Desenvolvimento de uma balança de empuxo para propulsores elétricos

• Main Author: Marcelo Renato Anselmo
• Other Authors: Gilberto Marrega Sandonato
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2017
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m16c/2017/04.12.13.20

Os testes de caracterização de propulsores buscam a obtenção de parâmetros de desempenho, tais como empuxo, impulso e impulso específico. Para isto, foi desenvolvida uma balança de empuxo para propulsores de plasma pulsado (PPTs, Pulsed Plasma Thrusters), com faixa de medição de impulso entre 14 e 79 $\mu$N·s e resolução mínima de 0,05 e máxima de 0,10 $\mu$N·s, necessária para a caracterização inequívoca destes propulsores elétricos. A técnica de medição direta, na qual o propulsor é montado sobre a balança de empuxo, é considerada a mais adequada e precisa para aplicações com PPTs, permitindo a medição de baixos valores de empuxo ($\sim$ 1 $\mu$N). A balança de empuxo pode ter a configuração de um pêndulo de suspensão, pêndulo invertido ou pêndulo de torção. A configuração de pêndulo de torção foi utilizada devido às suas principais vantagens como relativa simplicidade de construção e custo reduzido. Além disso, essa configuração permite que a força de restauração da balança de empuxo seja independente da massa do propulsor, pois seu eixo de rotação é paralelo ao vetor da força gravitacional. O uso de pivôs de torção de baixa rigidez fez com que a balança pudesse ser mais compacta, com um braço de torção menor. Um dispositivo de calibração eletrostática foi projetado e construído para simular o empuxo de PPTs, calibrar a balança de empuxo e permitir futuros testes da balança com propulsores de plasma pulsado de dupla descarga (DD-PPT, Double Discharge Pulsed Plasma Thrusters), desenvolvidos no Laboratório Associado de Combustão e Propulsão do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. A balança projetada apresentou um erro máximo na medição de impulso de 10 \%, abaixo da faixa de valores de 12 a 15 \%, típicos para este tipo de balança de empuxo. === The thrusters characterization tests seek to obtain the performance parameters such as thrust, impulse bit and specific impulse. For this, a thrust balance for pulsed plasma thrusters (PPTs) has been developed, able to measure impulse bit values between 14 and 79 $\mu$N·s with a minimum resolution of 0.05 and maximum of 0.10 $\mu$N·s, necessary for the unambiguous characterization of these electric thrusters. The direct measurement technique, in which the thruster is mounted on the thrust balance, is considered the most suitable and accurate for applications with PPTs, allowing the measurement of low thrust values ($\sim$ 1 $\mu$N). The thrust balance can be configured as a hanging pendulum, inverted pendulum or torsional pendulum. The torsional pendulum configuration has as main advantages the relative construction simplicity and reduced cost. In addition, this configuration allows the thrust balance restoration force to be independent of the mass of the thruster, since its rotation axis is parallel to the gravitational force vector. The use of flexural pivots which have low stiffness makes the balance more compact, with a smaller torsional arm. An electrostatic calibration device was designed and built to simulate the thrust of PPTs, to calibrate the thrust balance and to allows forthcoming tests using double discharge pulsed plasma thrusters developed in the Associated Laboratory of Combustion and Propulsion of the Brazilian National Institute for Space Research. The maximum impulse bit measurement error provided by the balance designed was 10 \%, lower than the value range of 12 to 15 \%, typical for this type of thrust balance.