İtici Test odaları için vakum sisteminizi hazırlama kılavuzu 5 Kasım 2021

İçindekiler

Soğuk kafa tipini belirleme
Gerekli soğuk kafa ve kriyopanel sayısını hesaplayın
Uzay ve itici teknolojisinde bir sonraki adım

Akıllı teknoloji ve bilimdeki neredeyse sürekli gelişmelerle birlikte uydulara yönelik talep de artmaktadır. Uydu yeteneklerini iyileştirmek ve pazarın ihtiyaçlarını karşılamak için kuruluşlar milyonlarca dolarlık ekipmanları ticarileştiriyor ve uzay teknolojisi için daha verimli test teknikleri geliştiriyor.

GEO, MEO ve LEO uyduları, dünyayı çevreleyen uzayda farklı yüksekliklerde gezinir. Hepsi, konumlarında ve yüksekliklerinde küçük ayarlamalar yapmak için iticiler kullanır. İticiler farklı türlerde yakıtla çalışırken, burada elektrikli tahrike (EP) ve daha spesifik olarak iyon iticilere odaklanıyoruz.

Ksenon, EP için uzun süredir tercih edilmektedir. Ancak ksenonun yüksek fiyatı ve artan talebi, kuruluşları daha ucuz bir alternatif bulmaya zorlamaktadır. Bu da kriptonun birçok uzay misyonu için tercih edilen yakıt haline gelmesine yol açtı. Aşağıda, itici test odaları için vakum sistemleri oluşturma konusunda genel bir kılavuz paylaşıyoruz. 

Uzay simülasyon hazneleri için vakum teknolojisi blogumuzda belirttiğimiz gibi, iticinin test süreci sırasında ksenon pompalamak için Gifford McMahon tipi bir kriyosoğutucu ve bir yoğunlaştırma plakası (kriyopanel) kombinasyonu kullanılmaktadır. Kripton gazı da aynı şekilde yoğuşturulur. Bununla birlikte, kullanılan itici maddenin niteliğine bağlı olarak farklı kriterler dikkate alınmalıdır.

Soğuk kafa tipini belirleme

İstenen pompalama hızına ulaşmak için gereken kriyopanel sayısını belirlemeden önce, uygulama için en uygun soğuk kafa türünü, yani proses parametrelerine göre belirlememiz gerekir.

Soğuk kafa şunlarla belirlenir: 

İtici gaz türü: Kripton (Kr), Xenon (Xe)
Proses basıncı genellikle 5e-6 mbar ila 5e-5 mbar aralığında alınır.

Genel bir kural olarak, kripton için seçilen yoğuşma sıcaklığı, gerekli basınçtan bir büyüklük derecesi daha düşük bir doygunluk buharı basıncına yol açacaktır. Bu, basınç artışına neden olabilecek yoğuşma sonrası sıcaklık artışını hesaba katmak içindir. 

Bu nedenle:

 Kripton için yoğuşma sıcaklığı olarak T= 33K
ve Xenon için T = 45 K.

Bu da bizi yüzey alanı başına maksimum pompalama hızının plato bölgesinde tutar.

Genel olarak, tek aşamalı soğuk başlıklar bu tür bir uygulama için bir kriyopanel ile birlikte kullanılır.

Not: Soğutma kapasitesi, gerekli sıcaklığı korumak için panele uygulanabilen Watt cinsinden maksimum ısı yükünü temsil eder.

Örnek olarak, 33K'da (Kr yoğuşma için) 83 W ve 45K'da (Xe yoğuşma için) 122 W soğutma kapasitesine sahip CP 250 MDi soğuk kafayı seçtik. 

Uygun bir soğuk kafa seçtikten ve soğutma kapasitesini değerlendirdikten sonra, soğuk kafaya takabileceğimiz kriyopanel için izin verilen maksimum çapı hesaplayabiliriz. 

Bu hesaplamayı yapmak için, ısı transferinin tek şekli olarak radyasyon yoluyla ısı transferini düşünüyoruz; bunun nedeni, prosesin yüksek vakumda gerçekleşmesidir. 

Bu tahmin aşağıdaki güvenlik marjları dikkate alınarak yapılır:

Maksimum ısı yükü T= 33K ve T= 45K'de soğutma kapasitesine eşittir 
Hazne duvarlarının emisyon katsayısı 1'e eşittir; εw= 1 (siyah gövde radyasyonu). Bu, uzun süreli itici testinden sonra hazne duvarlarında püskürtme ve/veya erozyon olabileceğini dikkate almak içindir. Bu, hazne duvarlarının emisyonunu etkileyecektir. Temiz paslanmaz çelik duvarlar için orijinal emisyon 0,4 - 0,7 arasındadır. Tedaviye bağlı olarak belirtilen değerlerden daha düşük de olabilir.
Kriyopanellerin emisyon katsayısı (Ni plaka bakır plakalar εk ~ 0,1), birkaç saat pompalamadan sonra panellerin yüzeyinde oluşan kalın buz katmanlarını hesaba katmak için 0,7'ye eşit olarak alınır.

σ Stefan-Botlzmann sabiti olarak tanımlandığında, bu hesaplama şu şekilde tahmin edilebilir:

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))

Aw (duvar alanı) = Ak (kriyopanel alanı) değerini, 1'e eşit bir görüş faktörüne sahip iki paralel plaka (maksimum ısı yükü) olarak düşünürüz. Tk = 33K veya 45 K ve Tw = 298 K.

Yukarıda belirtilen denklemi ve değerleri kullanarak, soğuk kafa ve pompalanacak gaza bağlı olarak izin verilen maksimum panel çapını hesaplarız. Ayrıca yüksek ve kararlı pompalama hızı ve proses basıncı sağlamak için uymamız gereken sınırı da sağlıyoruz. 

Panelin çapı seçildikten sonra, toplam Kripton ve Xenon akışı için panel sayısını hesaplayabiliriz.

Gerekli soğuk kafa ve kriyopanel sayısını hesaplayın

Gerekli soğuk kafa ve kriyopanel sayısını hesaplamak için önce şunları hesaplarız: 

Yüzey alanı başına pompalama hızı - SA = SQRT (kB*10*T/(2*M*π))

Panel başına teorik pompalama hızı - S= SA *Ak (panel alanı). Burada sadece panelin ön yüzeyini pompalama yüzeyi olarak değerlendiriyoruz.

SA (Kr) = 6,6 l/s.cm2 ve SA (Xe) = 5,44 l/s.cm2 olduğunda, panel pompalama hızı her gaz için şu şekilde hesaplanabilir: etkili pompalama hızını Seff = S*0,9 = SA *Ak *0,9'a eşit hale getiren bir güvenlik marjı olarak pompalama hızında %10 azalma tahmin ediyoruz

Şimdi belirli bir zamanda her gazın akışını göz önünde bulunduruyoruz: belirli bir gaz akışında dqpv/dt [Pa.l/s] gerekli pompalama hızı Stot, proses basıncına P bağlı olarak şu şekilde hesaplanır: Stot = dqpv/dt / P

Gerekli toplam pompalama hızına sahip olan panellerin sayısı, Stot'un panelin etkili pompalama hızına bölünmesiyle hesaplanabilir. 

Bu nedenle gerekli panel sayısı; N = Stot / Seff

Uzay ve itici teknolojisinde bir sonraki adım

Amaca uygun test odaları ve vakum simülasyonları olmadan uzay ve uydu teknolojisinin yeteneklerini geliştirmek imkansız olurdu. Bu kılavuzda, Krypton veya Xenon gaz kullanan iticiler için test odaları inşa ederken sizi destekleyecek hesaplamaları paylaştık. 