Método de control preciso de la baja presión en la prueba de las características del penacho del micropropulsor de plasma electrotérmico NanoSat
Resumen: Este artículo se centra en varios micropropulsores de plasma electrotérmico nanosatélico. Tomando como ejemplo el cohete de bolsillo, que funciona en el rango de baja presión de 0,1 a 10torr, se analizan las características de diferentes gases de trabajo y diferentes bajas presiones en el penacho. Los efectos resultantes ilustran la importancia del control preciso de la baja presión. En relación con el problema técnico del control preciso de la baja presión del aire de la hélice, este documento presenta el método de implementación específico en detalle, y lleva a cabo una prueba de evaluación. Los resultados de las pruebas muestran que el grado de fluctuación del control de la baja presión del aire puede alcanzar un valor de ±1%. Al final, este documento optimiza el método de prueba y propone un esquema técnico más práctico para el control preciso de la baja presión a escala real.

1. Pregunta
En los últimos años, con el rápido desarrollo de los NanoSat, hay una necesidad urgente de micropropulsores de pequeño volumen, ligeros, de bajo coste y de alta eficiencia. Por lo tanto, es necesario llevar a cabo la prueba y la evaluación de las propiedades físicas, tales como las características de la pluma de plasma del propulsor. Las características de la pluma de plasma se ven afectadas significativamente por el gas de trabajo y la presión del entorno. Tomando como ejemplo la prueba de rendimiento del penacho del cohete de bolsillo extranjero, se analizan la necesidad y la importancia del control preciso de la baja presión.
Como representante típico de las aplicaciones de NanoSat, Pocket Rocket es un propulsor de plasma de radiofrecuencia electrotérmico que puede alcanzar un empuje del orden de μN a mN. Debido a su tamaño compacto y al uso de la descarga de radiofrecuencia capacitiva, los cohetes de bolsillo pueden obtener chorros de plasma de alta densidad en condiciones de baja potencia. Es ligero, de bajo coste, de bajo empuje y grande en impulso específico, también puede trabajar en forma de matrices, que son especialmente adecuadas para micro matrices y proporcionar energía a largo plazo.
Como se muestra en la Figura 1, la cámara de vacío horizontal proporciona un entorno de baja presión para probar las características del penacho de plasma de los cohetes de bolsillo. La cámara de vacío es una cámara de pruebas de simulación de entorno de baja presión multifuncional, que puede integrar una variedad de equipos de prueba para la prueba de rendimiento y la evaluación de varios propulsores de plasma. Como se muestra en la Figura 2, para formar un entorno de baja presión, la cámara de vacío está equipada con una bomba molecular, una bomba mecánica, un vacuómetro de ionización y un manómetro de capacitancia. La cámara de vacío puede alcanzar un vacío de referencia de 0,93mPa. Los fluidos gaseosos de trabajo en la prueba suelen ser nitrógeno y argón.

Bajo la condición de la potencia de RF y la frecuencia de 20W y 13,56MHz respectivamente, las características del penacho del cohete de bolsillo fueron probadas bajo diferentes presiones bajas. La figura 3 es una foto experimental de la pluma de plasma inyectada a diferentes gases de trabajo a diferentes presiones. La figura a es aproximadamente 1.5torr de argón de baja presión, la figura b es aproximadamente 4.0torr de argón de alta presión, la figura c es aproximadamente 1.0torr de nitrógeno de baja presión, y la figura d es aproximadamente 7.0torr de nitrógeno de alta presión.
En la figura se puede observar que tanto los penachos de nitrógeno como los de argón se propagan con un cierto ángulo de cono a alta presión. Los haces se coliman a baja presión, pero el efecto de estas características en la generación de empuje no está claro y requiere un estudio más profundo.

En resumen, diferentes gases de trabajo y diferentes bajas presiones tendrán un impacto significativo en las características del penacho. El micropropulsor del cohete de bolsillo funciona en el rango de baja presión de 0,1 a 10torr. La prueba y evaluación de las características del penacho dentro de este rango requiere un control preciso de la baja presión. Este artículo introducirá el método de implementación específico en detalle para el control de la baja presión, probará y evaluará el método de implementación. Finalmente, se optimizará el método de implementación y se propondrá el esquema técnico de control preciso del rango completo de baja presión.

2. El método de control preciso y la evaluación de la prueba de baja presión
La llamada baja presión se refiere generalmente a la presión absoluta inferior a 1 presión atmosférica estándar y el rango es de 0,1~760torr. El manómetro de capacitancia se utiliza comúnmente para medir con precisión la baja presión atmosférica. Normalmente se adoptan dos rangos diferentes de 10torr y 1000torr de manómetro de capacitancia para cubrir la medición de todo el rango de baja presión. La cámara de vacío del dispositivo de prueba de simulación generalmente necesita ser controlada por la baja presión a través de la entrada y el escape. De acuerdo con la dirección del flujo de aire, el extremo de la entrada de aire se define generalmente como aguas arriba, y el extremo de escape de la bomba de vacío se define como aguas abajo. De acuerdo con la precisión del control, dos modos de control de aguas arriba y aguas abajo se utilizan generalmente para lograr un control preciso de la baja presión de aire con diferentes rangos (10torr y 1000torr).
Como se muestra en la figura 4, el modo aguas arriba consiste en mantener la presión aguas arriba y el caudal de salida, y controlar la presión de la cámara ajustando el caudal de entrada. Como se muestra en la figura 5, el modo aguas abajo consiste en mantener la presión aguas arriba y el caudal de entrada, y controlar la presión de la cámara ajustando el caudal de escape.

