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

Ce travail a été soutenu par le programme de recherche fondamentale (No. JCKY2017601C). Nous vous remercions de l’aide de Thomas M. York, professeur émérite à l’Université Ohio State.

1. Préparation pour expérience
<ol><li>Installer le propulseur.<ol>
<li>Essuyer les composants de la toile de withnon-poussière de propulseur, imbibée d’alcool anhydre, dans une salle blanche.</li>
		<li>Assembler l’anode avec l’isolant.</li>
		<li>Réunir le cathode, le titulaire de la cathode et le connecteur de la cathode.</li>
		<li>Ajouter une partie de la cathode à la partie de l’anode.</li>
		<li>Installez le connecteur intermédiaire dans l’assemblage et le fixer avec les vis (vis à tê...

<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>

Ce protocole décrit les processus d’allumage, fonctionnement et mesure de la poussée d’un propulseur MPD champ de 100 kW classe appliqué. Le point clé dans la conception d’un propulseur MPD pour une performance optimale est de choisir la bonne configuration selon l’objectif spécifique. Propulseurs MPD avec anode convergente-divergente peuvent fonctionner stationnaire dans une plage de la grande opération. Cependant, la performance peut être plus bas que le propulseur avec anode divergente. La cathode creus...

Propulseurs MPD sont bien connus pour une densité relativement élevée de poussée et une forte impulsion spécifique1,2,3. Cependant, l’efficacité de poussée typique1 de propulseurs MPD est relativement faible, surtout avec les propulseurs des gaz nobles4,5,6. Pour la plupart des propulseurs MPD, une partie du débit carburant est injectée dans la chambre de décharge d’une fente entre l’anode et la cathode7,8 , de sorte qu’une composante radiale est une part importante de la décharge totale. Cependant, afin de générer la poussée, les effets cinétiques radiales doivent être convertis en mouvement cinétique axial avec une buse de physique ou d’une tuyère magnétique. Par conséquent, un élément clé de l’hélice de MPD de conception nouvelle est que tous les ergols est fourni par le biais de la cathode, qui peut agir pour empêcher le refoulement radial ; de cette façon, la proportion d’énergie axial peut être augmentée. Il y a un effet additionnel que le paramètre de Hall dans le plasma autour de l’anode peut être augmenté par la diminution de la densité autour de l’anode, ce qui peut renforcer la composante d’accélération Hall9. Puisque le propulseur est proche de la surface intérieure de la cathode où des quantités importantes d’électrons initiaux sont émises dans ce mode d’injection, le taux d’ionisation propergol peut être augmenté considérablement. En outre, la longueur de l’anode a été réduit au minimum pour réduire la zone de raccordement mural-plasma et réduire anode puissance dépôts10,11. Comme une anode divergente est appliquée, ce va diminuer l’angle entre l’anode et les lignes de champ magnétique et réduire anode puissance dépôts autres12,13.
Malgré les avantages susmentionnés pour améliorer les performances, complète approvisionnement en carburant par injection de cathode peut augmenter le risque de mourir de faim d’anode qui peut se traduire par « apparition » phénomènes14. Pour empêcher ce comportement, nous avons retiré la cathode à la base de l’anode. Les électrons peuvent alors se diffuser suffisamment dans le sens radial avant de quitter à la sortie de l’anode, qui agira pour soulager la famine de l’anode. En outre, une cathode creuse multicanal est adoptée ; par rapport à la cathode creuse monocanal, une cathode creuse multicanal peut augmenter la surface d’émission électronique et faire la distribution du propergol plus uniforme. Avec cette modification, la durée de vie et la stabilité de l’hélice peuvent être accrue de15,16,17.
La puissance conçue de l’hélice est de 100 kW et une structure de refroidissement est nécessaire avec fonctionnement stabilisé. Les expériences de laboratoire présente une structure efficace de refroidissement par eau est employée. Toutefois, pour évaluer la performance de la conception de propulseur MPD, il est essentiel d’obtenir la poussée. Avec l’application d’un système d’eau à haute pression pour transférer la chaleur, il y aura de fortes vibrations lors de l’opération de refroidissement, qui peut créer une interférence significative si nous avons utilisé des mesures traditionnelles de poussée. En conséquence, un stand de cible de poussée sert à mesurer la poussée.
Propulseur MPD
