このプロトコルの目的は、100キロワット級の応用磁場磁気プラズマ力学的スラスターと相対実験法の設計を導入することです。磁気プラズマの力学的スラスター、すなわちMPDスラスターは、典型的な電気加速器である。これは、高い比インパルスと高いスラスター密度でよく知られており、将来の高出力宇宙ミッションにおける私たちの主な推進力の主要な候補として扱われます。
本稿では、100キロワット級の応用フィールドMPDスラスターの設計、相対スラスタ実験を行うために必要な実験システム、およびこの実験を終える作業手順を紹介します。スラスター設計。スラスターは主にアノード、カソードおよび絶縁体から成っている。
アノードは、シリンダー発散ノズルを備えた銅で作られており、最小内径は60ミリメートルです。陰極はタンタルタングステンで造られる9つの推進剤チャネル、外径は16ミリメートルである。左側に中空のカソードコネクタがあります。
推進剤はコネクタの中央を流れ、中空のカソードに到達します。陰極ベース内には、9つの円筒形のチャネルと接続する大きな空洞があります。この空洞は、9つのチャネルにおける推進剤分布の均一性を高めるための緩衝剤として機能する。
陰極は、カソードコネクタの周囲に取り付けられている環状銅ブロックで電気ケーブルに接続されています。スラスター本体のほかに、MPDスラスターの動作にも外部磁気コイルが必要です。コイルは、電流と冷却水の両方の通路として機能する288ターン円銅管で構成されています。
コイルの内径は150ミリメートル、外径は500ミリメートルです。中央の最も高いフィールド強度は0.25 telsaです。実験システム。
実験システムは、主に6つのサブシステムを含む実験に必要な条件を提供します。まず、真空システムはスラスターに必要な真空環境を提供します。そして、部屋の直径は3メートル、長さは2メートルです。
環境圧力は0.01パスカルの下で維持することができます。第二に、電源システム。電源システムは、点火電源、スラスター電源、コイル電源、ケーブルで構成されています。
点火電源は8キロボルトまたは15キロボルトの放電電圧を提供することができます。スラスター電源は、最大1,000アンペレの直流電流を供給します。コイル電源は、最大240アンペアの直流電流を供給します。
3つ目は推進剤供給システムで、スラスター用のガス推進剤を供給します。このシステムは主にガス源、マスフローレートコントローラおよびガス供給パイプラインを含んでいる。4つ目は水冷システムで、スラスター、磁気コイル、電源の余分な熱を交換するための高圧水を供給します。
その後、スラスターの動作条件の信号を記録し、他のシステムを制御することができる取得および制御システムです。最後の1つは、推力を測定するために使用することができるターゲット推力測定システムです。ターゲットスラストスタンドは、主にプレートターゲット、細いビーム、変位センサー、支持フレーム、軸方向可動プラットフォーム、および無線可動プラットフォームで構成されています。
プラズマはターゲットによってインターセプトされ、ターゲットはプラズマによって押されます。ターゲットの変位は、ターゲットの後ろに配置されたセンサーによって測定することができます。このようにして、推力を評価することができます。
実験の準備。スラスターを取り付ける。スラスターの部品をクリーンルームでアルコールで拭きます。
絶縁体でアノードを組み立てます。カソード、カソードホルダー、カソードコネクタを一緒に持って来てください。陰極部分をアノード部品に追加します。
中央コネクタを組み立てに取り付け、ネジで固定します。フォークリフトで実験プラットフォーム上のコイルシートを確立します。真空チャンバのガイドレールに実験プラットフォームを置きます。
コイルにスラスターを取り付けアノードとカソードを対応する電気ケーブルでリンクします。磁気コイルをコイル電源とリンクします。
スラスターで水冷管と推進剤供給パイプを結合します。コイルと水冷管を結合します。チャンバー内に可動プラットフォームを設置し、その上にスラストスタンドの本体を固定します。
