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May 22, 2023

Schubständer misst Stöße von

Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas Die Entwicklung von Miniatur-Kaltgastriebwerken für den Antrieb kleiner Geräte wie ferngesteuerter Kameras im Orbit und für den Einsatz in

Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas

Die Entwicklung von Miniatur-Kaltgastriebwerken für den Antrieb kleiner Geräte wie ferngesteuerter Kameras im Orbit und für den Einbau in Antriebsrucksäcke von Astronauten führte zu der Notwendigkeit, Schubkräfte im Bereich von 0,2 bis 3,6 N (0,04 bis 0,8 lb) zu messen. Darüber hinaus bestand die Notwendigkeit, den Schub in einer Vakuumumgebung sowie in Luft bei einem Druck von 1 Atmosphäre (0,1 MPa) und über einen weiten Bereich von Treibstoffeinlassdrücken zu messen. Das Haupthindernis, das bei solchen Messungen überwunden werden musste, bestand darin, das Problem zu lösen, das Kaltgas-Treibmittel (komprimiertes Stickstoffgas) zum Triebwerk zu transportieren, ohne die Schubmessungen zu beeinträchtigen, insbesondere solche unter 1/4 Pfund (1 N).

Zu den Methoden zur Messung größerer Schubkräfte gehört die Verwendung flexibler Schläuche oder rotierender Flüssigkeitskupplungen zur Abgabe von Treibstoffen. Bei der vorliegenden Anwendung mit geringem Schub wären die von flexiblen Schläuchen auf Schubsensoren ausgeübten Kräfte jedoch im Verhältnis zum gemessenen Schub groß. Darüber hinaus variieren die von flexiblen Rohren erzeugten Kräfte mit Änderungen des Treibstoffdrucks und üben außeraxiale Belastungen auf die Schubsensoren aus. Auch die inneren Reibungskräfte in rotierenden Flüssigkeitskupplungen und die Schwankungen dieser Kräfte mit dem Druck wären im Hinblick auf die zu messenden geringen Schubkräfte zu groß.

Die Abbildung ist ein Querschnitt eines Schubstativs, das zur Messung kleiner Schubkräfte im Vakuum oder in Luft bei Atmosphärendruck konzipiert ist. Als Schubsensor wird eine handelsübliche Wägezelle in Donut-Konfiguration verwendet. Die Donut-Konfiguration wurde gewählt, weil ihr zentrales Loch es ermöglicht, den Treibstoffströmungsweg koaxial sowohl zum Triebwerk als auch zur Wägezelle zu gestalten. Die Wägezelle ist mit einer Entlüftungsöffnung ausgestattet, so dass der Luftdruck in ihrem inneren Hohlraum immer dem Druck der Umgebungsluft entspricht, um übermäßige druckbedingte Verschiebungen der Wägezellenleistung zu verhindern.

Eine Flanschbaugruppe und ein Durchflussschaft sind im Lieferumfang enthalten, um die koaxiale Lieferung des Treibstoffs durch die Wägezelle zum Triebwerk zu gewährleisten. Der Strömungsschaft ist auch Teil einer am Triebwerk montierten Armatur, die den Schub vom Triebwerk auf die Kraftmessdose überträgt. Durch die koaxiale Anordnung von Triebwerk, Kraftmessdose und Strömungsstange werden alle außeraxialen Belastungen eliminiert.

Der Strömungsschaft wurde so konstruiert, dass er sowohl durch den oberen als auch den unteren Flansch ragt, so dass der Treibmitteldruck auf dem Schaft in entgegengesetzten Richtungen axial ausgeglichen wird. Dies geschah, um die Kraft auf die Wägezelle aufzuheben, die durch den statischen Druck und durch die Variation des statischen Drucks des Treibmittels erzeugt wird. In der Praxis erwies sich dieses Konstruktionsmerkmal als erfolgreich und gleichte 98,7 Prozent der Kraft [7,8 von 7,9 lb (34,7 von 35,1 N)] bei einem Treibstoffdruck von 258 psi (1,78 MPa) aus.