Comme illustré à la Figure 1, le propulseur MPD se compose d’anode, cathode et l’isolant. L’anode est en cuivre avec une tuyère divergente cylindrique, le diamètre intérieur minimal qui est de 60 mm. Il y a un canal de refroidissement en forme de S autour de la paroi interne de l’anode. L’entrée et la sortie du canal sont sur le dessus de l’anode, qui sont séparées par une cloison. Un bloc de cuivre mince est employé pour se connecter à l’anode et le câble électrique. La jonction est sur la surface externe de l’anode.
La cathode est fabriquée en tungstène de tantale, 9 canaux de propergol. Le diamètre extérieur de la cathode est 16 mm. Le refroidissement de la cathode est réalisé avec un support de refroidissement par eau autour de la base de la cathode. Il y a un canal en forme d’anneau à l’intérieur de la porte. L’eau froide est injectée dans la porte du fond et s’écoule par le haut. Il y a un connecteur de cathode creuse sur le côté gauche de la cathode. Le carburant traverse le centre du connecteur et dans la chambre de la cathode creuse ; Il y a une grande cavité à l’intérieur de la base de cathode reliant 9 canaux cylindrique étroit. La cavité agit comme un tampon pour augmenter l’uniformité de la distribution de propergol dans neuf canaux. La cathode est reliée au câble électrique avec un bloc de cuivre annulaire, qui est installé autour du connecteur de la cathode.
Outre le corps principal de l’hélice, une bobine magnétique externe est également nécessaire pour générer des champs pour les mécanismes dans le propulseur MPD-AF ; champs magnétiques fournissent un champ magnétique convergente-divergente pour accélérer le plasma ainsi que le champ électrique. La bobine de champ se compose de 288 tours de tuyaux en cuivre circulaire, qui agissent comme le passage pour les deux eau actuel et refroidissement électrique. Le diamètre intérieur de la bobine est 150 mm, tandis que le diamètre extérieur est de 500 mm. La plus haute résistance de champ au centre est de 0,25 T avec courant de 230 A.
Système d’expérience
Le système d’expérience comprend six sous-systèmes. Le schéma de la disposition générale du système expérimental est illustré à la Figure 2; la disposition de l’hélice à l’intérieur de la chambre à vide est illustrée à la Figure 3.
Tout d’abord, le système d’aspiration, qui fournit l’environnement sous vide nécessaire pour le fonctionnement de l’hélice d’étrave, se compose d’une chambre à vide, deux pompes mécaniques, une pompe moléculaire et quatre pompes cryogéniques. Le diamètre de la chambre est de 3 m et la longueur est de 5 m. La pression de l’environnement peut être maintenue en vertu de 0,01 Pa lorsque le débit de gaz propulseur (argon) n’est pas plus de 40 mg/s.
Deuxièmement, ce système source fournit une impulsion de haute tension pour enflammer le propulseur, fournit la puissance pour le propulseur d’accélérer le plasma et fournit l’alimentation de la bobine de champ magnétique maintenir le champ magnétique externe. Le système de source d’alimentation se compose d’une source de courant d’allumage, un propulseur électrique, une source d’alimentation de bobine et câbles. La source de courant d’allumage peut fournir 8 kV ou tension de 15 kV de décharge. La source d’alimentation de propulseur fournit un courant continu jusqu'à 1000 A. La source d’alimentation de bobine fournit un courant continu jusqu'à 240 A.
Troisièmement, le système d’approvisionnement en carburant nourrit de propulseur de gaz pour les propulseurs. Le système comprend principalement la source de gaz, le contrôleur de débit massique et gaz d’alimentation pipelines.
Le sous-système de quatrième est le système de refroidissement par eau, qui fournit de l’eau à haute pression cool pour échanger la chaleur du propulseur, bobine magnétique et sources d’énergie. Comme illustré à la Figure 4, le système compose du groupe de pompes, réservoir d’eau, réfrigérateur, contrôleurs de pompes et des canalisations d’eau. Les tuyaux non conductrice à l’intérieur de la chambre à vide fournissent un terminal refroidissement de l’eau pour le propulseur et la bobine magnétique et assure l’isolation électrique entre l’anode et la cathode au sol.
L’acquisition et le système de contrôle peuvent d’enregistrer les signaux de mesure les conditions de fonctionnement de propulseur et contrôle fonctionnement des autres systèmes. Il est composé de trois ordinateurs correspondants logiciels, carte d’acquisition de données et câbles.
Comme illustré à la Figure 5, le stand de la cible de poussée se compose de cible plaque, mince faisceau, capteur de déplacement, piétement, plate-forme mobile axial et radial plate-forme mobile. La cible peut intercepter le plasma qui pousse la cible. Le déplacement de la cible peut être mesuré par un capteur placé derrière la cible, de cette façon permettant l’évaluation de la poussée18.

