Panduan untuk menyiapkan sistem vakum Anda untuk ruang Pengujian Thruster 5 November 2021

Daftar isi

Menentukan jenis kepala dingin
Hitung jumlah cold head dan cryopanel yang diperlukan
Langkah selanjutnya dalam teknologi ruang angkasa dan thruster

Dengan kemajuan yang hampir konstan dalam teknologi dan sains pintar, ada peningkatan permintaan terhadap satelit. Untuk meningkatkan kemampuan satelit dan memenuhi kebutuhan pasar, organisasi mengkomersialkan peralatan bernilai jutaan dolar dan mengembangkan teknik pengujian yang lebih efisien untuk teknologi ruang angkasa.

Satelit GEO, MEO, dan LEO menavigasi ruang di sekitar bumi pada ketinggian yang berbeda. Semuanya menggunakan thruster untuk melakukan penyesuaian kecil pada posisi dan ketinggian mereka. Sementara thruster beroperasi dengan berbagai jenis bahan propelan, di sini kita berfokus pada propulsi listrik (EP) - dan lebih khususnya thruster ion.

Xenon telah lama menjadi pilihan untuk EP. Namun, harga xenon yang tinggi dan peningkatan permintaan mendorong organisasi untuk menemukan alternatif yang lebih murah. Hal ini menyebabkan kripton menjadi bahan bakar pilihan untuk beberapa misi luar angkasa. Berikut ini adalah panduan umum untuk membangun sistem vakum untuk ruang pengujian thruster. 

Seperti yang telah kami sebutkan di blog kami tentang teknologi vakum untuk ruang simulasi ruang angkasa, kombinasi cryocooler tipe Gifford McMahon dan pelat kondensasi (cryopanel) digunakan untuk memompa xenon selama proses pengujian thruster. Gas kripton dikondensasikan dengan cara yang sama. Namun, kriteria yang berbeda harus dipertimbangkan tergantung pada sifat bahan bakar yang digunakan.

Menentukan jenis kepala dingin

Sebelum menentukan jumlah cryopanel yang diperlukan untuk mencapai kecepatan pemompaan yang diinginkan, kita harus terlebih dahulu menentukan jenis cold head yang paling sesuai untuk aplikasi, yaitu berdasarkan parameter proses.

Kepala dingin ditentukan oleh: 

Jenis gas penggerak: Krypton (Kr), Xenon (Xe)
Tekanan proses biasanya diambil dalam kisaran 5e-6 mbar hingga 5e-5 mbar.

Sebagai aturan praktis, suhu kondensasi yang dipilih untuk kripton harus mengakibatkan tekanan uap saturasi satu urutan lebih rendah dari tekanan yang diperlukan. Hal ini untuk memperhitungkan peningkatan suhu setelah kondensasi yang dapat menyebabkan peningkatan tekanan. 

Oleh karena itu, kami memilih:

 T= 33K sebagai suhu kondensasi untuk kripton
dan T = 45 K untuk xenon.

Hal ini membuat kita tetap berada di wilayah dataran tinggi kecepatan pemompaan maksimum per area permukaan.

Secara umum, cold head satu tahap digunakan untuk jenis aplikasi ini dalam kombinasi dengan cryopanel.

Catatan: kapasitas pendinginan mewakili beban panas maksimum dalam Watt yang dapat diterapkan pada panel untuk mempertahankan suhu yang diperlukan.

Sebagai contoh, kami memilih cold head CP 250 MDi, yang memiliki kapasitas pendinginan 83 W pada 33 K (untuk kondensasi Kr) dan 122 W pada 45 K (untuk kondensasi Xe). 

Setelah memilih cold head yang sesuai dan menilai kapasitas pendinginannya, kita sekarang dapat menghitung diameter maksimum yang diizinkan untuk cryopanel yang dapat kita pasang ke cold head. 

