Name: a 100 kw class applied-field magnetoplasmadynamic thruster
Uploaded: 2018-12-22T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster at JoVE.com

Dit werk werd gesteund door de fundamentele Research Program (nr. JCKY2017601C). Wij waarderen het helpen van Thomas M. York, Professor-Emeritus aan de Universiteit van de staat van Ohio.

1. Voorbereiding voor experiment
<ol><li>Installeren van de Boegschroef.<ol>
<li>Veeg de componenten van de Boegschroef voorzien van tag metnon-stof, gedrenkte doek met watervrij alcohol, in een schone kamer.</li>
		<li>Monteer de anode met de isolatie.</li>
		<li>Het samenbrengen van de kathode, de kathode houder en de aansluiting van de kathode.</li>
		<li>Voeg het deel van de kathode naar de anode deel.</li>
		<li>De middelste aansluiting in de assemblage installeren en corrigeren met schroeven (hoofd van d...

<ol>
	<li>Kodys, A., Choueiri, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Critical+Review+of+the+State-of-the-Art+in+the+Performance+of+Applied-field+Magnetoplasmadynamic+Thrusters.">A Critical Review of the State-of-the-Art in the Performance of Applied-field Magnetoplasmadynamic Thrusters.</a> , (2005).</li><li>Arakawa, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electromagnetic+Effects+in+an+Applied-field+Magnetoplasmadynamic+Thruster.">Electromagnetic Effects in an Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster.</a> Journal of Propulsion &amp; Power. 8 (1), 98-102 (1992).</li><li>Myers, R., Lapointe, M., Mantenieks, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MPD+thruster+Technology.">MPD thruster Technology.</a> , (1991).</li><li>Myers, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applied-field+MPD+thruster+performance+with+hydrogen+and+argon+propellants.">Applied-field MPD thruster performance with hydrogen and argon propellants.</a> Journal of Propulsion &amp; Power. 9 (5), 781-784 (1993).</li><li>Albertoni, R., Rossetti, P., Paganucci, F., Andrenucci, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+Study+of+a+100-kW+class+Applied-Field+MPD+Thruster.">Experimental Study of a 100-kW class Applied-Field MPD Thruster.</a> , (2011).</li><li>Lapointe, M., Strzempkowski, E., Pencil, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+Power+MPD+Thruster+Performance+Measurements.">High Power MPD Thruster Performance Measurements.</a> , (2004).</li><li>Tahara, H., Kagaya, Y., Yoshikawa, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+and+Acceleration+Process+of+Quasisteady+Magnetoplasmadynamic+Arcjets+with+Applied+Magnetic+Fields.">Performance and Acceleration Process of Quasisteady Magnetoplasmadynamic Arcjets with Applied Magnetic Fields.</a> Journal of Propulsion and Power. 13 (5), 651-658 (1997).</li><li>Tahara, H., Kagaya, K., Yoshikawai, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+Applied+Magnetic+Fields+on+Performance+of+a+Quasisteady+Magnetoplasmadynamic+Arc.">Effects of Applied Magnetic Fields on Performance of a Quasisteady Magnetoplasmadynamic Arc.</a> Journal of Propulsion and Power. 11 (2), 337-342 (1995).</li><li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increasing+the+Effective+Voltage+in+Applied-Field+MPD+Thrusters.">Increasing the Effective Voltage in Applied-Field MPD Thrusters.</a> Journal of Physics D Applied Physics. 51, 085201 (2018).</li><li>Myers, R., Mantenieks, M., Sovey, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geometric+Effects+in+Applied-field+MPD+Thrusters.">Geometric Effects in Applied-field MPD Thrusters.</a> , (1990).</li><li>Myers, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geometric+Scaling+of+Applied-Field+Magnetoplasmadynamic+Thrusters.">Geometric Scaling of Applied-Field Magnetoplasmadynamic Thrusters.</a> Journal of Propulsion and Power. 11 (2), 343-350 (1995).