<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

Applied-field magnetoplasmadynamic propulseurs (propulseurs MPD-AF) sont des accélérateurs de l’hybride dans lequel électromagnétique et processus de dynamique de gaz accélèrent plasma à haute vitesse ; ils possèdent un potentiel considérable pour des applications spatiales futures avec des avantages importants de haute impulsion spécifique et la densité de poussée. Dans cet article, nous présentons une série de protocoles pour concevoir et fabriquer une classe de 100 kW de propulseur AF-MPD avec refroidissement par eau des structures, une tension de décharge maximale 130 V, un 800 une décharge maximale actuelle et une force maximale de 0,25 T de champ magnétique. Une cathode de tungstène de tantale creux sert l’entrée seulement propergol pour inhiber la décharge radiale, et il est positionné selon l’axe à l’arrière de l’anode afin de soulager la famine de l’anode. Une anode de cuivre cylindrique divergente est employée pour réduire les dépôts de puissance anode, où la longueur a été réduite pour diminuer la zone de raccordement mural-plasma. Expériences utilisé un vide qui peut atteindre une pression de travail de 0,01 Pa pour un débit total de masse propulsif taux inférieur à 40 mg/s et une cible butée stand. Les tests de propulseur ont été réalisées pour mesurer les effets des paramètres du travail tels que les débits de propergol, le courant de décharge et la force du champ magnétique appliqué sur la performance et de permettre une analyse appropriée. Le propulseur peut fonctionner en continu pendant de longues périodes de temps avec peu d’érosion sur la surface de la cathode creuse. La puissance maximale de l’hélice est de 100 kW et la performance de cette configuration refroidi à l’eau est comparable à celle de propulseurs rapportées dans la littérature.

Dans l’expérience, nous contrôlons le courant de décharge (Id), masse propulsive flux rate(m) et appliqué champ magnétique (Ba). En fonctionnement, on mesure la valeur de tension de décharge (Vd) et (T) de poussée, de quelle base nous pouvons obtenir d’autres performances paramètres comme puissance (P), impulsion spécifique (Isp) et efficacité (η)1de poussée.
Un signal typique de tension d...

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

Ce protocole vise à introduire la conception d’un 100 magnetoplasmadynamic thruster de kW classe champ appliqué et méthodes expérimentales pertinentes.

