Cách thức hoạt động: công nghệ chân không cho buồng mô phỏng không gian Ngày 7 tháng 8 năm 2020

Để mô phỏng điều kiện không gian trên Trái đất, các kỹ sư hàng không vũ trụ phải có quyền tiếp cận các điều kiện áp suất thấp tương tự. Buồng chân không mô phỏng không gian được sử dụng để kiểm tra các vệ tinh trị giá hàng triệu đô la và các vật thể khác dành cho quỹ đạo phải đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt.

Sau khi ra mắt, việc sửa chữa vệ tinh trở nên khó khăn hơn nhiều. Do đó, việc kiểm tra vệ tinh trong chân không trước khi phóng là rất quan trọng.

Các kỹ sư kiểm tra vệ tinh trên một số tình huống liên quan đến điều kiện áp suất rất thấp (mức chân không cao và siêu cao).

Việc hút chân không trong buồng chân không nhiệt đòi hỏi một quy trình hai giai đoạn. Đầu tiên, người vận hành bơm khí ra. Sau đó, chúng bơm khí được giải phóng ra khỏi các bức tường và các đối tượng kiểm tra. Thời gian sơ tán có thể mất từ một ngày trở lên, tùy thuộc vào kích thước và thiết kế của vệ tinh. 

Các vệ tinh gặp phải nhiệt độ cực cao khi chúng quay quanh quỹ đạo. Đối với thử nghiệm này, các kỹ sư cần tiếp cận áp suất chân không cao (HV) ít nhất là 1 x 10 ^-6 mbar hoặc thấp hơn bên trong buồng chân không nhiệt. 

Công nghệ buồng chân không nhiệt khá mạnh mẽ. Một số buồng kiểm tra chân không nhiệt thậm chí có thể mô phỏng gió mặt trời. Thể tích của các buồng chuyên dụng này lên đến 10.000 m³. 

Ngoài việc kiểm tra chính vệ tinh, mỗi thành phần được kiểm tra riêng lẻ trước khi tích hợp vào hệ thống. Điều này đòi hỏi các buồng thử nghiệm nhỏ hơn với thể tích từ 1 đến 100 m³.

Các bơm khuếch tán dầu lớn và tấm làm mát bằng heli là tiêu chuẩn vài thập kỷ trước. Ngày nay, các hệ thống chân không không dầu hiện đại là điều bắt buộc để kiểm tra buồng chân không nhiệt. Bơm đông lạnh làm mát bằng tủ lạnh điển hình cho các mức chân không cao cần thiết cho hoạt động sạch. 

Để duy trì hoặc dịch chuyển quỹ đạo của chúng, các vệ tinh yêu cầu định vị lại thường xuyên, thường là thông qua hệ thống truyền động điện hiện đại. Bộ đẩy ion tăng tốc các ion (thường là xenon khí trơ nặng), trung hòa chúng và đẩy chúng ra trong một tia phun. 

Máy thổi ion cho phép tải trọng nhẹ hơn hoặc thời gian vận hành dài hơn. 

Dung tích lớn và thiết kế hợp lý của buồng bơm lạnh giúp giảm chi phí tổng thể và cho phép kiểm tra độ ổn định lâu dài.  

Bộ đẩy ion phải được kiểm tra trong thời gian dài trong buồng chân không trong điều kiện không gian, bao gồm sự hiện diện của khí xenon mà vệ tinh sẽ phát ra. Để đạt được lưu lượng khí ở áp suất 10 x 10-5 mbar hoặc thấp hơn, buồng phải hỗ trợ tốc độ bơm từ 10.000 l/giây đến vài 100.000 l/giây.

Xenon không dễ bơm - độ dẫn nhiệt kém của nó có thể làm quá nhiệt bơm phân tử turbo trong quá trình nén. Ngoài ra, trọng lượng phân tử đáng kể của nó gây ra độ dẫn điện của vách ngăn và van kém, có thể làm giảm tốc độ bơm của bơm lạnh và bơm khuếch tán hơn 50%. May mắn thay, TURBOVAC i của Leybold được thiết kế để vượt qua những thách thức này.

Để đạt được tốc độ bơm khổng lồ cần thiết để mô phỏng không gian khi có xenon, các tấm lạnh được thêm vào buồng. Các tấm được làm mát đến nhiệt độ dưới 50K bằng máy làm mát lạnh một tầng. Khí xenon ngưng tụ trực tiếp trên các tấm bên trong buồng chân không. 

Tiềm năng kiểm tra độ ổn định mở rộng, toàn diện là rõ ràng. Một tấm lạnh nhỏ có đường kính 600mm có tốc độ bơm 16.000 l/giây bên trong buồng với độ dẫn điện không bị mất vì nó được tiếp xúc trực tiếp trong buồng. Con số này tăng theo cấp số nhân với mỗi bảng bơm bổ sung. 

Nếu không có khả năng mô phỏng điều kiện không gian trước khi phóng, các chuyến bay không gian sẽ không thể thực hiện được vì việc hiểu được hành vi trong không gian đòi hỏi một số thử nghiệm trong môi trường đó.

Mô phỏng không gian là một ứng dụng quan trọng của công nghệ chân không tiên tiến.