فناوری خلاء برای اتاق‌های شبیه‌سازی فضا

به گفته اتحادیه دانشمندان نگران (UCSUSA) حدود 2200 ماهواره فعال به دور سیاره ما می چرخند و هر سال 100 ماهواره دیگر پرتاب می شوند. بیشتر این ماهواره‌ها برای مخابرات استفاده می‌شوند و با پروژه‌های GPS مانند GALILEO اروپایی و SPACE-X Starlink (که قصد دارد اتصال اینترنت را به هر نقطه از زمین برقرار کند) در افق، تعداد آنها همچنان رو به افزایش خواهد بود.

بدیهی است که تمام اجسام ساخته شده توسط انسان در فضا در معرض خلاء هستند. این وبلاگ به نیازهای خلاء برای شبیه سازی شرایط فضایی روی زمین می پردازد.

فضا به عنوان ارتفاع بیش از 100 کیلومتر از سطح دریا تعریف می شود. فشار هوای باقیمانده در خلاء 0.27 Pa (2.7 x 10 -03 mbar) است. ماهواره‌هایی که در مدار پایین زمین قرار دارند («LEO»، 200-2000 کیلومتر ارتفاع) مانند ایستگاه فضایی بین‌المللی «ISS» (مدار تقریباً 400 کیلومتر، p <10-07 mbar ) هنوز در معرض اصطکاک گاز هستند. این منجر به کاهش قد 150 متر در روز می شود و بنابراین نیاز به تغییر موقعیت دارد. اکثر ماهواره ها برای مخابرات، پخش تلویزیونی و هواشناسی از مدار زمین ثابت («GEO»، ارتفاع 35.800 کیلومتر) استفاده می کنند که فقط در بالای خط استوا امکان پذیر است. در اینجا “فشار” خلاء در محدوده خلاء بسیار کم است. بین مدارهای LEO و GEO به اصطلاح MEO قرار دارد که ماهواره های GPS و گالیله در آن قرار دارند.

 

الزامات آزمایش خلاء برای اتاق های شبیه سازی فضا

ماهواره ها گران هستند، آنها عبارتند از:

• معمولاً بیش از 100 میلیون دلار (و این بدون راه اندازی آنها است)
• در صورت آسیب دیدگی یا گم شدن به راحتی قابل تعویض نیستند (به همین دلیل طراحی شده اند تا بیش از 10 سال عمر کنند) و
• تعمیر آنها پس از حضور در فضا دشوار است.

در نتیجه، آزمایش و آموزش فشرده روی زمین قبل از پرتاب اجباری است و آزمایش مهمی که باید قبل از پرتاب انجام شود، شبیه سازی ماهواره در خلاء است.

 

آزمایش شبیه سازی فضا

محفظه خلاء چگونه کار می کند؟

برای این آزمایش، فشار باید در محدوده خلاء بالا باشد: 10 -07 تا 10 -06 mbar. این آزمایش بیشتر در ترکیب با آزمایش چرخه دما انجام می شود. این به این دلیل است که ماهواره ها بسته به اینکه در سایه زمین باشند گرما و سرما را در فضا تجربه می کنند.

برای تست چرخه دما، از آزمایش محفظه خلاء حرارتی استفاده می کنیم. برخی از اتاق های آزمایش حتی باد خورشیدی را شبیه سازی می کنند! این اتاقک ها تا 10000 مترمکعب حجم دارند

(مرکز فضایی لیندون بی. جانسون، هیوستون، تگزاس را ببینید: https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Environment_Simulation_Laboratory)

 

تصویر 1. اتاق آزمایش برای ماژول خدمات فرماندهی آپولو

 

تصویر 2. تست NOAA (اداره ملی اقیانوسی و جوی) Meteosat

 

علاوه بر آزمایش خود ماهواره، هر جزء جداگانه قبل از ادغام با سیستم آزمایش می شود. این به محفظه های آزمایشی با حجم 1 تا 100 متر مکعب نیاز دارد.

 

الزامات و راه حل های تست خلاء حرارتی

تخلیه محفظه های خلاء حرارتی به معنای پمپاژ هوا و سپس پمپاژ گازهای آزاد شده از دیوارها و اجسام آزمایش است. در اینجا بخار آب معمولاً بیش از 80٪ از ترکیب گاز باقیمانده را تشکیل می دهد. زمان تخلیه می تواند یک روز یا بیشتر باشد زیرا ماهواره ها محصول انبوه نیستند و به هر حال آزمایش ها به آماده سازی طولانی نیاز دارند.

سرعت پمپاژ مورد نیاز برای حجم های مختلف محفظه را می توان به عنوان یک قانون کلی از شکل 1 در نظر گرفت.

