Bagaimana ia berfungsi: teknologi vakum untuk ruang simulasi angkasa 7 Ogos 2020

Untuk mensimulasikan keadaan angkasa di Bumi, jurutera aeroangkasa mesti mempunyai akses kepada keadaan tekanan rendah yang serupa. Kamar vakum simulasi ruang angkasa yang digunakan untuk menguji satelit bernilai jutaan dolar dan objek lain yang ditakdirkan untuk orbit mesti memenuhi syarat yang ketat.

Setelah dilancarkan, pembaikan satelit menjadi jauh lebih mencabar. Oleh itu, ujian satelit dalam vakum sebelum pelancaran adalah kritikal.

Jurutera menguji satelit dalam beberapa senario yang melibatkan keadaan tekanan yang sangat rendah (tahap vakum tinggi dan ultra-tinggi).

Mengosongkan ruang vakum termal memerlukan proses dua peringkat. Pertama, pengendali mengepam keluar udara. Kemudian, mereka mengepam keluar gas yang dilepaskan dari dinding dan objek ujian. Masa pemindahan boleh mengambil masa sehari atau lebih bergantung kepada saiz dan reka bentuk satelit. 

Satelit mengalami suhu yang ekstrem semasa mereka mengorbit. Untuk ujian ini, jurutera memerlukan akses kepada tekanan vakum tinggi (HV) sekurang-kurangnya 1 x 10^-6 mbar atau lebih rendah di dalam ruang vakum terma. 

Teknologi ruang vakum termal adalah sangat berkuasa. Beberapa ruang ujian vakum termal bahkan boleh mensimulasikan angin solar. Jumlah ruang khas ini adalah sehingga 10,000 m³. 

Selain menguji satelit itu sendiri, setiap komponen diuji secara individu sebelum digabungkan ke dalam sistem. Ini memerlukan ruang ujian yang lebih kecil dengan isipadu 1 hingga 100 m³.

Pam penyebaran minyak besar dan panel yang disejukkan dengan helium adalah standard beberapa dekad yang lalu. Hari ini, sistem vakum moden tanpa minyak adalah suatu keperluan untuk ujian ruang vakum termal. Pam kriogenik yang disejukkan oleh peti sejuk cryopumps adalah tipikal untuk tahap vakum tinggi yang diperlukan untuk operasi bersih. 

Untuk mengekalkan atau mengubah orbit mereka, satelit memerlukan penyesuaian semula yang kerap, yang paling biasa dilakukan melalui propulsi elektrik moden. Pendorong ion mempercepat ion (sering kali gas inert berat xenon), menetralkannya, dan mengeluarkannya dalam bentuk jet. 

Pendorong ion membolehkan sama ada muatan yang lebih ringan atau masa operasi yang lebih lama. 

Kapasiti besar dan reka bentuk yang dipermudahkan bagi ruang pam kriogenik membantu mengurangkan kos keseluruhan dan membolehkan ujian kestabilan jangka panjang.  

Thruster ion mesti diuji untuk jangka masa yang panjang dalam ruang vakum di bawah keadaan angkasa, termasuk kehadiran gas xenon yang akan dikeluarkan oleh satelit. Untuk mencapai aliran gas pada tekanan 10 x 10-⁵ mbar atau lebih rendah, ruang tersebut mesti menyokong kelajuan pam antara 10,000 l/s hingga beberapa 100,000 l/s.

Xenon tidak mudah untuk dipam — konduktiviti haba yang lemah boleh menyebabkan pam turbomolekul terlalu panas semasa pemampatan. Selain itu, berat molekulnya yang besar menyebabkan konduktansi baffle dan injap yang lemah, yang boleh mengurangkan kelajuan pam cryo dan pam difusi lebih daripada 50%. Syukurlah, TURBOVAC i dari Leybold direka untuk mengatasi cabaran ini.

Untuk mencapai kelajuan pam yang luar biasa yang diperlukan untuk simulasi ruang angkasa dalam kehadiran xenon, panel sejuk ditambah ke dalam ruang. Panel-panel tersebut disejukkan kepada suhu di bawah 50K oleh penyejuk kriogenik satu peringkat. Gas xenon dicairkan terus pada panel di dalam ruang vakum. 

Potensi untuk ujian kestabilan yang diperluas dan menyeluruh adalah jelas. Panel krio kecil dengan diameter 600mm mempunyai kelajuan pam sebanyak 16,000 l/s di dalam ruang dengan tiada kehilangan konduktans kerana ia terdedah secara langsung di dalam ruang. Angka ini meningkat secara eksponen dengan setiap panel pam tambahan. 

Tanpa kemampuan untuk mensimulasikan keadaan angkasa sebelum pelancaran, penerbangan angkasa tidak akan mungkin dilakukan kerana pemahaman tentang tingkah laku di angkasa memerlukan beberapa ujian dalam persekitaran itu.

Simulasi angkasa adalah aplikasi kritikal teknologi vakum lanjutan.