ha sido abordado con suficiente profundidad. De hecho,
tan sólo existen algunas publicaciones que tratan este asunto, pero desde un punto de vista meramente teórico
y sin el soporte de resultados experimentales. Para intentar sortear este inconveniente, se ha propuesto
un método indirecto para estimar la densidad electrónica existente durante la detección de la descarga en el
laboratorio, basándose en resultados d
Methodologies for processing plant material into acceptable food on a small scale
Based on the Controlled Environment Life Support System (CELSS) production of only four crops, wheat, white potatoes, soybeans, and sweet potatoes; a crew size of twelve; a daily planting/harvesting regimen; and zero-gravity conditions, estimates were made on the quantity of food that would need to be grown to provide adequate nutrition; and the corresponding amount of biomass that would result. Projections were made of the various types of products that could be made from these crops, the unit operations that would be involved, and what menu capability these products could provide. Equipment requirements to perform these unit operations were screened to identify commercially available units capable of operating (or being modified to operate) under CELSS/zero-gravity conditions. Concept designs were developed for those equipment needs for which no suitable units were commercially available. Prototypes of selected concept designs were constructed and tested on a laboratory scale, as were selected commercially available units. This report discusses the practical considerations taken into account in the various design alternatives, some of the many product/process factors that relate to equipment development, and automation alternatives. Recommendations are made on both general and specific areas in which it was felt additional investigation would benefit CELSS missions