Panduan untuk menyediakan sistem vakum anda bagi ruang Ujian Thruster 5 November 2021

1. Tentukan jenis kepala sejuk
2. Kira jumlah kepala sejuk dan cryopanels yang diperlukan
3. Langkah seterusnya dalam teknologi angkasa dan pendorong

Sebelum menentukan jumlah cryopanels yang diperlukan untuk mencapai kelajuan pam yang diingini, kita mesti terlebih dahulu menentukan jenis kepala sejuk yang paling sesuai untuk aplikasi tersebut iaitu berdasarkan parameter proses.

Kepala sejuk ditentukan oleh: 

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

Sebagai peraturan umum, suhu kondensasi yang dipilih untuk kripton harus menghasilkan tekanan wap tepu yang satu orde magnitud lebih rendah daripada tekanan yang diperlukan. Ini adalah untuk mengambil kira sebarang peningkatan suhu selepas pemeluwapan yang mungkin menyebabkan peningkatan tekanan. 

Oleh itu, kami memilih:

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

Ini memastikan kita berada di kawasan dataran bagi kelajuan pam maksimum per kawasan permukaan. 

Secara umum, kepala sejuk satu peringkat digunakan untuk jenis aplikasi ini bersama dengan panel kriogenik. 

Nota: kapasiti penyejukan mewakili beban haba maksimum dalam Watt yang boleh dikenakan pada panel untuk mengekalkan suhu yang diperlukan.

Sebagai contoh, kami memilih cold head CP 250 MDi, yang mempunyai kapasiti penyejukan sebanyak 83W pada 33K (untuk pemeluwapan Kr) dan 122 W pada 45 K (untuk pemeluwapan Xe). 

Setelah memilih kepala sejuk yang sesuai dan menilai kapasiti penyejukannya, kita kini boleh mengira diameter maksimum yang dibenarkan untuk cryopanel yang boleh kita pasang pada kepala sejuk. 

Untuk membuat pengiraan ini, kami menganggap pemindahan haba melalui radiasi sebagai satu-satunya bentuk pemindahan haba; ini kerana proses ini berlaku dalam vakum tinggi. 

Anggaran ini dibuat dengan mengambil kira margin keselamatan berikut:

1. Beban haba maksimum adalah sama dengan kapasiti penyejukan pada T= 33K dan T= 45K 
2. Koefisien emisi dinding ruang sama dengan 1; εw= 1 (radiasi badan hitam). Ini adalah untuk mempertimbangkan bahawa mungkin terdapat percikan dan/atau hakisan dinding ruang selepas tempoh ujian pendorong yang panjang. Ini akan mempengaruhi emisiviti dinding ruang. Emisiviti asal adalah antara 0,4 - 0,7 untuk dinding keluli tahan karat yang bersih. Bergantung kepada rawatan, ia juga boleh lebih rendah daripada nilai yang disebutkan.
3. Koefisien emisi panel kriogenik (plat Ni plat tembaga εk ~ 0,1) diambil sama dengan 0,7 untuk mengambil kira lapisan tebal ais yang terbentuk di permukaan panel selepas beberapa jam mengepam.

Di mana σ ditakrifkan sebagai pemalar Stefan-Boltzmann, pengiraan ini boleh diekstrapolasi 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 plat selari (beban haba maksimum) dengan faktor pandangan sama dengan 1. Tk = 33K atau 45K dan Tw = 298K.

Menggunakan persamaan dan nilai yang disebutkan di atas, kami mengira diameter panel maksimum yang dibenarkan bergantung kepada kepala sejuk dan gas yang akan dipam. Kami juga menyediakan had yang perlu kami patuhi untuk memastikan kelajuan pam yang tinggi dan stabil serta tekanan proses. 

Setelah diameter panel dipilih, kita boleh mengira jumlah panel untuk aliran keseluruhan Krypton dan Xenon.

Untuk mengira bilangan kepala sejuk dan panel kriogenik yang diperlukan, kami terlebih dahulu mengira: 

• Kelajuan pam setiap kawasan permukaan — SA = SQRT (kB*10*T/(2*M*π))

• Kelajuan pam teoritis setiap panel — S= SA *Ak (luas panel). Di sini, kami hanya mempertimbangkan permukaan depan panel sebagai permukaan pam.

• Mempunyai SA (Kr) = 6,6 l/s.cm2 dan SA (Xe) = 5,44 l/s.cm2 , kelajuan pam panel boleh dikira untuk setiap gas sebagai: kami menganggarkan pengurangan kelajuan pam sebanyak 10% sebagai margin keselamatan menjadikan kelajuan pam berkesan 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/s] kelajuan pam yang diperlukan Stot dikira bergantung kepada tekanan proses P seperti berikut Stot = dqpv/dt / P

Dengan jumlah kelajuan pam yang diperlukan, bilangan panel yang diperlukan boleh dikira dengan membahagikan Stot dengan kelajuan pam berkesan panel tersebut. 

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

Tanpa ruang ujian yang sesuai dan simulasi vakum, adalah mustahil untuk meningkatkan keupayaan teknologi angkasa dan satelit. Dalam panduan ini, kami telah berkongsi pengiraan yang akan menyokong anda dalam membina ruang ujian untuk pendorong yang menggunakan gas Krypton atau Xenon.