Un 100 KW clase campo aplicado Magnetoplasmadynamic hélice de proa

Resumen

El objetivo de este protocolo es introducir el diseño de 100 kW clase campo aplicado magnetoplasmadynamic hélice de proa y métodos experimentales.

Resumen

Empujadores de magnetoplasmadynamic campo aplicado (propulsores de AF-MPD) son aceleradores híbridos que electromagnética y procesos dinámicos de gas plasma de acelerar a alta velocidad; tienen un considerable potencial para aplicaciones de espacio futuro con las ventajas significativas de alto impulso específico y densidad de empuje. En este trabajo, presentamos una serie de protocolos para diseñar y fabricar una clase de kW 100 de hélice de AF-MPD con refrigeración por agua de estructuras, una tensión de descarga máxima 130 V, un 800 A máxima de descarga actual y una fuerza máxima de 0.25 T de campo magnético. Un cátodo de tungsteno de tantalio hueco actúa como la entrada sólo propulsor para inhibir la descarga radial, y se coloca axialmente en la parte trasera del ánodo con el fin de aliviar el hambre de ánodo. Un ánodo de cobre divergente cilíndrico se emplea para disminuir la deposición de energía de ánodo, donde se ha reducido la longitud para disminuir el área de conexión de pared plasma. Experimentos utilizaron un vacío sistema que puede alcanzar un vacío de trabajo de 0.01 Pa para un flujo de masa de propelente total tasa inferior a 40 mg/s y un objetivo de empuje soporte. Las pruebas de la hélice se llevaron a cabo para medir los efectos de los parámetros de trabajo como propulsor de caudales, la descarga actual y la fuerza del campo magnético aplicado sobre el rendimiento y permitir análisis apropiado. La hélice podría ser funcionada continuamente por períodos considerables de tiempo con pequeña erosión en la superficie de cátodo hueco. La máxima potencia de la hélice es de 100 kW y el funcionamiento de esta configuración refrigerado por agua es comparable con la de empujadores divulgados en la literatura.

Introducción

Propulsores MPD son conocidos por una densidad relativamente alta de empuje y un alto impulso específico^1,2,3. Sin embargo, el empuje típicos eficiencia¹ de propulsores MPD es relativamente baja, especialmente con propulsores de gases nobles^4,5,6. Para la mayoría de los propulsores MPD, una parte del flujo del propulsor se inyecta en la cámara de descarga de una hendidura entre el ánodo y el cátodo^7,8 , con el resultado de que un componente radial es una proporción significativa de la descarga total. Sin embargo, para generar empuje, efectos cinéticos radial deban convertir en movimiento cinético axial con una boquilla de física o una tobera magnética. Por consiguiente, una característica clave de la nueva hélice MPD de diseño es que todos propulsor se suministra a través del cátodo, que puede actuar para inhibir la descarga radial; de esta manera, se puede aumentar la proporción de energía axial. Hay un efecto mayor que el parámetro de Hall en el plasma alrededor del ánodo puede incrementarse por la disminución de la densidad del número en el ánodo, que puede consolidar el pabellón aceleración componente⁹. Puesto que el propulsor está cerca de la superficie interna del cátodo donde se emiten grandes cantidades de electrones iniciales en este modo de la inyección, se puede aumentar grandemente la tarifa de la ionización propulsor. Además, la longitud del ánodo se ha minimizado para reducir la zona de conexión de pared plasma y reducir el ánodo poder deposición^10,11. Como se aplica un ánodo divergente, esto disminuye el ángulo entre el ánodo y las líneas de campo magnético y disminuir ánodo poder deposición más^12,13.

