Modelado y Caracterización de un Sistema de Alimentación de Yodo Controlado Térmicamente para Aplicaciones de Propulsión Eléctrica
Autores: Saravia, Manuel Martín; Bernazzani, Luca; Ceccarini, Alessio; Vinci, Alfio Emanuele; Paganucci, Fabrizio
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2020
Acceso abierto
Artículo científico
2020
Modelado y Caracterización de un Sistema de Alimentación de Yodo Controlado Térmicamente para Aplicaciones de Propulsión Eléctrica
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Yodo
Propulsor
Sistemas de propulsión eléctrica
Medición de flujo másico
Sistema de alimentación controlada
Estrangulador térmico.
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Citaciones: Sin citaciones
El yodo se considera una alternativa viable al xenón como propulsor para sistemas de propulsión eléctrica, gracias a su buen rendimiento propulsivo, alta disponibilidad y alta densidad de almacenamiento. Sin embargo, dado que el yodo se almacena en estado sólido a temperatura ambiente, los sistemas de gestión de propulsores de última generación no son adecuados para su uso. Además, debido a su alta reactividad, el yodo impone requisitos de compatibilidad de materiales, lo que dificulta el uso de sistemas de medición y control de flujo másico típicamente utilizados con otros propulsores. Se presenta la arquitectura de un sistema de alimentación controlada de yodo para propulsores de iones y de efecto Hall de baja potencia (clase de 200 W) y se describe el prototipo resultante. Consiste en un conjunto de sublimación cuya temperatura se utiliza para controlar la presión del tanque, una válvula ON-OFF normalmente cerrada y un estrangulador térmico para realizar el control fino de la tasa de flujo másico. Se detalla un modelo térmico-fluido 1D relacionado con la generación de vapor en el tanque y su evolución a lo largo de los diferentes componentes. El modelo del estrangulador térmico ha sido verificado experimentalmente utilizando aire como fluido de trabajo. Los resultados del modelo coinciden con las mediciones de las pruebas de verificación bajo la hipótesis de la presencia de una región extendida en la entrada de la tubería donde los perfiles de velocidad y temperatura del flujo laminar no están completamente desarrollados (conocida como región de flujo de entrada). Finalmente, el sistema se caracteriza experimentalmente y se calibra el modelo del sistema completo utilizando mediciones experimentales. La calibración muestra que el flujo del estrangulador térmico presenta una región de flujo de entrada, que la viscosidad está correctamente modelada y que hay una diferencia entre la temperatura del tanque medida y la temperatura de sublimación efectiva.
Descripción
El yodo se considera una alternativa viable al xenón como propulsor para sistemas de propulsión eléctrica, gracias a su buen rendimiento propulsivo, alta disponibilidad y alta densidad de almacenamiento. Sin embargo, dado que el yodo se almacena en estado sólido a temperatura ambiente, los sistemas de gestión de propulsores de última generación no son adecuados para su uso. Además, debido a su alta reactividad, el yodo impone requisitos de compatibilidad de materiales, lo que dificulta el uso de sistemas de medición y control de flujo másico típicamente utilizados con otros propulsores. Se presenta la arquitectura de un sistema de alimentación controlada de yodo para propulsores de iones y de efecto Hall de baja potencia (clase de 200 W) y se describe el prototipo resultante. Consiste en un conjunto de sublimación cuya temperatura se utiliza para controlar la presión del tanque, una válvula ON-OFF normalmente cerrada y un estrangulador térmico para realizar el control fino de la tasa de flujo másico. Se detalla un modelo térmico-fluido 1D relacionado con la generación de vapor en el tanque y su evolución a lo largo de los diferentes componentes. El modelo del estrangulador térmico ha sido verificado experimentalmente utilizando aire como fluido de trabajo. Los resultados del modelo coinciden con las mediciones de las pruebas de verificación bajo la hipótesis de la presencia de una región extendida en la entrada de la tubería donde los perfiles de velocidad y temperatura del flujo laminar no están completamente desarrollados (conocida como región de flujo de entrada). Finalmente, el sistema se caracteriza experimentalmente y se calibra el modelo del sistema completo utilizando mediciones experimentales. La calibración muestra que el flujo del estrangulador térmico presenta una región de flujo de entrada, que la viscosidad está correctamente modelada y que hay una diferencia entre la temperatura del tanque medida y la temperatura de sublimación efectiva.