Para los dos modos de control mencionados, se utilizaron dos manómetros capacitivos de 1torr y 1000torr y un controlador de presión de alta precisión de 24 bits para realizar la prueba de evaluación. El dispositivo de prueba se muestra en las figuras 6 y 7.


Durante el proceso de prueba del modo ascendente, la bomba de vacío se encendió primero y luego se bombeó a toda velocidad, y los parámetros PID del controlador se autoajustaron a unos 68Pa. Una vez completado el autoajuste, se controlan 8 puntos de ajuste de 12, 27, 40, 53, 67, 80, 93 y 107Pa respectivamente. El cambio de la presión del aire durante todo el proceso de control se muestra en la figura 8.
Durante el proceso de prueba del modo descendente, la bomba de vacío se encendió primero y luego se bombeó a toda velocidad, y la válvula de admisión de aire se ajustó a la posición de microadmisión, y luego los parámetros PID del controlador se autoajustaron a unos 300torr. Una vez completado el autoajuste, se controlan 5 puntos de ajuste de 70, 200, 300, 450 y 600 Torr respectivamente. El cambio de la presión del aire durante todo el proceso de control se muestra en la figura 9.

Expresando los efectos de control anteriores en diferentes puntos constantes de baja presión como tasa de fluctuación, se obtiene la distribución de la tasa de fluctuación en todo el rango mostrado en la Figura 10 y la Figura 11. Se puede ver en el diagrama de distribución de la tasa de fluctuación que la tasa de fluctuación puede ser controlada con precisión dentro del rango de ±1% en todo el rango de baja presión, y la gran fluctuación a 12Pa se debe a los parámetros PID obtenidos por auto-sintonía a 68Pa. No es razonable, y se requiere un autoajuste de los parámetros PID por separado.

3. Implementación de un control preciso de baja presión a gran escala
De los métodos de control preciso de la presión del aire mencionados anteriormente se desprende que pueden seleccionarse diferentes modos de control según las necesidades reales. Por ejemplo, el modo aguas arriba puede seleccionarse para el control de la presión de aire baja por debajo de 10torr, y el modo aguas abajo puede seleccionarse para el control de la presión de aire alta en el rango de 10 a 1000torr.
En la mayoría de los equipos de prueba de simulación de entornos de baja presión, especialmente para la prueba de rendimiento de los propulsores, es necesario alcanzar un control preciso de la presión del aire y la automatización en todo el rango de baja presión, por lo que no es la mejor opción utilizar o cambiar los modos de control aguas arriba y aguas abajo solamente.
Para alcanzar un control automático y preciso en todo el rango de baja presión, integramos los modos aguas arriba y aguas abajo, y propusimos un esquema técnico para el modo de control bidireccional. El esquema general se muestra en la figura 12.

En el proceso de control a escala completa de la baja presión, se necesitan dos vacuómetros capacitivos con diferentes rangos de medición para cubrir el rango a escala completa. También se puede utilizar un vacuómetro capacitivo continuo y un vacuómetro de ionización continuo para cubrir un rango de baja presión más amplio. Si desea más información sobre nuestra válvula de aguja electrónica, visite https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

En el esquema técnico del modo de control de dos vías, se plantean mayores requisitos para el controlador y la válvula de aguja electrónica, que se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:
(1) Es necesario tener la capacidad de conectar dos sensores de vacío al mismo tiempo, y cambiar entre dos sensores de vacío de acuerdo con el valor de medición de la baja presión, a fin de medir y controlar con precisión la baja presión en el tiempo.
(2) El controlador debe tener una alta precisión de medición, como la precisión de muestreo A/D de 24 bits, para cumplir con los requisitos de precisión de medición de los diferentes vacuómetros y dar rienda suelta a la capacidad de medición del vacuómetro.
(3) En el modo de control de dos vías, el controlador de presión de vacío también debe tener funciones de control de avance y retroceso, es decir, control de retroceso para la válvula de aguja electrónica aguas arriba y control de retroceso para la válvula de bola electrónica aguas abajo.
(4) En el modo de control de dos vías, la válvula de aguja electrónica y la válvula de bola electrónica son responsables del ajuste del flujo de gas ascendente y descendente y necesitan trabajar alternativamente, por lo que estas válvulas de aguja electrónicas necesitan tener la velocidad de respuesta más rápida posible. Cuanto más pequeña sea la cámara de vacío, menor será la inercia de la presión del aire, más rápida será la velocidad de respuesta requerida, el requisito general es que el tiempo desde el cierre total hasta la apertura total de la válvula esté dentro de 2 segundos o incluso menos.
En resumen, adoptando el esquema de control de baja presión del modo bidireccional anterior, especialmente después de adoptar el nuevo controlador de presión de vacío de alto rendimiento y la válvula de aguja electrónica de alta velocidad, se puede alcanzar el control preciso de la gama completa de baja presión.