</li><li>Mikelides, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applied-Field+Magnetoplasmadynamic+Thrusters,+Part+2:+Analytic+Expressions+for+Thrust+and+Voltage.">Applied-Field Magnetoplasmadynamic Thrusters, Part 2: Analytic Expressions for Thrust and Voltage.</a> Journal of Propulsion and Power. 16 (5), 894-901 (2000).</li><li>Nakata, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+Study+for+the+Optimal+Electrode+Geometry+in+an+MPD+Thruster.">Experimental Study for the Optimal Electrode Geometry in an MPD Thruster.</a> , (2007).</li><li>Kurtz, H., Auweter-Kurtz, M., Merke, W., Schrade, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+MPD+thruster+investigations.">Experimental MPD thruster investigations.</a> , (1987).</li><li>Blackstock, A. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+Using+a+25-kW+Hollow+Cathode+Lithium+Vapor+MPD+Arcjet.">Experiments Using a 25-kW Hollow Cathode Lithium Vapor MPD Arcjet.</a> AIAA Journal. 8 (5), 886-894 (1970).</li><li>Krulle, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characteristics+and+local+analysis+of+MPD+thruster+operation.">Characteristics and local analysis of MPD thruster operation.</a> , (1967).</li><li>Malliaris, A. C., Libby, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Velocities+of+Neutral+and+Ionic+Species+in+a+MPD+Flow.">Velocities of Neutral and Ionic Species in a MPD Flow.</a> , (1969).</li><li>Wang, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Target+thrust+measurement+for+applied-field+magnetoplasmadynamic+thruster.">Target thrust measurement for applied-field magnetoplasmadynamic thruster.</a> Measurement Science &amp; Technology. 29, 075302 (2018).</li><li>Tikhonov, V. B., Semenikhin, S. A., Brophy, J. R., Polk, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Experimental Performance of the 100-kW Li MPDT with External Magnetic. , (1995).</li><li>Burkhart, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Low environmental pressure MPD arc tests. , (1967).</li><li>Boxberger, A., Jüstel, P., Herdrich, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+of+100+kW+Steady+State+Applied-Field+MPD+Thruster.">Performance of 100 kW Steady State Applied-Field MPD Thruster.</a> , (2017).</li><li>Malliaris, A. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+of+Quasi-Steady+MPD+Thrusters+at+High+Powers.">Performance of Quasi-Steady MPD Thrusters at High Powers.</a> AIAA Journal. 10 (2), 121-122 (1972).</li><li>Knudsen, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Kinetic Theory of Gases (London:Methuen). , 26-27 (1950).</li><li>Auweter-Kurtz, M., Krulle, G., Kurtz, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Investigation+of+Applied-Field+MPD+Thrusters+on+the+International+Space+Station.">The Investigation of Applied-Field MPD Thrusters on the International Space Station.</a> , (1997).</li><li>Connolly, D., Sovie, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+background+pressure+on+magnetoplasmadynamic+thruster+operation.">Effect of background pressure on magnetoplasmadynamic thruster operation.</a> Journal of Spacecraft and Rockets. 7 (3), 255-258 (1970).</li><li>Esker, D., Kroutil, J., Sedrick, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Cathode Studies of a Radiation Cooled MPD Arc Thruster. , (1970).</li><li>Myers, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plume+characteristics+of+MPD+thrusters+-+A+preliminary+examination.">Plume characteristics of MPD thrusters - A preliminary examination.</a> , (1989).</li></ol>

Dit protocol beschrijft de processen van ontsteking, bewerking en stuwkracht meting van een boegschroef 100 kW klasse toegepast veld MPD. Het belangrijkste punt in het ontwerpen van een MPD-boegschroef voor optimale prestaties is het kiezen van de juiste configuratie volgens de specifieke doelstelling. MPD thrusters met convergente-uiteenlopende anode kunnen functioneren steady-state in een groot werkbereik. De prestaties kan echter lager is dan de Boegschroef met uiteenlopende anode. De holle kathode, met name de multic...

