Desenvolvimento de eletrónica digital para monitorização de processos aerotermodinâmicos a bordo de sistemas de proteção térmica

Abstract

A ablação ocorrida durante a entrada na atmosfera de vários corpos celestes provoca recessão no escudo térmico de proteção. Medições sobre a recessão ocorrida ajudariam a melhorar e a otimizar os sistemas de proteção térmica, os modelos computacionais de simulação, a compreensão dos fenómenos aerotermodinâmicos, a melhorar a estimativa sobre o rácio da massa total perdida e a perceber melhor a interação entre o material e o plasma circundante. De modo a obter os dados sobre a recessão ocorrida em escudos térmicos, a Active Space Technologies começou a desenvolver o TPIP (Thermal Protection System sensor based on Impedance Probe), um sensor não intrusivo, colocado no interior do escudo térmico, que utiliza o princípio da impedância mútua para medir as propriedades dielétricas do material e, assim, calcular a recessão do escudo térmico. O funcionamento do TPIP consiste em dois elétrodos transmissores, cada um emitindo um sinal sinusoidal, e dois elétrodos recetores, que recebem os sinais emitidos pelos elétrodos emissores. Os quatro sinais analógicos são convertidos em digitais pelo ADC de um microcontrolador que, após a aquisição dos ditos sinais, faz o tratamento dos dados, isto é, faz a FFT (Fast Fourier Transform) dos quatro sinais com vista a calcular o rácio de amplitude entre emissores e recetores e diferença de fase destes. O TPIP está dividido em três módulos, o módulo analógico que engloba o circuito dos elétrodos, o módulo digital que consiste no circuito do microcontrolador e o módulo de software que consiste no tratamento dos dados. Visto que a Active Space Technologies já desenvolveu o módulo analógico, foi agora desenvolvido o módulo digital e parte do módulo de software. Foi escolhido um microcontrolador rad hard e um microcontrolador não rad hard equivalente. Como este último não possuía canais analógicos suficientes, foi adicionado ao circuito um ADC externo. Escolhido o microcontrolador e o ADC, desenvolveu-se um esquemático do circuito com todas as ligações necessárias e, seguidamente, converteu-se o esquemático para um PCB. Com o PCB montado foi desenvolvido o software. Ao validar o PCB constatou-se que havia problemas no ADC, não se tendo encontrado a causa dos problemas, mas que provavelmente se deveria à soldadura dos componentes. O software desenvolvido para o ADC externo não pôde ser testado. No entanto, foi desenvolvido um novo software que foi testado e com o qual foi possível observar que ambos os canais do ADC interno do microcontrolador fazem a aquisição dos dados simultaneamente, sendo que o ADC tem uma frequência de amostragem máxima de 500 kHz.

Ablation that occurs during the entry into the atmosphere of celestial bodies causes recession of the thermal protection system. Recession measurements would contribute to improve thermal protection systems, validate numerical models of aerothermodynamic phenomena as well as to assess mass ratio and better understand the interaction with the surrounding plasma. To obtain recession measurements from heat shields, Active Space Technologies is developing the TPIP (Thermal Protection System sensor based on Impedance Probe) sensor, a non-invasive sensor, placed inside the heat shield. The sensor uses the principle of mutual impedance to measure the dielectric properties of the material and subsequently estimate the heat shield recession. The TPIP architecture consists of two transmitting electrodes and two receiving electrodes. The four analog signals are digitized by an ADC (Analogue-Digital Converter) embedded in a microcontroller, which, after acquiring the signals, processes the data, e.g., performs the FFT (Fast Fourier Transform) of the four signals to calculate the receiver to transmitter amplitude as well as the phase difference. The TPIP sensor is divided into three modules: the analog module that also includes the electrodes, the digital module that comprises the microcontroller, and the software module for data processing and communications. Since Active Space Technologies has already developed the analog module, the digital module and part of the software module have been developed in this dissertation. A rad hard microcontroller and its non-rad hard equivalent have been chosen. The project comprises the design, development, manufacturing, assembly, and testing of the digital module. Although the digital module has not been completely validated, an important contribution has been made to the TPIP sensor.