Una guía para preparar su sistema de vacío para cámaras de pruebas de propulsores 5 de noviembre de 2021
Con los avances casi constantes en tecnología inteligente y ciencia, existe una mayor demanda de satélites. Para mejorar las capacidades de los satélites y satisfacer las necesidades del mercado, las organizaciones están comercializando equipos de varios millones de dólares y desarrollando técnicas de pruebas más eficientes para la tecnología espacial.
Los satélites GEO, MEO y LEO navegan por el espacio que rodea la Tierra a diferentes alturas. Todos ellos utilizan propulsores para realizar pequeños ajustes en su posición y altitud. Mientras que los propulsores funcionan con diferentes tipos de material propulsor, aquí nos centramos en la propulsión eléctrica (EP), y más específicamente en los propulsores de iones.
El xenón ha sido durante mucho tiempo la opción preferida por EP. Sin embargo, el alto precio del xenón y el aumento de la demanda están empujando a las organizaciones a encontrar una alternativa más barata. Esto ha llevado al criptón a convertirse en el propulsor de elección para varias misiones espaciales. A continuación, compartimos una guía general para construir sistemas de vacío para cámaras de prueba de propulsores.
Como hemos mencionado en nuestro blog sobre tecnología de vacío para cámaras de simulación espacial, se utiliza una combinación de un enfriador criogénico tipo Gifford McMahon y una placa de condensación (panel criogénico) para bombear xenón durante el proceso de prueba del propulsor. El gas criptón se condensa de la misma manera. Sin embargo, se deben tener en cuenta diferentes criterios en función de la naturaleza del propelente utilizado.
Determine el tipo de cabezal frío
Antes de determinar el número de paneles criogénicos necesarios para alcanzar la velocidad de bombeo deseada, debemos determinar primero el tipo de cabezal frío más adecuado para la aplicación, es decir, en función de los parámetros del proceso.
La cabeza fría se determina por:
- Tipo de gas impulsor: criptón (Kr), xenón (Xe)
- La presión de proceso suele estar en el rango de 5e-6 mbar a 5e-5 mbar.
Como regla general, la temperatura de condensación elegida para el criptón debe conducir a una presión de vapor de saturación de un orden de magnitud inferior a la presión requerida. Esto es para tener en cuenta cualquier aumento de temperatura después de la condensación que pueda provocar un aumento de presión.
Así que elegimos:
- T = 33 K como temperatura de condensación para el criptón
- y T = 45 K para xenón.
Esto nos mantiene en la región de meseta de la velocidad de bombeo máxima por área de superficie.
En general, los cabezales fríos de una etapa se utilizan para este tipo de aplicación en combinación con un panel criogénico.
Nota: la capacidad de refrigeración representa la carga térmica máxima en vatios que se puede aplicar al panel para mantener la temperatura necesaria.
Como ejemplo, elegimos el cabezal frío CP 250 MDi, que tiene una capacidad de refrigeración de 83 W a 33 K (para condensación de Kr) y 122 W a 45 K (para condensación de Xe).
Después de haber elegido un cabezal frío adecuado y haber evaluado su capacidad de enfriamiento, ahora podemos calcular el diámetro máximo permitido para el panel criogénico que podemos conectar al cabezal frío.
Para hacer este cálculo, consideramos la transferencia de calor por radiación como la única forma de transferencia de calor; esto se debe a que el proceso se produce a alto vacío.
Esta estimación se realiza teniendo en cuenta los siguientes márgenes de seguridad:
- La carga térmica máxima es igual a la capacidad de refrigeración a T = 33 K y T = 45 K
- Coeficiente de emisión de las paredes de la cámara igual a 1; εw= 1 (radiación de cuerpo negro). Esto se debe tener en cuenta que puede haber pulverización catódica y/o erosión de las paredes de la cámara después de un período prolongado de prueba del propulsor. Esto afectará a la emissividad de las paredes de la cámara. La emissividad original está entre 0,4 y 0,7 para paredes de acero inoxidable limpias. Dependiendo del tratamiento, también puede ser inferior a los valores mencionados.
- El coeficiente de emisión de los paneles criogénicos (placas de cobre de placa de Ni εk ~ 0,1) se toma igual a 0,7 para tener en cuenta las capas gruesas de hielo que se forman en la superficie de los paneles después de varias horas de bombeo.
Donde σ se define como la constante de Stefan-Botlzmann, este cálculo se puede extrapolar como:
Q = f*εk* Ak*σ* (Tw4-Tk4)
f = 1/(1+ εk* Ak* (1/εw -1)/Aw )
Ak =Aw
f = 1/(1+ εk* (1/εw -1))
Ak= Q/ (f*εk*σ* (Tw4-Tk4))
Consideramos Aw (área de la pared) = Ak (área del panel criogénico) como dos placas paralelas (carga térmica máxima) con un factor de vista igual a 1. Tk = 33 K o 45 K y Tw = 298 K.
Utilizando la ecuación y los valores mencionados anteriormente, calculamos el diámetro máximo permitido del panel en función de la cabeza fría y del gas que se vaya a bombear. También proporcionamos el límite que necesitamos cumplir para garantizar una velocidad de bombeo y una presión de proceso altas y estables.
Una vez elegido el diámetro del panel, podemos calcular los paneles numéricos para el flujo total de criptón y xenón.
Calcule el número necesario de cabezales fríos y paneles criogénicos
Para calcular el número de cabezales fríos y paneles criogénicos necesarios, primero calculamos:
- Velocidad de bombeo por área de superficie - SA = SQRT (kB*10*T/(2*M*π))
- Velocidad de bombeo teórica por panel - S= SA *Ak (área del panel). Aquí solo consideramos la superficie frontal del panel como la superficie de bombeo.
- Teniendo SA (Kr) = 6,6 l/s.cm2 y SA (Xe) = 5,44 l/s.cm2, la velocidad de bombeo de los paneles se puede calcular para cada gas como: estimamos una reducción de la velocidad de bombeo del 10 % como margen de seguridad, lo que hace que la velocidad de bombeo efectiva sea igual a Seff = S*0,9 = SA *Ak *0,9
- Ahora consideramos el flujo de cada gas en un momento dado: a un determinado flujo de gas dqpv/dt [Pa.l/s], la velocidad de bombeo necesaria Stot se calcula en función de la presión del proceso P como sigue Stot = dqpv/dt / P
Teniendo la velocidad de bombeo total necesaria, el número necesario de paneles se puede calcular dividiendo Stot por la velocidad de bombeo efectiva del panel.
Por lo tanto, el número de paneles necesarios es; N = Stot / Seff
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