MPD stuwraketten staan bekend om een stuwkracht van de relatief hoge dichtheid en een hoge specifieke stoot1,2,3. De typische stuwkracht efficiëntie1 van MPD stuwraketten is echter relatief laag is, vooral met drijfgassen van edelgassen4,5,6. Voor de meeste MPD thrusters, wordt een deel van de drijfgas stroom geïnjecteerd in de zaal van de geen kwijting van een spleet tussen de anode en kathode7,8 , met als gevolg dat een radiale component een aanzienlijk deel van de totale kwijting is. Om de stuwkracht te genereren, moeten radiale kinetische effecten echter worden omgezet in axiale kinetische beweging met een fysieke mondstuk of een magnetische mondstuk. Dienovereenkomstig, is een belangrijk kenmerk van de nieuwe ontwerp MPD boegschroef dat alle drijfgas is verstrekt door de kathode, die optreden kan voor de remming van de radiale aanzuivering worden overgebracht; op deze manier kan het aandeel van axiale energie worden verhoogd. Er is een toegevoegd effect dat de parameter Hall in het plasma rond de anode kan worden verhoogd door de daling van het aantal dichtheid rond de anode, die de hal versnelling component9kan versterken. Omdat de voortbeweging dicht bij de binnenzijde van de kathode waar grote hoeveelheden eerste elektronen in deze modus van injectie worden uitgestoten, kan het drijfgas ionisatie tarief sterk worden verhoogd. Bovendien is de lengte van de anode geminimaliseerd verlagen de aansluitende muur-plasma-gebied en het verminderen van de anode macht afzetting10,11. Zoals een uiteenlopende anode wordt toegepast, zal dit dalen van de hoek tussen de anode en de magnetische veldlijnen en afnemen van de anode macht depositie verdere12,13.
Ondanks de voordelen die hierboven om prestaties te verbeteren, kan volledige drijfgas levering door kathode injectie verhogen het risico van de anode honger die in "begin" verschijnselen14 resulteren kan. Om dit probleem te remmen, hebben we de kathode terug naar de basis van anode ingetrokken. De elektronen kunnen vervolgens voldoende diffuus in de radiale richting vóór het verlaten van de afrit van de anode, die fungeren zal voor het verlichten van de anode honger. Verder is een meerkanaals holle kathode aangenomen; vergeleken met de holle kathode van één kanaal, kan een meerkanaals holle kathode het elektron emissie areaal vergroten en de verdeling van de voortbeweging uniformere leveren. Met deze wijziging kunnen zowel de levensduur en de stabiliteit van de Boegschroef verhoogde15,16,17.
De ontworpen kracht van de Boegschroef is 100 kW en een koeling structuur is nodig met steady-state operatie. In de huidige laboratoriumexperimenten, is een efficiënte Waterkoeling structuur werkzaam. Om te beoordelen van de prestaties van de MPD boegschroef ontwerp, is het echter essentieel zijn voor het verkrijgen van de strekking. Met de toepassing van een hogedruk watersysteem op warmte, zal er sterke trillingen tijdens het gebruik van dergelijke koeling, die belangrijke interferentie creëren kan als wij de stuwkracht van de traditionele metingen gebruikt. Dienovereenkomstig, een doel stuwkracht stand wordt gebruikt voor het meten van de strekking.
MPD boegschroef
Zoals aangegeven in Figuur 1, bestaat de MPD-boegschroef van anode, de kathode en de isolator. De anode is gemaakt van koper met een cilindrische uiteenlopende mondstuk, de minimale binnendiameter waarvan 60 mm is. Er is een S-vormige koeling kanaal rond de binnenwand van de anode. De inlaat en de uitlaat van het kanaal zijn op de bovenkant van de anode, die worden gescheiden door een klankbord. Een slanke koper blok wordt gebruikt om verbinding te maken met de anode en de elektrische kabel. De kruising is aan de buitenkant van de anode.
Het materiaal van de kathode is tantaal wolfraam, met negen drijfgas kanalen. De buitendiameter van de kathode is 16 mm. Het koelen van de kathode wordt bereikt met een waterkoeling houder rond de kathode-basis. Er is een ringvormig kanaal in de houder. Het koude water wordt geïnjecteerd in de houder van de bodem en stroomt uit vanaf de bovenkant. Er is een holle kathode-connector aan de linkerkant van de kathode. De voortbeweging stroomt door het centrum van de verbindingslijn en in de holle kathode vergaderzaal; Er is een grote holte binnen de kathode base verbinden met negen smalle cilindervormige kanalen. De holte fungeert als een buffer te verhogen van de uniformiteit van de drijfgas verdeling in negen kanalen. De kathode is aangesloten op de elektrische kabel met een ringvormige koper blok, die rond de kathode-connector is geïnstalleerd.
Naast de hoofdtekst van de Boegschroef is een externe magnetische spoel ook nodig om te velden voor de mechanismen te genereren in de AF-MPD boegschroef; magnetische velden bieden een convergente-uiteenlopende magnetisch veld om te versnellen het plasma samen met het elektrisch veld. Het veld coil bestaat uit 288 bochten van circulaire koperen buizen, die als de doorgang voor zowel elektrische huidige en koeling water fungeren. De binnendiameter van de spoel is 150 mm, terwijl de buitendiameter 500 mm is. De hoogste veldsterkte in het midden is 0,25 T met stroom van 230 A.