A pesar de las ventajas señaladas para mejorar el rendimiento, suministro completo propulsor de inyección de cátodo puede aumentar el riesgo de inanición de ánodo que puede dar lugar a fenómenos de "Inicio"¹⁴. Para inhibir este comportamiento, hemos retirado el cátodo a la base del ánodo. Los electrones entonces pueden difundir suficientemente en la dirección radial antes de salir de la salida del ánodo, que actúa para aliviar el hambre de ánodo. Además, se adopta un cátodo hueco multicanal; Comparado con el cátodo hueco de canal único, un cátodo hueco multicanal puede aumentar el área de emisión de electrones y hacer más uniforme la distribución del propulsor. Con esta modificación, la vida y la estabilidad de la hélice pueden ser mayor de^15,16,17.

El poder de diseño de la hélice es de 100 kW y una estructura de refrigeración es necesario con la operación de estado estacionario. En los presentes experimentos de laboratorio, se emplea una estructura eficiente de la refrigeración por agua. Sin embargo, para evaluar el funcionamiento del diseño de hélice MPD, es fundamental para obtener el empuje. Con la aplicación de un sistema de agua de alta presión para transferir calor, habrá fuertes vibraciones durante el funcionamiento de tal enfriamiento, que puede crear interferencia significativa si utilizamos las medidas tradicionales de empuje. En consecuencia, un soporte objetivo de empuje se emplea para medir la fuerza de empuje.

Hélice de MPD

Como se muestra en la figura 1, consiste en la hélice de MPD de ánodo, cátodo y aislante. El ánodo está hecho de cobre con una boquilla divergente cilíndrica, el diámetro interno mínimo de los cuales es de 60 mm. Hay un canal de refrigeración en forma de S alrededor de la pared interna del ánodo. La entrada y salida del canal están en la parte superior el ánodo, que están separadas por un deflector. Un bloque de cobre delgado se emplea para conectar el ánodo y el cable eléctrico. El cruce está en la superficie del ánodo.

El material del cátodo es tungsteno de tantalio, con nueve canales propulsores. El diámetro exterior del cátodo es de 16 mm. El enfriamiento del cátodo se obtiene con un soporte de refrigeración por agua alrededor de la base de cátodo. Hay un canal en forma de anillo dentro del titular. El agua se inyecta en el soporte de la parte inferior y sale por la parte superior. Hay un conector de cátodo hueco en el lado izquierdo del cátodo. El propulsor atraviesa el centro del conector y en la cámara del cátodo hueco; hay una gran cavidad dentro de la base de cátodo con nueve canales cilíndricos estrechos. La cavidad actúa como un amortiguador para aumentar la uniformidad de la distribución del propulsor en nueve canales. El cátodo está conectado con el cable eléctrico con un bloque de cobre anular, que se instala alrededor del conector del cátodo.

Además el cuerpo principal de la hélice, una bobina magnética externa también es necesaria generar campos para los mecanismos en la hélice de AF-MPD; campos magnéticos proporcionan un campo magnético convergente-divergente para acelerar el plasma junto con el campo eléctrico. La bobina de campo consta de 288 vueltas circulares tubos de cobre, que actúan como el paso de ambos eléctricos actuales y enfriamiento de agua. El diámetro interno de la bobina es 150 mm, mientras que el diámetro externo es de 500 mm. La mayor intensidad de campo en el centro es de 0.25 T a de corriente de 230 A.

Experimento sistema

El sistema de experimento incluye seis subsistemas. El diagrama esquemático de la disposición general del sistema experimental se muestra en la figura 2; el diseño de la hélice dentro de la cámara de vacío se muestra en la figura 3.

En primer lugar, el sistema de vacío, que proporciona el entorno vacío necesario para el funcionamiento de la hélice de proa, consiste en una cámara de vacío, dos bombas mecánicas, una bomba molecular y cuatro bombas criogénicas. El diámetro de la cámara es de 3 m y la longitud es 5 m. La presión del ambiente puede ser mantenida bajo 0.01 Pa cuando el flujo de propelente (argón) es no más de 40 mg/s.

