Investigación Experimental del Estrangulamiento PWM en un Propulsor Monopropelente de Clase 50 Newton: Análisis de Aumentos de Presión y Oscilaciones
Autores: Choi, Suk Min; Bach, Christian
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Investigación Experimental del Estrangulamiento PWM en un Propulsor Monopropelente de Clase 50 Newton: Análisis de Aumentos de Presión y Oscilaciones
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Propulsor
Pwm
Picos de presión
Oscilaciones
Ciclo de trabajo
Frecuencia
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 38
Citaciones: Sin citaciones
Los propulsores monopropelentes de peróxido de hidrógeno de alta prueba (HTP) están siendo considerados para misiones de aterrizaje de naves espaciales debido a su simplicidad y menor toxicidad en comparación con los propulsores tradicionales. La modulación por ancho de pulso (PWM) es una técnica clave para el control preciso del empuje en tales sistemas. Sin embargo, la modulación PWM puede provocar picos de presión y oscilaciones en el sistema de alimentación del propulsor, comprometiendo potencialmente la fiabilidad del sistema. Este estudio investiga la influencia de los parámetros de PWM, específicamente el ciclo de trabajo y la frecuencia, en los picos de presión y las oscilaciones en un propulsor monopropelente HTP de clase 50 newtons. El objetivo es identificar condiciones de operación estables que mitiguen estos efectos, mejorando así la fiabilidad de la modulación PWM para aplicaciones de aterrizaje. Se desarrolló un montaje experimental, que incluye un propulsor de clase 50 newtons con un catalizador y una válvula solenoide para el control PWM. Las pruebas de flujo en frío utilizando agua caracterizaron la respuesta de la válvula y los efectos de golpe de agua, mientras que las pruebas de fuego en caliente con un 90% en peso de HTP se utilizaron para evaluar el rendimiento del propulsor en condiciones de estado estable y PWM. Se utilizaron métodos analíticos, incluida la ecuación de Joukowsky y el análisis de densidad espectral de potencia, para interpretar los datos y comprender los mecanismos subyacentes. Los resultados mostraron que, si bien las presiones de pico generalmente se alineaban con los valores de estado estable, condiciones específicas de PWM llevaron a picos amplificados, particularmente a bajos ciclos de trabajo. Además, altos ciclos de trabajo inducían inestabilidad de chugging. Se encontró que las frecuencias naturales del sistema de alimentación desempeñaban un papel crucial en estos fenómenos. Se identificaron condiciones de operación estables evitando ciclos de trabajo que causen interferencia constructiva de las ondas de presión. Esta investigación demuestra que, al seleccionar cuidadosamente los parámetros de PWM en función de las características dinámicas del sistema de alimentación, se pueden minimizar los picos de presión y las oscilaciones, asegurando un funcionamiento fiable de los propulsores monopropelentes HTP en modo de modulación PWM. Estos hallazgos contribuyen al desarrollo de sistemas de propulsión más eficientes y seguros para los aterrizajes de naves espaciales.
Descripción
Los propulsores monopropelentes de peróxido de hidrógeno de alta prueba (HTP) están siendo considerados para misiones de aterrizaje de naves espaciales debido a su simplicidad y menor toxicidad en comparación con los propulsores tradicionales. La modulación por ancho de pulso (PWM) es una técnica clave para el control preciso del empuje en tales sistemas. Sin embargo, la modulación PWM puede provocar picos de presión y oscilaciones en el sistema de alimentación del propulsor, comprometiendo potencialmente la fiabilidad del sistema. Este estudio investiga la influencia de los parámetros de PWM, específicamente el ciclo de trabajo y la frecuencia, en los picos de presión y las oscilaciones en un propulsor monopropelente HTP de clase 50 newtons. El objetivo es identificar condiciones de operación estables que mitiguen estos efectos, mejorando así la fiabilidad de la modulación PWM para aplicaciones de aterrizaje. Se desarrolló un montaje experimental, que incluye un propulsor de clase 50 newtons con un catalizador y una válvula solenoide para el control PWM. Las pruebas de flujo en frío utilizando agua caracterizaron la respuesta de la válvula y los efectos de golpe de agua, mientras que las pruebas de fuego en caliente con un 90% en peso de HTP se utilizaron para evaluar el rendimiento del propulsor en condiciones de estado estable y PWM. Se utilizaron métodos analíticos, incluida la ecuación de Joukowsky y el análisis de densidad espectral de potencia, para interpretar los datos y comprender los mecanismos subyacentes. Los resultados mostraron que, si bien las presiones de pico generalmente se alineaban con los valores de estado estable, condiciones específicas de PWM llevaron a picos amplificados, particularmente a bajos ciclos de trabajo. Además, altos ciclos de trabajo inducían inestabilidad de chugging. Se encontró que las frecuencias naturales del sistema de alimentación desempeñaban un papel crucial en estos fenómenos. Se identificaron condiciones de operación estables evitando ciclos de trabajo que causen interferencia constructiva de las ondas de presión. Esta investigación demuestra que, al seleccionar cuidadosamente los parámetros de PWM en función de las características dinámicas del sistema de alimentación, se pueden minimizar los picos de presión y las oscilaciones, asegurando un funcionamiento fiable de los propulsores monopropelentes HTP en modo de modulación PWM. Estos hallazgos contribuyen al desarrollo de sistemas de propulsión más eficientes y seguros para los aterrizajes de naves espaciales.