Experiment systeem
Het experiment systeem bevat zes subsystemen. Het schema van de algehele indeling van het experimentele systeem is afgebeeld in Figuur 2; de indeling van de Boegschroef binnen de Vacuuemcel is afgebeeld in Figuur 3.
Ten eerste bestaat het vacuüm systeem, dat de nodige vacuüm omgeving voor de werking van de Boegschroef biedt, uit een vacuuemcel, twee mechanische pompen, een moleculaire pomp en vier cryogene pompen. De diameter van de kamer is 3 meter en de lengte is 5 m. De druk van de omgeving kan worden gehandhaafd onder 0.01 Pa wanneer het debiet van (argon) drijfgas niet meer dan 40 mg/s is.
Ten tweede, deze bronsysteem biedt een hoog voltage puls te ontsteken de Boegschroef, levert stroom voor de Boegschroef voor het versnellen van het plasma, en levert stroom voor de spoel magnetisch veld te houden van het externe magnetisch veld. De voedingsbron systeem bestaat uit een ontstekingsbron voor macht, een voedingsbron boegschroef, een voedingsbron spoel en kabels. De krachtbron van de ontsteking kan bieden 8 kV of 15 kV geen kwijting spanning. De krachtbron van de Boegschroef biedt een gelijkstroom tot 1000 A. De krachtbron van de spoel biedt een gelijkstroom tot 240 A.
Ten derde, het drijfgas levering systeem feeds gas drijfgas voor thrusters. Het systeem omvat voornamelijk de gas-bron, de massastroom tarief controller en gas leveren pijpleidingen.
De vierde sub-systeem is de waterkoeling systeem, waarmee cool hogedruk water om te wisselen van de hitte van de Boegschroef, magnetische spoel en voedingsbronnen. Zoals blijkt uit Figuur 4, bestaat het systeem uit pompen groep, watertank, koelkast, watervoorziening pijpleidingen en pompen controllers. De niet-geleidend buizen binnen de Vacuuemcel bieden een koeling water terminal voor de boegschroef en magnetische spoel, en zorgt ervoor dat elektrische isolatie tussen de anode, de kathode en de grond.
De verwerving en het controlesysteem kunnen opnemen de signalen meten boegschroef bediening voorwaarden en controle werking van andere systemen. Het is samengesteld uit drie computers en bijbehorende software, data-acquisitie kaart en kabels.
Zoals afgebeeld in Figuur 5, bestaat de doelgroep stuwkracht stand uit plaat doelgroep, slanke lichtbundel, verplaatsing sensor, hulpframe, axiale beweegbaar platform en radiale beweegbaar platform. Het doel kan onderscheppen de plasma die het doel duwt. De verplaatsing van de doelstelling kan worden gemeten door een sensor geplaatst achter het doel, op deze manier inschakelen van evaluatie van de stuwkracht18.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1097px;" width="1097">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:205px;">Cryogenic Pumps</td>
			<td style="width:454px;">Brooks Automation</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:317px;">Pumping speed: 10000L/s</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:205px;">Displacement Sensor</td>
			<td style="width:454px;">Panasonic</td>
			<td style="width:123px;">HG-C1030</td>
			<td style="width:317px;">Repetition precision: 10&#956;m 
			Linearity: &#177;0.1% F.S.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:205px;">Mass Flow Rate Controller</td>
			<td style="width:454px;">Brooks Automation</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Range: 0-120mg/s</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:205px;">Molecular Pump</td>
			<td style="width:454px;">Oerlikon</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Pumping speed: 2100L/s</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:205px;">Moveable Plantform</td>
			<td style="width:454px;">Beijing Weina Guangke Automation equipment Co., Ltd.</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Range:0-2000mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:205px;">Plsatic Water Pipes</td>
			<td style="width:454px;">Xingye Xingye fluoroplastics (Jiaxing) Co., Ltd.</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Ultimate pressure: 4.5MPa</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:205px;">Propellant Argon</td>
			<td style="width:454px;">Beijing Huanyu Hinghui Gas Technology Co., Ltd.</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Purity:99.999%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:205px;">Refrigerator</td>
			<td style="width:454px;">Beijing Jiuzhou Tongcheng Technology Co., Ltd.</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Refrigeration power:45kW</td>
		</tr>
		<tr height="62">
			<td height="62" style="height:63px;width:205px;">Water Pumps</td>
			<td style="width:454px;">Liaocheng vanguard Motor Co., Ltd.; 
			Shanghai people pump industry group Manufacturing Co., Ltd.; 
			Nanfang Pump Limited company</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:317px;">Maximum Output pressure: 
			Centrifugal pump:1MPa 
			Plunger pump:10MPa</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a 100 kw class applied-field magnetoplasmadynamic thruster

