A influência do ambiente de baixa pressão em acelerômetros flexíveis de quartzo: uma consideração fundamental em aplicações aeroespaciais.

Descubra como os ambientes de baixa pressão no espaço afetam os acelerômetros flexíveis de quartzo, seu desempenho em aplicações aeroespaciais e por que eles continuam sendo ideais para o monitoramento de microvibrações.

No monitoramento de microvibrações na órbita de espaçonaves, o acelerômetro flexível de quartzo, com sua alta sensibilidade e baixo ruído, tornou-se uma escolha ideal para medir acelerações estáticas e dinâmicas. No entanto, será que o ambiente de baixa pressão no espaço afetará seu desempenho? Este artigo explorará em profundidade essa questão crucial.

Por que um ambiente de baixa pressão é tão crucial para os acelerômetros?

Imagine que, quando a espaçonave está operando em órbita terrestre baixa a uma altitude de 500 quilômetros do solo, ela se encontra em um ambiente de alto vácuo com um grau de vácuo de aproximadamente 10⁻⁵ a 10⁻⁶ Pa. E quando o acelerômetro flexível de quartzo é embalado, a pressão interna é de 1 atmosfera. Quais serão os efeitos dessa diferença de pressão?

À medida que o tempo de operação em órbita aumenta, o ar dentro da embalagem irá gradualmente escapar e a pressão do ar irá diminuir continuamente, eventualmente atingindo o equilíbrio com o vácuo do espaço. Durante esse processo, o livre percurso médio das moléculas de ar continuará a aumentar, podendo até mesmo ultrapassar 30 µm. O estado do fluxo também sofrerá uma transição gradual de fluxo viscoso para fluxo viscoso-molecular, entrando finalmente no estado de fluxo molecular quando a pressão for inferior a 10² Pa.

De que forma a variação da pressão atmosférica afeta o desempenho do sensor?

Em um ambiente aéreo, o movimento do diafragma sensível de um acelerômetro de quartzo é afetado pelo efeito de amortecimento da membrana. No entanto, à medida que a pressão do ar diminui, o amortecimento do ar torna-se cada vez menor. No estado de fluxo molecular, ele praticamente se anula, restando apenas o amortecimento eletromagnético.

A questão crucial reside no seguinte: se ocorrer um vazamento de gás significativo durante a missão, o coeficiente de amortecimento da membrana diminuirá consideravelmente, o que alterará as características do acelerômetro e impedirá a dissipação eficaz da vibração livre dispersa. Consequentemente, isso poderá afetar o fator de escala e o nível de ruído do sensor, comprometendo a precisão da medição.

Qual a importância da influência da baixa pressão no fator de escala?

A análise da calibração estática utilizando o método de inclinação gravitacional mostra:

Em um ambiente aéreo, a força de tração que atua sobre o componente do pêndulo é mg₀, e a força de empuxo f_b é ρVg₀. A força eletromagnética f é igual à diferença entre a força gravitacional e a força de empuxo:

\[ f = mg_0 - ρVg_0 \]

Entre eles:

A massa do pêndulo é m = 8,12×10⁻⁴ kg

A densidade do ar seco é ρ = 1,293 kg/m³

O volume da parte móvel do componente do pêndulo é V = 280 mm³

A aceleração gravitacional g₀ = 9,80665 m/s²

O cálculo mostra que a proporção entre a força de flutuação e o peso do próprio componente do pêndulo é de aproximadamente 0,044%. Isso significa que, em um ambiente de vácuo, quando a pressão do ar atinge o equilíbrio entre o interior e o exterior, o fator de escala do acelerômetro flexível de quartzo varia em apenas 0,044%.

Desempenho em aplicações práticas

A análise teórica indica que a influência de ambientes de baixa pressão no fator de escala do sensor é inferior a 0,1%, e o impacto na precisão da medição é insignificante. Merece destaque a série AC-1 de acelerômetros flexíveis de quartzo, um modelo projetado especificamente para aplicações aeroespaciais. Dentre eles, o modelo AC-1A possui a maior precisão e apresenta as seguintes características excelentes:

- Repetibilidade de viés zero ≤ 10 μg

- Fator de escala 1,05 - 1,3 mA/g

- Repetibilidade do fator de escala ≤ 15 μg

Esses indicadores de desempenho os tornam perfeitamente adequados para monitorar o ambiente de microvibração de espaçonaves em órbita, podendo também ser aplicados a sistemas de navegação inercial com altos requisitos de precisão e a sistemas de medição de ângulo estático.

Conclusão: A viabilidade das aplicações espaciais

A análise abrangente indica:

1. O impacto máximo do ambiente de vácuo no fator de escala não ultrapassa 0,044%.

2. A influência do ambiente de baixa pressão no fator de escala do sensor é inferior a 0,1%.

3. O impacto na precisão da medição pode ser desconsiderado.

Portanto, o acelerômetro flexível de quartzo é perfeitamente adequado para aplicações orbitais de longa duração. O ambiente de baixa pressão ou vácuo tem um impacto muito pequeno em seu fator de escala e ruído. Essa conclusão fornece uma garantia técnica confiável para o monitoramento de microvibrações de espaçonaves e também demonstra o excelente desempenho do acelerômetro flexível de quartzo em ambientes extremos.