Hoe het werkt: vacuümtechnologie voor ruimtesimulatiekamers 7 augustus 2020

Om ruimtelijke omstandigheden op aarde te simuleren, moeten luchtvaartingenieurs toegang hebben tot vergelijkbare lagedrukomstandigheden. Ruimtesimulatievacuümkamers die worden gebruikt voor het testen van satellieten van meerdere miljoenen dollars en andere objecten die voor de baan bestemd zijn, moeten aan strenge eisen voldoen.

Eenmaal gelanceerd wordt de reparatie van een satelliet veel uitdagender. Daarom is het van cruciaal belang om een satelliet voorafgaand aan de lancering in een vacuüm te testen.

Ingenieurs testen satellieten in verschillende scenario's met zeer lage drukomstandigheden (hoge en ultrahoge vacuümniveaus).

Het evacueren van thermische vacuümkamers vereist een tweefasig proces. Eerst pompen operators de lucht eruit. Vervolgens pompen ze de gassen uit de wanden en de testobjecten. De evacuatietijd kan een dag of langer duren, afhankelijk van de grootte en het ontwerp van de satelliet. 

Satellieten ervaren extreme temperaturen tijdens hun baan. Voor deze test hebben technici toegang nodig tot een hoogvacuümdruk (HV) van ten minste 1 x 10-6 mbar of lager in een thermische vacuümkamer. 

Thermische vacuümkamertechnologie is vrij krachtig. Sommige thermische vacuümtestkamers kunnen zelfs zonnewind simuleren. Het volume van deze gespecialiseerde kamers bedraagt maximaal 10.000 m³. 

Naast het testen van de satelliet zelf wordt elk onderdeel afzonderlijk getest voordat het in het systeem wordt geïntegreerd. Hiervoor zijn kleinere testkamers met een volume van 1 tot 100 m³ nodig.

Grote oliediffusiepompen en heliumgekoelde panelen waren enkele decennia geleden standaard. Tegenwoordig zijn moderne, olievrije vacuümsystemen een must voor thermische vacuümkamertests. Koelergekoelde cryopompen zijn typisch voor de hoge vacuümniveaus die nodig zijn voor een schone werking. 

Om hun baan te behouden of te verplaatsen, moeten satellieten vaak opnieuw worden gepositioneerd, meestal via moderne elektrische aandrijving. Ionenversnellers versnellen ionen (vaak van het zware inerte gas xenon), neutraliseren ze en stoten ze uit in een straal. 

Ionenthrusters maken een lagere nuttige last of een langere bedrijfstijd mogelijk. 

De grote capaciteit en het gestroomlijnde ontwerp van cryopompkamers helpen de totale kosten te verlagen en maken langdurige stabiliteitstests mogelijk.  

Ionenpropellers moeten gedurende lange perioden in een vacuümkamer onder ruimtelijke omstandigheden worden getest, inclusief de aanwezigheid van het xenongas dat de satelliet zal uitstoten. Om een gasstroom te bereiken bij drukwaarden van 10 x 10-5 mbar of lager, moet de kamer pompsnelheden van 10.000 l/s tot enkele 100.000 l/s ondersteunen.

Xenon is niet gemakkelijk te verpompen – de slechte warmtegeleiding kan turbomoleculaire pompen oververhitten tijdens compressie. Bovendien veroorzaakt het aanzienlijke moleculaire gewicht een slechte geleidbaarheid van de baffle en de klep, wat de pompsnelheid van cryopompen en diffusiepompen met meer dan 50% kan verlagen. Gelukkig is de TURBOVAC i van Leybold ontworpen om deze uitdagingen het hoofd te bieden.

Om de enorme pompsnelheid te bereiken die nodig is voor ruimtesimulatie in aanwezigheid van xenon, worden koude panelen aan de kamer toegevoegd. De panelen worden gekoeld tot temperaturen onder 50K door eentraps cryokoelers. Xenongas condenseert direct op de panelen in de vacuümkamer. 

Het potentieel voor uitgebreide, uitgebreide stabiliteitstests is duidelijk. Een klein cryopaneel met een diameter van 600 mm heeft een pompsnelheid van 16.000 l/s in de kamer met nul geleidbaarheidsverliezen omdat het rechtstreeks in de kamer wordt blootgesteld. Dit cijfer neemt exponentieel toe met elk bijkomend pomppaneel. 

Zonder de mogelijkheid om ruimteomstandigheden te simuleren vóór de lancering, zouden ruimtevluchten niet mogelijk zijn, omdat inzicht in het gedrag in de ruimte enige testen in die omgeving vereist.

Ruimtesimulatie is een kritische toepassing van geavanceerde vacuümtechnologie.