Metodo di controllo accurato della bassa pressione nel test delle caratteristiche del pennacchio del microtrusore al plasma elettrotermico NanoSat
Abstract: Questo articolo si concentra su diversi microtrusori elettrotermici al plasma per nanosat. Prendendo come esempio il razzo tascabile, che funziona nella gamma di basse pressioni da 0,1 a 10torr, vengono analizzate le caratteristiche dei diversi gas di lavoro e delle diverse basse pressioni sul pennacchio. Gli effetti risultanti illustrano l'importanza di un controllo preciso della bassa pressione. Per quanto riguarda il problema tecnico del controllo preciso della bassa pressione dell'aria dell'elica, il presente documento introduce in dettaglio il metodo di implementazione specifico e conduce un test di valutazione. I risultati dei test dimostrano che il grado di fluttuazione del controllo della bassa pressione dell'aria può raggiungere ±1%. Infine, il presente documento ottimizza il metodo di prova e propone uno schema tecnico più pratico per il controllo preciso della bassa pressione su scala reale.

1. Domanda
Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo dei NanoSat, c'è un urgente bisogno di micropropulsori di piccolo volume, leggeri, a basso costo e ad alta efficienza. Pertanto, è necessario effettuare test e valutazioni delle proprietà fisiche, come le caratteristiche del pennacchio di plasma del propulsore. Le caratteristiche del pennacchio di plasma sono significativamente influenzate dal gas di lavoro e dalla pressione ambientale. Prendendo come esempio il test delle prestazioni del pennacchio del razzo a tasca straniera, si analizzano la necessità e l'importanza di un controllo preciso della bassa pressione.
Come tipico rappresentante delle applicazioni NanoSat, Pocket Rocket è un propulsore al plasma elettrotermico a radiofrequenza che può raggiungere spinte dell'ordine di μN a mN. Grazie alle sue dimensioni compatte e all'uso della scarica capacitiva a radiofrequenza, Pocket Rocket può ottenere getti di plasma ad alta densità in condizioni di bassa potenza. Sono leggeri, a basso costo, a bassa spinta e con un grande impulso specifico, inoltre possono funzionare sotto forma di array, particolarmente adatti per i microarray e fornire energia a lungo termine.
Come mostrato nella Figura 1, la camera a vuoto orizzontale fornisce un ambiente a bassa pressione per testare le caratteristiche del pennacchio di plasma del razzo tascabile. La camera a vuoto è una camera di prova multifunzionale per la simulazione di un ambiente a bassa pressione, che può integrare una serie di apparecchiature di prova per il test delle prestazioni e la valutazione di vari propulsori al plasma. Come mostrato nella Figura 2, per formare un ambiente a bassa pressione, la camera a vuoto è dotata di pompa molecolare, pompa meccanica, vacuometro a ionizzazione e manometro capacitivo. La camera da vuoto può raggiungere un vuoto di riferimento di 0,93mPa. I fluidi di lavoro gassosi nel test sono solitamente azoto e argon.

In condizioni di potenza e frequenza RF di 20W e 13,56MHz rispettivamente, le caratteristiche del pennacchio del razzo tascabile sono state testate a diverse basse pressioni. La Figura 3 è una foto sperimentale del pennacchio di plasma iniettato in diversi gas di lavoro a diverse pressioni. La figura a rappresenta circa 1,5torr di argon a bassa pressione, la figura b circa 4,0torr di argon ad alta pressione, la figura c circa 1,0torr di azoto a bassa pressione e la figura d circa 7,0torr di azoto ad alta pressione.
Dalla figura si può notare che sia i pennacchi di azoto che di argon si diffondono con un certo angolo di cono ad alta pressione. I fasci sono collimati a bassa pressione, ma l'effetto di queste caratteristiche sulla generazione della spinta non è chiaro e richiede ulteriori studi.

In sintesi, i diversi gas di lavoro e le diverse basse pressioni avranno un impatto significativo sulle caratteristiche del pennacchio. Il micropropulsore del razzo tascabile funziona in un intervallo di basse pressioni compreso tra 0,1 e 10torr. Per testare e valutare le caratteristiche del pennacchio in questo intervallo è necessario un controllo preciso della bassa pressione. Questo articolo introdurrà in dettaglio il metodo di implementazione specifico per il controllo della bassa pressione, testando e valutando il metodo di implementazione. Infine, il metodo di implementazione verrà ottimizzato e verrà proposto uno schema tecnico di controllo accurato dell'intera gamma di bassa pressione.

2. Il metodo di controllo preciso e la valutazione del test di bassa pressione
La cosiddetta bassa pressione si riferisce generalmente alla pressione assoluta inferiore a 1 pressione atmosferica standard e l'intervallo è 0,1~760torr. Il manometro a capacità è comunemente utilizzato per misurare con precisione la bassa pressione atmosferica. Di solito vengono adottati due diversi intervalli di 10torr e 1000torr di manometro capacitivo per coprire la misura dell'intero intervallo di bassa pressione. La camera a vuoto del dispositivo di prova di simulazione deve essere controllata dalla bassa pressione attraverso l'aspirazione e lo scarico. In base alla direzione del flusso d'aria, l'estremità di aspirazione dell'aria è generalmente definita a monte e l'estremità di scarico della pompa per vuoto è definita a valle. In base all'accuratezza del controllo, vengono generalmente utilizzate due modalità di controllo a monte e a valle per ottenere un controllo accurato della bassa pressione dell'aria con intervalli diversi (10torr e 1000torr).
Come mostrato nella Figura 4, la modalità a monte consiste nel mantenere la pressione a monte e il flusso in uscita e nel controllare la pressione della camera regolando il flusso in ingresso. Come mostrato nella Figura 5, la modalità a valle consiste nel mantenere la pressione a monte e il flusso in ingresso e nel controllare la pressione della camera regolando il flusso di scarico.