Toegepast-veld magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) zijn hybride Versnellers in die elektromagnetische en gas dynamische processen versnellen plasma voor weetje vaart; ze hebben aanzienlijke mogelijkheden voor toekomstige ruimte-toepassingen met de aanzienlijke voordelen van hoge specifieke stoot en stuwkracht dichtheid. In deze paper presenteren we een reeks van protocollen voor het ontwerpen en vervaardigen van een 100 kW-klasse van AF-MPD boegschroef met water koeling structuren, een 130 V maximale kwijting spanning, een 800 A maximale lozing huidige en een 0,25 T maximale sterkte van het magnetisch veld. Een holle tantaal wolfraam kathode fungeert als de alleen drijfgas inlaat voor de remming van de radiale kwijting, en het is axiaal gepositioneerd aan de achterzijde van de anode ter verlichting van de anode honger. Een cilindrische uiteenlopende koperen anode is aangewend om te verkleinen anode macht depositie, waar de lengte is teruggebracht tot het verlagen van de aansluitende muur-plasma-gebied. Experimenten gebruikt een vacuüm systeem dat een werkende vacuüm van 0,01 kan bereiken Pa voor een totale drijfgas massastroom stem lager dan 40 mg/s en een doel stuwkracht stand. De Boegschroef tests werden uitgevoerd voor het meten van de effecten van de werkende parameters zoals drijfgas debiet, de huidige kwijting en de sterkte van toegepaste magnetisch veld op de prestaties en kunnen de juiste analyse. De Boegschroef kan continu worden bediend voor belangrijke perioden met weinig erosie op het oppervlak van de holle kathode. Het maximumvermogen van de Boegschroef is 100 kW en de prestaties van deze watergekoelde configuratie is vergelijkbaar met die van de stuwraketten gemeld in de literatuur.

