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Jun 04, 2023

推力を測定する推力スタンド

リンドン・B・ジョンソン宇宙センター、テキサス州ヒューストン 遠隔操縦カメラなどの小型装置を軌道上で推進したり、

リンドン・B・ジョンソン宇宙センター、テキサス州ヒューストン

遠隔操縦カメラなどの小型装置を軌道上で推進したり、宇宙飛行士の推進用バックパックに組み込んだりする小型の低温ガススラスタの開発により、0.04 ～ 0.8 ポンド（0.2 ～ 3.6 N）の範囲の推力を測定する必要性が生じました。 さらに、1 気圧 (0.1 MPa) の圧力の空気中だけでなく真空環境でも、広範囲の推進剤入口圧力にわたって推力を測定する必要がありました。 このような測定で克服すべき主な障害は、推力測定、特に 1/4 ポンド (1 N) 未満の推力測定に影響を与えることなく、低温ガス推進剤 (圧縮窒素ガス) をスラスターに供給するという問題を解決することでした。

より大きな推力を測定する方法には、推進剤を送達するためのフレキシブルチューブまたは回転流体カップリングの使用が含まれます。 しかしながら、現在の低推力用途では、可撓性チューブによって推力センサに加えられる力は、測定される推力に対して大きくなるであろう。 さらに、フレキシブルチューブによって生成される力は推進剤圧力の変化に応じて変化し、軸外の荷重を推力センサーに加えます。 回転流体継手の内部摩擦力、および圧力によるこれらの力の変化も、低推力に対しては測定できないほど大きすぎます。

図は、真空中または大気圧の空気中で微小推力を測定するために設計された推力スタンドの断面図です。 推力センサーには、容易に入手できるドーナツ型ロードセルを使用しています。 ドーナツ構成が選択された理由は、その中央の穴により、推進剤の流路をスラスターとロードセルの両方と同軸にすることができるためです。 ロードセルには通気ポートが装備されており、その内部空洞内の空気の圧力が常に周囲の空気の圧力と等しくなり、圧力に関連したロードセル出力の過度の変動を防ぎます。

フランジアセンブリとフローステムが含まれており、ロードセルを介して推進剤を同軸上でスラスターに供給します。 フローステムはスラスターマウントフィッティングの一部でもあり、スラスターからロードセルに推力を伝達します。 スラスター、ロードセル、フローステムを同軸に配置することで、軸外の負荷がすべて排除されます。

フローステムは、上部フランジと底部フランジの両方から突き出るように設計されており、推進剤の圧力がステム上で反対方向に軸方向にバランスが保たれます。 これは、静圧および推進剤の静圧の変化によって生じるロードセルにかかる力を打ち消すために行われました。 実際、この設計機能は成功し、258 psi (1.78 MPa) の推進剤圧力で力の 98.7 パーセント [7.9 ポンド中 7.8 (35.1 N 中 34.7 N)] のバランスをとりました。

設計の取り組みの焦点の 1 つは、所定の推力に対するロード セルからの一貫した反応を可能にしながら、フロー ステムとフランジの間のギャップを最適にシールして窒素の流出を防ぐ方法の問題でした。 当初、フランジ通路には内部 O リング溝が組み込まれており、O リングは上部および下部フランジのフローステムに対してシールしていました。 ロードセルの最大たわみがあったため、

シールのずれをなくすためにフローステムとフランジの間をシールする代替方法を提供するために、O リングの代わりにシリコンシーラントが使用されました。 シーラントが硬化すると、フローステムとフランジへのシーラントの接着により、O リングの使用時に発生した異なる表面間の滑りがなく、固定された形状が確保されると考えられました。 O リングと同様に、新しいシリコン シールは微細に曲がりますが、O リングのようにフロー ステムに沿って滑ったり、溝内でずれたりすることはありません。 未硬化状態で適切な粘度、硬化状態で適切なせん断強度を備えた注入可能なシリコーンシーラントを選択しました。 スラストスタンドの組み立て中にシリコンシールの注入と硬化をサポートするための組み立て方法とツールが考案されました。 シリコーンシールのテスト中、最大 270 psi (1.86 MPa) の圧力でも漏れは観察されませんでした。