Per le due modalità di controllo di cui sopra, sono stati utilizzati due manometri capacitivi da 1torr e 1000torr e un controllore di pressione ad alta precisione a 24 bit per condurre il test di valutazione. Il dispositivo di prova è illustrato nelle Figure 6 e 7.


Durante il processo di prova in modalità upstream, la pompa del vuoto è stata prima accesa e poi pompata a piena velocità, e i parametri PID del controllore sono stati autoregolati a circa 68Pa. Al termine dell'autotuning, sono stati controllati 8 set point rispettivamente di 12, 27, 40, 53, 67, 80, 93 e 107Pa. La variazione della pressione dell'aria durante l'intero processo di controllo è mostrata nella Figura 8.
Durante il processo di test in modalità downstream, la pompa del vuoto è stata prima accesa e poi pompata alla massima velocità; la valvola di aspirazione dell'aria è stata regolata sulla posizione della micro-aspirazione, quindi i parametri PID del controllore sono stati autotarati a circa 300 torr. Al termine dell'autotuning, sono stati controllati rispettivamente 5 set point di 70, 200, 300, 450 e 600 Torr. La variazione della pressione dell'aria durante l'intero processo di controllo è mostrata nella Figura 9.

Esprimendo gli effetti di controllo di cui sopra in diversi punti costanti di bassa pressione come tasso di fluttuazione, si ottiene la distribuzione del tasso di fluttuazione nell'intero intervallo mostrata nella Figura 10 e nella Figura 11. Dal diagramma di distribuzione del tasso di fluttuazione si evince che il tasso di fluttuazione può essere controllato con precisione entro l'intervallo di ±1% nell'intero intervallo di bassa pressione e che la grande fluttuazione a 12Pa è dovuta ai parametri PID ottenuti dall'autotuning a 68Pa. È irragionevole ed è necessario un autotuning separato dei parametri PID.

3. Implementazione del controllo preciso a bassa pressione su scala reale
Dai metodi di controllo precisi della pressione dell'aria sopra descritti si evince che è possibile selezionare diverse modalità di controllo in base alle esigenze effettive. Ad esempio, la modalità a monte può essere selezionata per il controllo della bassa pressione dell'aria al di sotto di 10torr, mentre la modalità a valle può essere selezionata per il controllo dell'alta pressione dell'aria nell'intervallo tra 10 e 1000torr.
Nella maggior parte delle apparecchiature di prova per la simulazione di ambienti a bassa pressione, in particolare per il test delle prestazioni dei propulsori, è necessario raggiungere un controllo preciso della pressione dell'aria e dell'automazione nell'intero intervallo di bassa pressione, quindi non è la scelta migliore utilizzare o commutare le modalità di controllo a monte e a valle da sole.
Per ottenere un controllo automatico e preciso nell'intera gamma di basse pressioni, abbiamo integrato le modalità a monte e a valle e proposto uno schema tecnico per la modalità di controllo bidirezionale. Il layout complessivo dello schema è illustrato nella Figura 12.

Nel processo di controllo a scala reale della bassa pressione, sono necessari due vacuometri capacitivi con campi di misura diversi per coprire l'intervallo a scala reale. Per coprire un intervallo di bassa pressione più ampio, è possibile utilizzare anche un vacuometro capacitivo continuo e un vacuometro a ionizzazione continua. Per ulteriori informazioni sulla nostra valvola a spillo elettronica, visitate il sito https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

Nello schema tecnico della modalità di controllo a due vie, vengono proposti requisiti più elevati per il controllore e la valvola a spillo elettronica, che si riflettono principalmente nei seguenti aspetti:
(1) È necessario avere la possibilità di collegare due sensori di vuoto contemporaneamente e di passare da un sensore di vuoto all'altro in base al valore di misurazione della bassa pressione, in modo da misurare e controllare accuratamente la bassa pressione nel tempo.
(2) Il controllore deve avere un'elevata accuratezza di misura, come l'accuratezza di campionamento A/D a 24 bit, per soddisfare i requisiti di accuratezza di misura dei diversi vacuometri e sfruttare appieno la capacità di misura del vacuometro.
(3) In modalità di controllo bidirezionale, è necessario che il controllore di pressione del vuoto disponga anche delle funzioni di controllo in avanti e inverso, ovvero di controllo inverso per la valvola elettronica a spillo a monte e di controllo inverso per la valvola elettronica a sfera a valle.
(4) Nella modalità di controllo bidirezionale, la valvola a spillo elettronica e la valvola a sfera elettronica sono responsabili della regolazione del flusso di gas a monte e a valle e devono funzionare alternativamente; pertanto, queste valvole a spillo elettroniche devono avere la massima velocità di risposta possibile. Quanto più piccola è la camera a vuoto, tanto minore è l'inerzia della pressione dell'aria, tanto più rapida è la velocità di risposta richiesta; il requisito generale è che il tempo che intercorre tra la chiusura completa e l'apertura completa della valvola sia entro 2 secondi o addirittura inferiore.
In sintesi, adottando lo schema di controllo della bassa pressione della modalità bidirezionale di cui sopra, in particolare dopo l'adozione del nuovo regolatore di pressione a vuoto ad alte prestazioni e della valvola a spillo elettronica ad alta velocità, è possibile raggiungere il controllo preciso della gamma completa di bassa pressione.