In het experiment, we geen kwijting huidige (Id) onder controle en drijfgas massa stromen rate(m) magnetisch veld (Ba) toegepast. In werking, we meten van de waarde van geen kwijting spanning (Vd) en stuwkracht (T), van welke base kunnen we andere prestatie parameters als vermogen (P), specifieke stoot (Isp) en stuwkracht van efficiëntie (η)1.
Een typische signaal van geen kwijting spanning wordt getoon...

Watch this Scientific Journal Video about A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster at JoVE.com

A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster

Het doel van dit protocol is om het ontwerp van een 100 kW klasse toegepast-veld magnetoplasmadynamic boegschroef en relevante experimentele methoden.

Een 100 KW klasse toegepast-veld Magnetoplasmadynamic boegschroef

Applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) are hybrid accelerators in which electromagnetic and gas dynamic processes accelerate ...

Het doel van dit protocol is om het ontwerp van een 100 kilowatt klasse toegepaste veld magnetoplasmadynamic thruster en de relatieve geëxperimenteerde methode te introduceren. Magnetoplasmadynamic thruster, dat is MPD thruster, is een typische elektrische versneller. Het staat bekend om hoge specifieke impuls en een hoge thruster dichtheid, en wordt behandeld als primaire kandidaten voor onze belangrijkste voortstuwing in onze toekomstige high power ruimte missies.In dit artikel introduceren we een ontwerp van een 100-kilowatt klasse toegepaste veld MPD thruster, de nodige experiment systemen om een relatieve thruster experiment te houden en de operatie stappen om dit experiment te voltooien. Thruster ontwerpen. De thruster bestaat voornamelijk uit anode, kathode en isolator.De anode is gemaakt van koper met een cilinder divergerende mondstuk, waarvan de minimale binnendiameter 60 millimeter is. De kathode is gebouwd van tantaal wolfraam met negen drijfkanalen, waarvan de buitendiameter 16 millimeter is. Er is een holle kathode connector aan de linkerkant.Het drijfgas stroomt door de centrale van de connector en bereikt de holle kathode. Er is een grote holte in de kathodebasis die verbinding maakt met negen cilindrische kanalen. De holte fungeert als buffer om de uniformiteit van de drijfgasverdeling in negen kanalen te vergroten.De kathode is verbonden met de elektrische kabel met een ringkopig koperblok, dat rond de kathodeconnector is geïnstalleerd. Naast het hoofdlichaam van de thruster is externe magnetische spoel ook noodzakelijk voor de werking van MPD thruster. De spoel bestaat uit 288 bochten cirkel koperen buizen die fungeren als de doorgang voor zowel elektrische stroom en koelwater.De binnendiameter van de spoel is 150 millimeter, terwijl de buitendiameter 500 millimeter is. De hoogste veldsterkte in de centrale is 0,25 telsa. Experiment systeem.Het experimentsysteem biedt de nodige voorwaarden voor het experiment, dat voornamelijk zes subsystemen omvat. Ten eerste zorgt het vacuümsysteem voor de noodzakelijke vacuümomgeving voor de thruster. En de diameter van de kamer is drie meter, terwijl de lengte is twee meter.De milieudruk kan onder 0,01 pascal blijven. Ten tweede, krachtbron systeem. Power source systeem bestaat uit ontstekingskrachtbron, stuwkrachtbron, spoel krachtbron en kabels.De ontstekingskrachtbron kan zorgen voor een ontladingsspanning van acht kilovolt of 15 kilovolt. De stuwkrachtkrachtbron zorgt voor een gelijkstroom tot 1.000 ampère. De spoelkrachtbron zorgt voor een gelijkstroom tot 240 ampère.Derde is drijfgasleveringssysteem, dat gasdrijfgas voor thrusters voedt. Dit systeem omvat voornamelijk gasbron, massastroomregelaar en gastoevoerleidingen. De vierde is het waterkoelingssysteem, dat hogedrukwater levert om de extra warmte van de stuwkracht, magnetische spoel en krachtbronnen te wisselen.Dan is aanwinst en controlesysteem, dat de signalen van thruster verrichtingsvoorwaarden kan registreren en andere systemen controleren. De laatste is doel stuwkracht meting systeem, die kan worden gebruikt om de stuwkracht te meten. De doelstuwkrachtstandaard bestaat voornamelijk uit plaatdoel, slanke straal, verplaatsingssensor, steunframe, axiaal beweegbaar platform en radio beweegbaar platform.Het plasma kan worden onderschept door het doel, en het doel zal worden geduwd door het plasma. De verplaatsing van het doel kan worden gemeten door de sensor achter het doel. Op deze manier kunnen we de stuwkracht evalueren.Voorbereiding op het experiment. Installeer de stuwraketten. Veeg de onderdelen van de thruster af met alcohol in een schone ruimte.Monteer de anode met de isolator. Breng de kathode, kathodehouder en kathodeconnector samen. Voeg het kathodegedeelte toe aan het anodegedeelte.Installeer de middelste connector in assemblage en bevestig ze met schroeven. Stel de spoelstoel op het experimentplatform met heftruck. Plaats het experimentplatform op de geleiderail van de