移動可能なプラットフォームの位置を調整して、スラスターの中心線とターゲットが互いに譲歩するようにします。その後、推力スタンドをコラボレーションします。まず、コラボレーション装置に異なる重みをロードし、スラストスタンドの対応する出力を記録します。
このプロセスを少なくとも 3 回繰り返します。その後、校正データに従って推力スタンドの弾性係数を計算することができます。真空チャンバーを真空にします。
チャンバーのドアを閉めます。機械ポンプを起動します。チャンバー内のバックグラウンド圧力が5パスカルより低い場合は、分子ポンプを起動します。
チャンバーのバックグラウンド圧力が0.05パスカルより低い場合は、極低温ポンプを起動します。圧力がマイナス4パスカルの力に10に達するのを待ちます。点火と推力測定実験。
スラスターが空気にさらされている場合は、スラスターを予熱する必要があります。信号の記録を開始します。推進剤の質量流量を40ミリグラムに設定し、少なくとも20分間供給し続けます。
冷却水供給のスイッチを入れます。陽極とカソード水冷ポンプの動作周波数を10ヘルツに設定します。スラスターから遠い位置にスラストスタンドを移動します。
コイル電流90アンペアでコイル電源をオンにします。240アンペアの放電電流でスラスター電源をオンにします。イグニッション電源をオンにします。
スラスターを少なくとも5分間働かせます。スラスター電源と推進剤の供給をオフにします。再コーディングを停止します。
予熱後、推力測定を行うことができる。スラスターから550ミリメートルの位置にスラストスタンドを移動します。信号の記録を開始します。
推進剤供給を開始します。90アンペアコイル電流と240アンペレ放電電流でスラスターを点火します。コイル電流を90アンペアに増やします。
その後、放電電流を800アンペアに増やします。その後、コイル電流を230アンペアに増やします。スラストスタンドの出力が安定したらスラスターをオフにします。
推進剤の供給を停止します。再コーディングを停止します。代表結果。
実験では、放電電流、推進剤質量流量、磁場の印加を制御します。次に、放電電圧と推力の値を、電力、比インパルス、推力効率などの他のパフォーマンスパラメータを得ることができる値を測定します。放電電圧の典型的な信号をこの図に示します。
電源をオンにした後、スラスターに高電圧を使用して中性推進剤を分解します。点火後、電圧は一定の値に変化し、基本的には一定に保たれます。その後、点火が成功したと言うことができます。
典型的な推力測定結果をこの図に示す。推進剤供給前にスラスタースタンドの信号を記録し始め、これはゼロスラストポイントとして扱われます。推進剤を供給した後、わずかな推力があるでしょう。
発火後、大きな振動が発生します。その後、推力は安定した値に傾向があります。ターゲットの熱変形によるドリフトはゼロで、その値は50ミリニュートンです。
ドリフトによる誤差は1%以下である30分の継続作業中の放電特性を示しています。発火後急速に安定状態にスラスターの動向を集め、この期間中の電圧は非常に安定しています。実験前後のタンタルタングステン中空カソードの外観変化を示す図。
実験時間の合計は10時間以上です。カソードの外面に均一に分配するわずかな浸食を見つけることができます, これは、スラスターが10時間よりもはるかに長い時間のために動作する可能性を持っています.継続作業試験の後、50~100キロワットのパワーレンジでスラスターの性能を検討しました。
最高の性能は99.5キロワットで得られ、推力は3,052ミリニュートンである。比インパルスは4、359秒、推力効率は67%であり、スラスターが最高の性能に達すると、バックグラウンド圧力は0.2パスカルであることに注目に値する。測定された性能は、高圧の影響により実際の値よりも高くなる場合があります。
テスターはタンタルタングステンからなされ、操作抵抗を示す。ガスパワーは100キロワットで、推力は3,050ミリニュートン、比インパルスは4、300秒、効率は67%
