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May 22, 2023

El soporte de empuje mide los empujes de

Centro Espacial Lyndon B. Johnson, Houston, Texas El desarrollo de propulsores de gas frío en miniatura para la propulsión en órbita de dispositivos tan pequeños como cámaras pilotadas remotamente y para su inclusión en

Centro espacial Lyndon B. Johnson, Houston, Texas

El desarrollo de propulsores de gas frío en miniatura para la propulsión en órbita de dispositivos tan pequeños como cámaras pilotadas remotamente y para su inclusión en mochilas de propulsión de astronautas dio lugar a la necesidad de medir empujes que oscilaban entre 0,04 y 0,8 libras (0,2 a 3,6 N). Además, era necesario medir el empuje en un entorno de vacío, así como en aire a una presión de 1 atmósfera (0,1 MPa) y en una amplia gama de presiones de entrada del propulsor. El principal obstáculo a superar para tales mediciones era resolver el problema de entregar el propulsor de gas frío (gas nitrógeno comprimido) al propulsor sin afectar las mediciones de empuje, particularmente aquellas por debajo de 1/4 de libra (1 N).

Los métodos para medir empujes más grandes incluyen el uso de tubos flexibles o acoplamientos de fluido giratorios para entregar propulsores. Sin embargo, en la presente aplicación de empuje bajo, las fuerzas aplicadas por tubos flexibles a los sensores de empuje serían grandes con respecto al empuje que se está midiendo. Además, las fuerzas generadas por los tubos flexibles varían con los cambios en las presiones del propulsor y aplican cargas fuera del eje a los sensores de empuje. Las fuerzas de fricción internas en los acoplamientos hidráulicos giratorios y las variaciones de estas fuerzas con la presión también serían demasiado grandes con respecto a los pequeños empujes que se van a medir.

La figura es una sección transversal de un soporte de empuje diseñado para medir pequeños empujes en el vacío o en aire a presión atmosférica. Como sensor de empuje se utiliza una celda de carga con configuración de donut fácilmente disponible. Se eligió la configuración de donut porque su orificio central permite que la ruta del flujo de propulsor sea coaxial tanto con el propulsor como con la celda de carga. La celda de carga está equipada con un puerto de ventilación para que la presión del aire en su cavidad interna siempre se iguale con la presión del aire circundante, para evitar cambios indebidos relacionados con la presión en la salida de la celda de carga.

Se incluyen un conjunto de brida y un vástago de flujo para proporcionar el suministro de propulsor coaxialmente a través de la celda de carga al propulsor. El vástago de flujo también forma parte de un accesorio de montaje del propulsor, que transfiere el empuje del propulsor a la celda de carga. La disposición coaxial del propulsor, la celda de carga y el vástago de flujo elimina todas las cargas fuera del eje.

El vástago de flujo fue diseñado para sobresalir a través de las bridas superior e inferior de modo que la presión del propulsor se equilibre axialmente sobre el vástago en direcciones opuestas. Esto se hizo para anular la fuerza sobre la celda de carga producida por la presión estática y por la variación de la presión estática del propulsor. En la práctica, esta característica de diseño resultó exitosa, equilibrando el 98,7 por ciento de la fuerza [7,8 de 7,9 lb (34,7 de 35,1 N)] a una presión del propulsor de 258 psi (1,78 MPa).

Uno de los focos de los esfuerzos de diseño fue el problema de cómo sellar mejor el espacio entre el vástago de flujo y las bridas para evitar el escape de nitrógeno, permitiendo al mismo tiempo reacciones consistentes de la celda de carga para un empuje determinado. Inicialmente, los conductos de las bridas incorporaban ranuras internas para juntas tóricas, con la junta tórica sellando contra el vástago de flujo en las bridas superior e inferior. Dado que la deflexión total de la celda de carga fue

Para proporcionar un método alternativo de sellado entre el vástago de flujo y las bridas para eliminar el desplazamiento de los sellos, se reemplazaron las juntas tóricas con un sellador de silicona. Se razonó que una vez curado el sellador, la adhesión del sellador al vástago de flujo y a las bridas aseguraría una geometría fija, sin el deslizamiento entre superficies diferentes que se había producido con el uso de las juntas tóricas. Al igual que las juntas tóricas, los nuevos sellos de silicona se flexionarían microscópicamente, pero no se deslizarían a lo largo del vástago de flujo ni se desplazarían en sus ranuras como lo hacían las juntas tóricas. Se seleccionó un sellador de silicona vertible con viscosidad adecuada en estado no curado y resistencia al corte adecuada en estado curado. Se idearon un método de ensamblaje y herramientas para apoyar el vertido y curado de los sellos de silicona durante el ensamblaje del soporte de empuje. Durante las pruebas de los sellos de silicona, no se observaron fugas a presiones de hasta 270 psi (1,86 MPa).

Las características adicionales del soporte de empuje incluyen las siguientes:

La calibración del soporte de empuje comenzó presurizándolo a una de las presiones deseadas para probar los propulsores. A continuación, se colocaron pesas de latón calibradas en la boquilla del propulsor y se registró la salida eléctrica de la celda de carga. Una vez completadas las calibraciones, el propulsor se encendió varias veces y luego se repitió la calibración.

Durante un programa de prueba, el soporte de empuje se calibró en rangos de empuje de 0,02 a 0,16 lb (0,09 a 0,71 N) y 0,39 a 0,61 lb (1,7 a 2,7 N). El error en las mediciones fue de ±5 por ciento de indicación en el rango bajo y ±3 por ciento de indicación en el rango superior. Esta combinación de rangos y precisiones equivale a un rango general útil excepcionalmente amplio para un sistema de medición de empuje. Se encontró que las mediciones de empuje obtenidas en el encendido de los propulsores eran igual o más repetibles (es decir, caracterizadas por bandas de error de igual o menor ancho), en comparación con las mediciones de empuje obtenidas durante la calibración.

Se han propuesto cambios adicionales en el diseño de la plataforma de empuje para aumentar su capacidad para uso futuro. Montar la celda de carga debajo de la brida inferior en un dispositivo de sujeción haría posible reemplazar la celda de carga fácilmente con una celda de carga de un rango de medición diferente. El empuje aún se transferiría coaxialmente a la celda de carga, pero se transferiría desde la punta inferior del vástago de flujo, a través de un accesorio de aislamiento térmico, a la celda de carga. La sustitución de la célula de carga no sólo sería mucho más sencilla; Además, esta configuración aislaría térmicamente la celda de carga del propulsor y el propulsor, proporcionando así un acondicionamiento de temperatura del propulsor y el propulsor más allá del rango permitido para la celda de carga. Esta configuración también haría posible utilizar un vástago de flujo de mayor diámetro para acomodar propulsores con mayores caudales.

En esta aplicación, las limitaciones de tiempo dictaron la compra de la mejor celda de carga disponible en el mercado que tenía un rango de medición normal de hasta 2 lb (8,9 N). El uso de la celda de carga para una amplia gama de mediciones es lo que hizo necesario realizar una calibración de rango bajo y una calibración de rango alto por separado para garantizar la precisión. Si el tiempo lo permite, las versiones futuras del soporte de empuje incorporarían celdas de carga de rango inferior para las mediciones de empuje más bajas.

Este trabajo fue realizado por Mark L. Villemarette* del Centro Espacial Johnson. Para obtener más información, acceda al Paquete de soporte técnico (TSP) de forma gratuita en línea en www.nasatech.com/tsp en la categoría Prueba y medición. MSC-22861

*Actualmente de Oceaneering Space Systems.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de agosto de 2000 de la revista NASA Tech Briefs.

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