vacuümkamer.Installeer de stuwkracht op de spoel. Koppel de anode en kathode met bijbehorende elektrische kabels. Koppel de magnetische spoel aan de spoelkrachtbron.Sluit de waterkoelingsleidingen en de aandrijfleiding met stuwraketten aan. Sluit de waterkoelleidingen aan bij de spoel. Installeer het beweegbare platform in de kamer en bevestig het hoofdlichaam van de stuwkracht staan op.Pas de positie van het beweegbare platform aan om de middellijn van de thruster en het doel met elkaar toe te laten staan. Dan werken we samen aan de stuwkrachtstandaard. Ten eerste, laad verschillende gewichten op het samenwerkingsapparaat en neem de bijbehorende output van de stuwkrachtstandaard op.Herhaal het proces minstens drie keer. Vervolgens kunnen we de elastische coëfficiënt van de stuwkrachtstandaard berekenen op basis van de kalibratiegegevens. Stofzuig de vacuümkamer.Doe de deur van de kamer dicht. Start de mechanische pompen. Start de moleculaire pompen wanneer de achtergronddruk in de kamer lager is dan vijf pascal.Start de cryogene pompen wanneer de achtergronddruk in de kamer lager is dan 0,05 pascal. Wacht tot de druk te bereiken 10 tot de kracht van min vier pascal. Ontstekings- en stuwkrachtmetingsexperiment.We moeten de stuwkracht voorverwarmen als de stuwkracht aan de lucht is blootgesteld. Begin met het opnemen van het signaal. Stel de drijfgasmassastroom op 40 milligram en blijf minstens 20 minuten leveren.Schakel het koelwater in. Stel de werkfrequentie van anode- en kathodewaterkoelpompen in op 10 hertz. Verplaats de stuwkracht in de positie ver van de thruster.Schakel de spoelkrachtbron in met de spoelstroom van 90 ampère. Schakel de stuwkrachtbron in met de ontladingsstroom van 240 ampère. Schakel de ontstekingskrachtbron in.Houd de stuwkracht minstens vijf minuten aan het werk. Schakel de stuwkrachtbron en het drijfgas leveren. Stop met hercoderen.Na de voorverwarming kunnen we de stuwkrachtmeting uitvoeren. Verplaats de stuwkrachtstandaard naar de stand van 550 millimeter van de stuwraketten. Begin met het opnemen van het signaal.Start de drijfgaslevering. Ontsteek de stuwkracht met 90 ampère spoelstroom en 240 ampère afvoerstroom. Verhoog de spoelstroom tot 90 ampère.Verhoog vervolgens de afvoerstroom tot 800 ampère. Verhoog vervolgens de spoelstroom tot 230 ampère. Schakel de thruster uit wanneer de output van de stuwkrachtstandaard stabiel wordt.Stop het drijfgas leveren. Stop met hercoderen. Representatieve resultaten.In de experimenten controleren we de ontladingsstroom, de massastroom en het toegepaste magnetisch veld. Vervolgens meten we de waarde van ontladingsspanning en stuwkracht op basis waarvan we andere prestatieparameter zoals vermogen, specifieke impuls en stuwkrachtefficiëntie kunnen krijgen. In deze figuur wordt een typisch signaal van ontladingsspanning weergegeven.Na het inschakelen van de krachtbron wordt op de stuwkracht een hoogspanning gebruikt om het neutrale drijfgas af te breken. Na de ontsteking, de spanning trends tot een constante waarde en in principe blijft constant. Dan kunnen we zeggen dat de ontsteking succesvol is.In deze figuur wordt een typisch resultaat van stuwkrachtmeting weergegeven. We beginnen met het opnemen van het signaal van de thruster stand voor de drijfgas leveren, die wordt behandeld als een nul stuwkracht punt. Er zal een lichte stuwkracht na het leveren van het drijfgas.Na de ontsteking zal er een grote oscillatie zijn. Dan is de stuwkracht heeft de neiging om een constante waarde. Er zal een nul drift als gevolg van de thermische vervorming van het doel, waarvan de waarde is 50 millinewton.De fout veroorzaakt door de drift is niet meer dan 1%Het cijfer toont de ontladingskenmerken tijdens een half uur blijven werken. We confunden dat de thruster trends om de steady state snel na de ontsteking, en de spanning is zeer stabiel tijdens deze periode. Deze figuur toont de verschijningsveranderingen van tantaal wolfraam holle kathode voor en na experimenten.De totale experimenttijd is meer dan 10 uur. We kunnen lichte erosie gelijkmatig verdelen op het buitenoppervlak van de kathode, wat betekent dat de thruster het potentieel heeft om veel langer dan 10 uur te werken. Na de verdere werktest onderzochten we de prestaties van de thruster in het vermogensbereik van 50 tot 100 kilowatt.De beste prestaties worden verkregen op 99,5 kilowatt, terwijl de stuwkracht is 3, 052 millinewton. Specifieke impuls is 4, 359 seconden, en stuwkracht efficiëntie is 67%Het is opmerkelijk dat wanneer de thruster de beste prestaties bereikt, de achtergronddruk is 0,2 pascal. Gemeten prestaties kunnen hoger zijn dan de werkelijke waarde als gevolg van de invloed van hoge druk.De tester is gemaakt van tantaal wolfraam en het toont de weerstand van de werking. Het gas vermogen is 100 kilowatt met een stuwkracht van 3, 050 millinewton, de specifieke impuls van 4, 300 seconden, en de efficiëntie van 67%