Ein Schwerpunkt der Konstruktionsbemühungen lag auf der Frage, wie der Spalt zwischen der Strömungsstange und den Flanschen am besten abgedichtet werden kann, um das Entweichen von Stickstoff zu verhindern und gleichzeitig konsistente Reaktionen der Kraftmesszelle bei einem bestimmten Schub zu ermöglichen. Anfänglich verfügten die Flanschdurchgänge über interne O-Ring-Nuten, wobei der O-Ring im oberen und unteren Flansch gegen den Durchflussschaft abdichtete. Da war die volle Auslenkung der Wägezelle

Um eine alternative Methode zur Abdichtung zwischen Durchflussschaft und Flanschen bereitzustellen und ein Verrutschen der Dichtungen zu verhindern, wurden O-Ringe durch ein Silikondichtmittel ersetzt. Man ging davon aus, dass nach dem Aushärten des Dichtmittels die Haftung des Dichtmittels am Durchflussschaft und an den Flanschen eine feste Geometrie ohne den bei der Verwendung der O-Ringe aufgetretenen Schlupf zwischen unterschiedlichen Oberflächen gewährleisten würde. Wie die O-Ringe würden sich die neuen Silikondichtungen mikroskopisch verbiegen, aber sie würden nicht entlang des Durchflussschafts rutschen oder sich in ihren Rillen verschieben, wie es bei den O-Ringen der Fall war. Es wurde ein gießbarer Silikondichtstoff mit der richtigen Viskosität im ungehärteten Zustand und der richtigen Scherfestigkeit im ausgehärteten Zustand ausgewählt. Es wurden eine Montagemethode und Werkzeuge entwickelt, um das Ausgießen und Aushärten der Silikondichtungen während der Montage des Schubständers zu unterstützen. Beim Testen der Silikondichtungen wurde bei Drücken bis zu 270 psi (1,86 MPa) keine Leckage beobachtet.

Zu den weiteren Merkmalen des Schubständers gehören:

Die Kalibrierung des Schubständers begann mit der Druckbeaufschlagung auf einen der Drücke, die zum Testen von Triebwerken erforderlich sind. Als nächstes wurden kalibrierte Messinggewichte auf die Triebwerksdüse gelegt und die elektrische Leistung der Wägezelle aufgezeichnet. Nach Abschluss der Kalibrierungen wurde das Triebwerk mehrmals gezündet und anschließend die Kalibrierung wiederholt.

Während eines Testprogramms wurde der Schubständer in Schubbereichen von 0,02 bis 0,16 lb (0,09 bis 0,71 N) und 0,39 bis 0,61 lb (1,7 bis 2,7 N) kalibriert. Der Messfehler betrug im unteren Bereich ±5 Prozent der Anzeige und im oberen Bereich ±3 Prozent der Anzeige. Diese Kombination aus Reichweiten und Genauigkeiten ergibt einen außergewöhnlich großen nutzbaren Gesamtbereich für ein Schubmesssystem. Es wurde festgestellt, dass die bei Triebwerkszündungen erhaltenen Schubmessungen im Vergleich zu den während der Kalibrierung erhaltenen Schubmessungen genauso oder besser wiederholbar waren (das heißt, sie waren durch Fehlerbänder gleicher oder kleinerer Breite gekennzeichnet).

Weitere Änderungen am Design des Schubständers wurden vorgeschlagen, um seine Fähigkeit für den zukünftigen Einsatz zu erhöhen. Durch die Montage der Wägezelle unter dem unteren Flansch in einer Halterung wäre ein einfacher Austausch der Wägezelle gegen eine Wägezelle mit einem anderen Messbereich möglich. Der Schub würde immer noch koaxial auf die Wägezelle übertragen, aber er würde von der unteren Spitze des Strömungsschafts über eine Wärmeisolationsarmatur auf die Wägezelle übertragen. Der Austausch der Wägezelle wäre nicht nur viel einfacher; Darüber hinaus würde diese Konfiguration die Wägezelle thermisch vom Triebwerk und dem Treibstoff isolieren und so für eine Temperaturkonditionierung des Triebwerks und des Treibstoffs sorgen, die über den für die Wägezelle zulässigen Bereich hinausgeht. Diese Konfiguration würde es auch ermöglichen, einen Strömungsschaft mit größerem Durchmesser zu verwenden, um Triebwerke mit höheren Durchflussraten unterzubringen.

Bei dieser Anwendung erforderten Zeitbeschränkungen den Kauf der besten verfügbaren handelsüblichen Wägezelle mit einem normalen Messbereich von bis zu 2 lb (8,9 N). Die Verwendung der Wägezelle für ein breites Spektrum an Messungen machte es erforderlich, sowohl eine Kalibrierung im unteren Bereich als auch eine separate Kalibrierung im oberen Bereich durchzuführen, um die Genauigkeit sicherzustellen. Wenn es die Zeit erlaubt, werden künftige Versionen des Schubständers Wägezellen mit niedrigerem Messbereich für geringste Schubmessungen enthalten.

Diese Arbeit wurde von Mark L. Villemarette* vom Johnson Space Center durchgeführt. Weitere Informationen finden Sie im kostenlosen Technical Support Package (TSP) online unter www.nasatech.com/tsp in der Kategorie „Test & Measurement“. MSC-22861

*Derzeit bei Oceaneering Space Systems.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Augustausgabe 2000 des NASA Tech Briefs Magazine.

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