شکل 1. سرعت پمپاژ برای حجم های مختلف محفظه

 

خشن کردن قبل از راه اندازی سیستم با خلاء بالا معمولاً توسط سیستم های دمنده ریشه 3 مرحله ای بزرگ تا فشارهای زیر 02-10 میلی بار انجام می شود . در دهه‌های 60 و 70، خلاء بالا توسط پمپ‌های انتشار روغن بزرگ یا پانل‌هایی که توسط هلیوم مایع خنک می‌شدند تولید می‌شد. امروزه سیستم‌های خلاء بدون روغن تقریباً ضروری هستند زیرا از هرگونه خطر آلودگی روغن در اتاقک جلوگیری می‌کنند. لایه‌های نفتی را روی اپتیک‌های گران قیمت و حساس در ماهواره پس از آزمایش خلاء تصور کنید! کرایوپمپ‌های خنک‌شده با یخچال ، با سرعت پمپاژ بسیار زیاد خود برای بخار آب، استاندارد در 3 دهه گذشته بوده‌اند. آنها می توانند تا 1000000 لیتر در ثانیه را برای H 2 تحویل دهندO و 60000 لیتر در ثانیه به صورت موازی برای هوا. در طول آزمایش، سیستم خشن را می توان خاموش کرد. زبر کردن معمولاً توسط پمپ های پیچ خشک ترکیبی با دمنده های ریشه انجام می شود.

درباره منابع آلودگی و نحوه کاهش آن در کتاب الکترونیکی ما بیشتر بیاموزید.

 

کفن حرارتی چیست؟

در محفظه‌های خلاء حرارتی، یک پوشش داخلی قادر به تامین دماهای متغیر است. دما از 77 کلوین (در صورت استفاده از نیتروژن مایع) تا 450 کلوین متغیر است. این روکش در قسمت بیرونی (فولاد صیقلی یا روکش نیکل) منعکس می شود تا تابش گرما را کاهش دهد و داخل آن به رنگ مشکی است. برای چیدمان خلاء، این به این معنی است که سطح خلاء تقریباً سه برابر شده است و در نتیجه بار گاز زدایی بالایی دارد.

شکل 2 یک طرح خلاء ساده شده را نشان می دهد. یک محفظه 60 مترمکعبی با یک انجماد 30000 لیتر در ثانیه و یک پمپ تک پیچ بزرگ برای خشن کردن. دریچه دروازه ی کرایوپمپ، خط بازسازی کرایو و گیج های خلاء نشان داده نشده است.

 

 

شکل 2. نمونه ای از سیستم خلاء با انجماد پمپ

 

شکل 3 تخلیه محفظه بدون پوشش حرارتی را نشان می دهد. فشار تست 1 x 10 -06 mbar پس از 12 ساعت به دست می آید.

 

 

شکل 3. تخلیه محفظه خلاء خالی بدون پوشش

 

شکل 4 نتیجه را با پوشش حرارتی نشان می دهد. زمان تخلیه به دلیل سطح بزرگتر و گاز زدایی به خصوص از رنگ سیاه بسیار طولانی تر است. در این حالت یک دمنده ریشه اضافی در سیستم خشن خشک یا یک پمپ توربومولکولی بزرگ ، زمان زبری را زیر فشار متقاطع پمپ سرمایشی کاهش می دهد.

 

شکل 4. تخلیه محفظه مانند بالا، اما با کفن سیاه رنگ مونتاژ شده در اتاقک

 

برای کاهش زمان تخلیه، محفظه های فوق العاده بزرگ اغلب دارای صفحات سرد اضافی در داخل خود هستند. اگر با نیتروژن مایع در دمای 77 کلوین خنک شوند، مقدار زیادی از بخار آب را متراکم می کنند.

محفظه‌های شبیه‌سازی فضای بزرگ دارای درب‌هایی با قطر بزرگ برای وارد کردن اجسام آزمایشی هستند. برای کاهش میزان نشتی درب، از آب‌بندهای دوتایی با پمپاژ میانی استفاده می‌شود.

کیفیت خلاء به طور کلی توسط آنالیز RGA و وکیوم سنج های کالیبره شده نظارت و مستند می شود .