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Linear Momentum, Impulse and Collisions

SCIENTISTS IN ACTION

Synthesis of Phase-shift Nanoemulsions with Narrow Size Distributions for Acoustic Droplet Vaporization and Bubble-enhanced Ultrasound-mediated Ablation

Synthese van Phase-shift Nanoemulsions met smalle Grootte Uitkeringen voor akoestische Droplet-verdamping en Bubble-enhanced Ultrasound-gemedieerde Ablation

High-intensity  focused ultrasound (HIFU) is used clinically to thermally ablate tumors. To  enhance localized heating and improve thermal ablation in ...

Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

Flame Experimenten bij de Advanced Light Source: nieuwe inzichten in roetvorming Processen

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

Proton Transfer and Protein Conformation Dynamics in Photosensitive Proteins by Time-resolved Step-scan Fourier-transform Infrared Spectroscopy

Proton Transfer en eiwitconformatie Dynamiek in lichtgevoelige eiwitten door Tijdsgeresolveerde Step-scan Fourier-Transform Infrared Spectroscopy

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards ...

Atomic Force Microscopy of Red-Light Photoreceptors Using PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping

Atomic Force Microscopy van Red-Light Fotoreceptoren behulp PeakForce Kwantitatieve Nanomechanical Property Mapping

Atomic force microscopy (AFM) uses a pyramidal tip attached to a cantilever to probe the force response of a surface. The deflections of the tip can be ...

Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

Energie-dispersieve X-stralen Tomografie voor 3D Elemental kaart brengen van individuele nanodeeltjes

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Detectie en herstel van Palladium, Goud en Cobalt metalen uit de Urban Mine via innovatieve sensoren / Adsorbentia Aangewezen met nanoschaal Wagon-wheel-vormige poriën

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Geavanceerde experimentele methoden voor lage-temperatuur magnetotransport Meting van nieuwe materialen

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

Magnetisch Induced Rotating Rayleigh-Taylor instabiliteit

Classical techniques for investigating the Rayleigh-Taylor instability include using compressed gasses1, rocketry2 or linear electric motors3 to reverse ...

Spark Plasma Sintering Apparatus Used for the Formation of Strontium Titanate Bicrystals

Ontstekingsplasma sinterapparatuur toegepast voor de vorming van strontiumtitaanoxide Bicrystals

A spark plasma sintering apparatus was used as a novel method for diffusion bonding of two single crystals of strontium titanate to form bicrystals with ...