Untuk melakukan perhitungan ini, kami mempertimbangkan perpindahan panas melalui radiasi sebagai satu-satunya bentuk perpindahan panas; ini karena proses ini terjadi pada vakum tinggi. 

Estimasi ini dibuat dengan mempertimbangkan margin keselamatan berikut:

Beban panas maksimum sama dengan kapasitas pendinginan pada T= 33K dan T= 45K 
Koefisien emisi dinding ruang sama dengan 1; εw= 1 (radiasi bodi hitam). Hal ini untuk mempertimbangkan bahwa mungkin ada sputtering dan/atau erosi pada dinding ruang setelah pengujian thruster dalam jangka waktu yang lama. Hal ini akan memengaruhi emisitivitas dinding ruang. Emisivitas asli adalah antara 0,4 - 0,7 untuk dinding stainless steel yang bersih. Tergantung pada perawatan, nilai ini juga dapat lebih rendah dari nilai yang disebutkan.
Koefisien emisi cryopanel (Ni plate tembaga plate εk ~ 0,1) diambil sama dengan 0,7 untuk memperhitungkan lapisan es tebal yang terbentuk di permukaan panel setelah beberapa jam pemompaan.

Di mana σ didefinisikan sebagai konstanta Stefan-Botlzmann, perhitungan ini dapat diperkirakan sebagai:

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))

Kami menganggap Aw (luas dinding) = Ak (luas cryopanel) sebagai dua pelat paralel (beban panas maksimum) dengan faktor tampilan sama dengan 1. Tk = 33K atau 45 K dan Tw = 298 K.

Dengan menggunakan persamaan dan nilai yang disebutkan di atas, kami menghitung diameter panel maksimum yang diizinkan tergantung pada head dingin dan gas yang akan dipompa. Kami juga menyediakan batas yang perlu kami patuhi untuk memastikan kecepatan pemompaan dan tekanan proses yang tinggi dan stabil. 

Setelah diameter panel dipilih, kita dapat menghitung jumlah panel untuk total aliran Krypton dan Xenon.

Hitung jumlah cold head dan cryopanel yang diperlukan

Untuk menghitung jumlah cold head dan cryopanel yang dibutuhkan, kami pertama-tama menghitung: 

Kecepatan pemompaan per area permukaan - SA = SQRT (kB*10*T/(2*M*π))

Kecepatan pemompaan teoritis per panel - S= SA *Ak (area panel). Di sini kita hanya mempertimbangkan permukaan depan panel sebagai permukaan pemompaan.

Dengan SA (Kr) = 6,6 l/s.cm2 dan SA (Xe) = 5,44 l/s.cm2, kecepatan pemompaan panel dapat dihitung untuk setiap gas sebagai: kita memperkirakan pengurangan kecepatan pemompaan sebesar 10% sebagai margin keamanan sehingga kecepatan pemompaan efektif sama dengan Seff = S*0,9 = SA *Ak *0,9

Sekarang kita mempertimbangkan aliran setiap gas pada waktu tertentu: pada aliran gas tertentu dqpv/dt [Pa.l/dt] kecepatan pemompaan yang diperlukan Stot dihitung tergantung pada tekanan proses P sebagai berikut Stot = dqpv/dt / P

Dengan kecepatan pemompaan total yang diperlukan, jumlah panel yang diperlukan dapat dihitung dengan membagi Stot dengan kecepatan pemompaan efektif panel. 

Oleh karena itu, jumlah panel yang diperlukan adalah; N = Stot / Seff

Langkah selanjutnya dalam teknologi ruang angkasa dan thruster

Tanpa ruang pengujian yang sesuai dan simulasi vakum, tidak mungkin untuk meningkatkan kemampuan teknologi ruang angkasa dan satelit. Dalam panduan ini, kami telah membagikan perhitungan yang akan mendukung Anda dalam membangun ruang pengujian untuk thruster yang menggunakan gas Krypton atau Xenon. 