En segundo lugar, este sistema de fuente proporciona un pulso de alto voltaje para encender la hélice proporciona la energía de la hélice acelerar el plasma y proporciona la energía para la bobina de campo magnético mantener el campo magnético externo. El sistema de fuente de alimentación consta de una fuente de energía de ignición, una fuente de alimentación de la hélice de proa, una fuente de alimentación de la bobina y cables. La fuente de alimentación de ignición puede proporcionar 8 kV o 15 kV tensión de descarga. La fuente de alimentación de la hélice proporciona una corriente continua hasta 1000 A. La fuente de alimentación de la bobina proporciona una corriente continua hasta 240 A.

En tercer lugar, el sistema de abastecimiento propulsor alimenta propulsor de gas para propulsión. El sistema incluye principalmente la fuente del gas, el controlador de tasa de flujo másico y gas tuberías.

El cuarto subsistema es el sistema de refrigeración por agua, que proporciona agua fría alta presión para intercambiar el calor de la hélice de proa, bobina magnética y fuentes de energía. Como se muestra en la figura 4, el sistema consiste en grupo de bombas, tanque de agua, nevera, controladores de bombas y tuberías de suministro de agua. Las tuberías no llevando a cabo dentro de la cámara de vacío proporcionan un enfriamiento terminal de agua para la hélice de proa y la bobina magnética y asegura eso aislamiento eléctrico entre el ánodo y el cátodo el suelo.

La adquisición y sistema de control pueden grabar las señales de medición de condiciones de funcionamiento de la hélice y control operación de otros sistemas. Se compone de tres ordenadores y software correspondiente, tarjeta de adquisición de datos y cables.

Como se muestra en la figura 5, el soporte objetivo de empuje consiste en blanco placa, viga esbelta, sensor de desplazamiento, marco de soporte, plataforma móvil axial y radial plataforma movible. El objetivo puede interceptar el plasma que lo empuja el destino. El desplazamiento del objetivo puede medirse por un sensor colocado detrás del objetivo, de esta manera permitir la evaluación del empuje¹⁸.

Protocolo

1. Preparación para el experimento

1. Instalar a la hélice.
   1. Limpie los componentes de la hélice condiferentes polvo empapado, con alcohol anhidro, en una sala limpia.
   2. Montar el ánodo con el aislador.
   3. Reunir el cátodo, el alojamiento del cátodo y el conector de cátodo.
   4. Añadir la parte del cátodo a la parte del ánodo.
   5. Instale el conector del medio en el conjunto y fijar con los tornillos (tornillos de cabeza hueca hexagonal, M5 × 16).
   6. Establecer el asiento de la bobina en la plataforma de experiencia con carretilla elevadora.
   7. Coloque la plataforma de experimento en el carril de guía de la cámara de vacío.
   8. Instale a la hélice en la bobina.
   9. Enlace el ánodo y el cátodo con cables eléctricos correspondientes.
   10. Enlace de la bobina magnética con la fuente de alimentación de la bobina.
   11. Unirse a los tubos de refrigeración por agua y tubo de alimentación propulsor con la hélice.
   12. Une las tuberías de agua de refrigeración con la bobina.
   13. Instalar la plataforma movible dentro de la cámara y fijar que el cuerpo principal de empuje soporte en él.
   14. Ajustar la posición de la plataforma móvil radial para hacer las líneas de control de la hélice y el objetivo coinciden entre sí.
2. Calibrar la posición de empuje.
   1. Carga de diferentes pesos (10 g, 50 g, 100 g, 200 g), uno por uno, en el dispositivo de calibración y el registro la correspondiente salida de la base de empuje.
   2. Descargar los pesos uno a uno.
   3. Repita el proceso tres veces al menos.
   4. Calcular el coeficiente elástico de la base de empuje, según los datos de calibración.
3. Evacuar la cámara de vacío.
   1. Cierre la puerta de la cámara.
   2. Comienzan las bombas mecánicas.
   3. Iniciar las bombas moleculares cuando la presión de fondo en la cámara es inferior a 5 PA.
   4. Inicio bombas criogénicas cuando la presión de fondo en la cámara es inferior a 0.05 PA.
   5. Espere a que la presión llegar a 1 x 10^-4 PA.