 

تصویر 3. Sm تمام محفظه های آزمایش با پمپ های توربومولکولی. سیستم خلاء و محفظه را می توان به سمت چپ برای معرفی جسم آزمایشی حرکت داد. (منبع: لیبولد)

 

تصویر 4. سیستم پمپاژ d ry بزرگ با پمپ های پیچی و دمنده های ریشه برای آزمایش های هوانوردی (منبع: Leybold)

تست رانشگر یونی

ماهواره ها برای حفظ یا تغییر مدار خود نیاز به تغییر موقعیت مکرر دارند. موتورهای استاندارد نیروی رانش را توسط نیروی محرکه شیمیایی که از طریق واکنش کاتالیزوری هیدرازین (N 2 H 4 ) به N 2 و H 2 انجام می شود، تولید می کنند . امروزه، نیروی محرکه الکتریکی یک جایگزین جذاب است. این رانشگرهای یونی یون ها را شتاب می دهند (در بیشتر موارد گاز بی اثر سنگین زنون) آنها را خنثی کرده و در یک جت به بیرون رانده می کنند. مزیت آن یا کاهش بار یا زمان عملیات طولانی تر است. برای ایجاد رانش کافی، جریان گاز 0.1 تا 10 میلی گرم در ثانیه است. حتی نیروی رانش در مقایسه با نیروی محرکه شیمیایی نسبتاً کم است، اما می تواند به طور مداوم برای مدت طولانی شتاب بگیرد و ممکن است سفر به مریخ و سایر سیارات را در آینده تضمین کند.

با این حال، این رانشگرهای یونی باید برای دوره های طولانی تری در یک محفظه خلاء تحت شرایط فضایی آزمایش شوند. برای پمپاژ این جریان گاز در فشارهای 10-05 mbar یا کمتر، نیاز به سرعت پمپاژ زنون بین 10000 لیتر در ثانیه تا چندین 100000 لیتر در ثانیه است! برای اضافه کردن پیچیدگی بیشتر، پمپ کردن زنون آسان نیست: هدایت حرارتی ضعیف آن ممکن است پمپ های توربومولکولی را در طول فشرده سازی بیش از حد گرم کند و وزن مولکولی زیاد آن باعث رسانایی ضعیف در بافل ها و دریچه ها می شود و در نتیجه سرعت پمپاژ بیش از 50 درصد برای پمپ های سرمایی کاهش می یابد. و پمپ های انتشار

برای دستیابی به این سرعت پمپاژ فوق العاده خاص زنون به محفظه های شبیه سازی فضایی، راه حل اضافه کردن پانل های سرد به محفظه است. این پانل ها تا دمای کمتر از 50 کلوین توسط کرایوکولرهای تک مرحله ای خنک می شوند، مشابه خنک کننده های دو مرحله ای مورد استفاده در کرایوپمپ های استاندارد. سپس گاز زنون مستقیماً در داخل محفظه خلاء متراکم می شود. یک پانل کریو کوچک تقریباً قطر 600 میلی متر دارای سرعت پمپاژ 16000 لیتر در ثانیه – داخل محفظه – با تلفات رسانایی صفر است! به عنوان مثال با نصب 5 عدد از این کولرها می توان به سرعت پمپاژ 80000 لیتر در ثانیه دست یافت. همچنین از آنجایی که طراحی محفظه در مقایسه با سایر پمپ های معمولی بسیار ساده تر است، می توان هزینه پایه را به میزان قابل توجهی کاهش داد. نیازی به فلنج های بزرگ و شیرهای گران قیمت نیست! در نهایت، ظرفیت تا 20 کیلوگرم زنون است، بنابراین می توان تست های پایداری طولانی مدت را نیز انجام داد. این پنل های سرد زنون را به صورت انتخابی پمپ می کنند. فقط گازهایی که در دماهای پایین تر مانند N متراکم می شوند2 یا O 2 باید توسط پمپ های اضافی، یا توسط پمپ های سرمایشی معمولی یا پمپ های توربومولکولی پمپ شوند.

 

 

تصویر 5. الف) سرمایشی مرحله sin gle ب) سرمایشی با صفحه متراکم برای Xe

تصویر 6. محفظه تست برای رانشگرهای یونی (تشخیص داده شده از گروه آریان)

 

تصویر 7. محفظه آزمایش رانشگر یونی بزرگ در DLR Goettingen/آلمان. تصویر تعدادی از خنک کننده ها و TMP های مونتاژ شده را نشان می دهد (تصویر: توسط DLR)

خلاصه

بدون شبیه سازی شرایط فضایی قبل از پرتاب، پروازهای فضایی امکان پذیر نخواهد بود. بنابراین، شبیه سازی فضا یک کاربرد مهم و جذاب از فناوری خلاء است. آزمایش‌های تحت خلاء (در اتاق‌های شبیه‌سازی فضا) برای همه تجهیزات مورد استفاده در فضا الزامی است. پیشرفت‌های اخیر برای پیشرانه الکتریکی، محرکی برای توسعه فناوری خلاء برای پمپاژ مؤثر زنون است.