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May 22, 2023

Suporte de impulso mede impulsos de

Centro Espacial Lyndon B. Johnson, Houston, Texas O desenvolvimento de propulsores de gás frio em miniatura para propulsão em órbita de pequenos dispositivos como câmeras pilotadas remotamente e para inclusão em

Centro Espacial Lyndon B. Johnson, Houston, Texas

O desenvolvimento de propulsores de gás frio em miniatura para propulsão em órbita de dispositivos pequenos, como câmeras pilotadas remotamente e para inclusão em mochilas de propulsão de astronautas, deu origem à necessidade de medir empuxos que variam de 0,04 a 0,8 lb (0,2 a 3,6 N). Além disso, havia a necessidade de medir o empuxo em um ambiente de vácuo, bem como no ar a uma pressão de 1 atmosfera (0,1 MPa) e em uma ampla faixa de pressões de entrada do propelente. O principal obstáculo a ser superado para tais medições era resolver o problema de fornecer o propulsor de gás frio (gás nitrogênio comprimido) ao propulsor sem afetar as medições de empuxo, particularmente aquelas abaixo de 1/4 lb (1 N).

Os métodos para medir impulsos maiores incluem o uso de tubos flexíveis ou acoplamentos de fluido rotativos para fornecer propulsores. Contudo, na presente aplicação de baixo empuxo, as forças aplicadas pelos tubos flexíveis aos sensores de empuxo seriam grandes em relação ao empuxo que está sendo medido. Além disso, as forças geradas pelos tubos flexíveis variam com as mudanças nas pressões do propulsor e aplicam cargas fora do eixo aos sensores de empuxo. As forças de atrito internas nos acoplamentos fluidos rotativos e as variações dessas forças com a pressão também seriam muito grandes em relação aos baixos empuxos a serem medidos.

A figura é uma seção transversal de um suporte de empuxo projetado para medir pequenos empuxos no vácuo ou no ar à pressão atmosférica. Uma célula de carga com configuração de rosca prontamente disponível é usada como sensor de empuxo. A configuração donut foi escolhida porque seu furo central permite tornar o caminho do fluxo do propulsor coaxial tanto com o propulsor quanto com a célula de carga. A célula de carga é equipada com uma porta de ventilação para que a pressão do ar em sua cavidade interna sempre se iguale à pressão do ar circundante, para evitar mudanças indevidas relacionadas à pressão na saída da célula de carga.

Um conjunto de flange e uma haste de fluxo estão incluídos para fornecer o propelente coaxialmente através da célula de carga até o propulsor. A haste de fluxo também faz parte de um encaixe de montagem do propulsor, que transfere o empuxo do propulsor para a célula de carga. O arranjo coaxial do propulsor, da célula de carga e da haste de fluxo elimina todas as cargas fora do eixo.

A haste de fluxo foi projetada para se projetar através dos flanges superior e inferior, de modo que a pressão do propulsor seja equilibrada axialmente na haste em direções opostas. Isto foi feito para anular a força na célula de carga produzida pela pressão estática e pela variação da pressão estática do propelente. Na prática, esse recurso de projeto provou ser bem-sucedido, equilibrando 98,7 por cento da força [7,8 de 7,9 lb (34,7 de 35,1 N)] a uma pressão de propelente de 258 psi (1,78 MPa).

Um foco dos esforços de projeto foi o problema de como vedar melhor a lacuna entre a haste de fluxo e os flanges para evitar o escape de nitrogênio, permitindo ao mesmo tempo reações consistentes da célula de carga para um determinado empuxo. Inicialmente, as passagens do flange incorporavam ranhuras internas para anéis de vedação, com o anel de vedação vedando a haste de fluxo nos flanges superior e inferior. Como a deflexão total da célula de carga foi

Para fornecer um método alternativo de vedação entre a haste de fluxo e os flanges para eliminar o deslocamento das vedações, os anéis de vedação foram substituídos por um selante de silicone. Foi raciocinado que, uma vez curado o selante, a adesão do selante à haste de fluxo e aos flanges garantiria uma geometria fixa, sem o deslizamento entre superfícies diferentes que ocorreu no uso dos anéis de vedação. Assim como os O-rings, as novas vedações de silicone flexionariam microscopicamente, mas não deslizariam ao longo da haste de fluxo nem se deslocariam em suas ranhuras como os O-rings faziam. Foi selecionado um selante de silicone derramável com viscosidade adequada no estado não curado e resistência ao cisalhamento adequada no estado curado. Um método de montagem e ferramentas foram desenvolvidos para apoiar o vazamento e a cura das vedações de silicone durante a montagem do suporte de impulso. Durante os testes das vedações de silicone, nenhum vazamento foi observado em pressões de até 270 psi (1,86 MPa).