2. encendido y experimento de medición de empuje

1. Precaliente la hélice si ha estado expuesto al aire.
   1. Iniciar la grabación de la señal.
   2. La tasa de flujo de masa de propelente en 40 mg/s y mantener el suministro durante al menos 20 minutos
   3. Encienda el suministro de agua de enfriamiento.
   4. Ajustar la frecuencia de trabajo de enfriamiento bombas de agua de 10 Hz.
   5. Mueva el soporte de empuje en la posición lejos de la hélice.
   6. Encienda la fuente de alimentación de la bobina la corriente de la bobina de 90 A.
   7. Encienda la fuente de alimentación de la hélice con la corriente de descarga de 240 A.
   8. Encienda la fuente de alimentación de encendido.
   9. Mantenga la hélice de trabajo durante al menos 5 minutos.
   10. Apague la fuente de alimentación de la hélice y la fuente propelente.
   11. Detener la grabación.
2. Medición de empuje
   1. Mueva el soporte de empuje a la posición de 550 mm de la hélice.
   2. Iniciar la grabación de la señal.
   3. Iniciar el suministro de propulsor.
   4. Encender la hélice con 90 A coil actual y 240 A descarga actual.
   5. Aumento de la bobina de corriente de 150 A.
   6. Aumento de la descarga actual a 800 A.
   7. Aumento de la bobina de corriente a 230 A.
   8. Apague la hélice cuando la salida de empuje soporte estable.
   9. Pare la fuente del propulsor.
   10. Detener la grabación.

Resultados

En el experimento, podemos controlar la corriente de descarga (Id), masa propelente fluir rate(m) y aplicado campo magnético (Ba). En la operación, medimos el valor de la tensión de descarga (Vd) y empuje (T), de que base podemos obtener otro rendimiento parámetros como la potencia (P), impulso específico (Isp) y empuje de eficiencia (η)¹.

Una señal típica de tensión de descarga se muestra en la ...

Discusión

Este protocolo describe los procesos de encendido, funcionamiento y medición de empuje de una hélice de MPD 100 de kW clase aplica campo. El punto clave en el diseño de una hélice MPD para un rendimiento óptimo es elegir la configuración adecuada según el objetivo específico. Propulsores MPD con ánodo convergente divergente pueden funcionar estado estable en un rango de operación amplio. Sin embargo, el rendimiento puede ser inferior a la hélice con el ánodo divergente. Cátodo hueco, especialmente el cátodo...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Cryogenic Pumps	Brooks Automation		Pumping speed: 10000L/s
Displacement Sensor	Panasonic	HG-C1030	Repetition precision: 10μm Linearity: ±0.1% F.S.
Mass Flow Rate Controller	Brooks Automation		Range: 0-120mg/s
Molecular Pump	Oerlikon		Pumping speed: 2100L/s
Moveable Plantform	Beijing Weina Guangke Automation equipment Co., Ltd.		Range:0-2000mm
Plsatic Water Pipes	Xingye Xingye fluoroplastics (Jiaxing) Co., Ltd.		Ultimate pressure: 4.5MPa
Propellant Argon	Beijing Huanyu Hinghui Gas Technology Co., Ltd.		Purity:99.999%
Refrigerator	Beijing Jiuzhou Tongcheng Technology Co., Ltd.		Refrigeration power:45kW
Water Pumps	Liaocheng vanguard Motor Co., Ltd.; Shanghai people pump industry group Manufacturing Co., Ltd.; Nanfang Pump Limited company		Maximum Output pressure: Centrifugal pump:1MPa Plunger pump:10MPa