Un 100 KW classe champ appliqué Magnetoplasmadynamic Thruster

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

L’objectif de ce protocole est d’introduire la conception d’un propulseur magnétoplasmadynamic à champ appliqué de classe 100 kilowatts et la méthode expérimentée relative. Le propulseur magnétoplasmadynamic, c’est-à-dire le propulseur MPD, est un accélérateur électrique typique. Il est bien connu pour une impulsion spécifique élevée et une densité de propulseur élevé, et est traité comme des candidats primaires pour notre propulsion principale dans nos futures missions spatiales de haute puissance.Dans cet article, nous présenterons la conception d’un propulseur MPD à champ appliqué de classe 100 kilowatts, les systèmes d’expérience nécessaires pour tenir une expérience de propulseur relatif et les étapes de fonctionnement pour terminer cette expérience. Conception de propulseur. Le propulseur se compose principalement d’anode, cathode et isolant.L’anode est faite de cuivre avec une buse divergente cylindre, dont le diamètre intérieur minimum est de 60 millimètres. La cathode est construite en tungstène tantale avec neuf canaux propulsifs, dont le diamètre extérieur est de 16 millimètres. Il y a un connecteur cathodique creux sur le côté gauche.Le propulseur traverse le centre du connecteur et atteint la cathode creuse. Il y a une grande cavité à l’intérieur de la base cathodique se connectant à neuf canaux cylindriques. La cavité agit comme tampon pour augmenter l’uniformité de la distribution du propulseur dans neuf canaux.La cathode est reliée au câble électrique par un bloc de cuivre annulaire, qui est installé autour du connecteur cathodique. Outre le corps principal du propulseur, bobine magnétique externe est également nécessaire pour le fonctionnement du propulseur MPD. La bobine se compose de 288 tours cercle tuyaux de cuivre qui agissent comme le passage à la fois pour le courant électrique et l’eau de refroidissement.Le diamètre intérieur de la bobine est de 150 millimètres, tandis que le diamètre extérieur est de 500 millimètres. La force de champ la plus élevée dans le centre est de 0,25 telsa. Système d’expérimentation.Le système d’expérimentation fournit les conditions nécessaires à l’expérience, qui comprend principalement six sous-systèmes. Tout d’abord, le système de vide fournit l’environnement de vide nécessaire pour le propulseur. Et le diamètre de la chambre est de trois mètres, tandis que la longueur est de deux mètres.La pression de l’environnement peut se maintenir en dessous de 0,01 pascal. Deuxièmement, le système de source d’énergie. Le système de source d’énergie se compose de source d’énergie d’allumage, de source d’énergie de propulseur, de source d’énergie de bobine et de câbles.La source d’énergie d’allumage peut fournir une tension de décharge de huit kilovolts ou de 15 kilovolts. La source d’énergie du propulseur fournit un courant direct jusqu’à 1000 ampères. La source d’énergie de bobine fournit un courant direct jusqu’à 240 ampères.Le troisième est le système d’alimentation propulsif, qui alimente le propulseur de gaz pour les propulseurs. Ce système comprend principalement la source de gaz, le contrôleur des débits de masse et les pipelines d’approvisionnement en gaz. Le quatrième est le système de refroidissement de l’eau, qui fournit de l’eau haute pression pour échanger la chaleur supplémentaire du propulseur, de la bobine magnétique et des sources d’énergie.Ensuite, il y a le système d’acquisition et de contrôle, qui peut enregistrer les signaux des conditions de fonctionnement du propulseur et contrôler d’autres systèmes. Le dernier est le système de mesure de poussée cible, qui peut être utilisé pour mesurer la poussée. Le support de poussée cible se compose principalement de la cible de plaque, du faisceau mince, du capteur de déplacement, du cadre de soutien, de la plate-forme mobile axiale et de la plate-forme mobile radio.Le plasma peut être intercepté par la cible, et la cible sera poussée par le plasma. Le déplacement de la cible peut être mesuré par le capteur placé derrière la cible. De cette façon, nous pouvons évaluer la poussée.Préparation à l’expérience. Installez le propulseur. Essuyer les composants du propulseur avec de l’alcool dans une pièce propre.Assembler l’anode avec l’isolateur. Rassemblez la cathode, le support cathodique et le connecteur cathodique. Ajouter la partie cathodique à la partie anode.Installez le connecteur moyen dans l’assemblage et fixez-les avec des vis. Établissez le siège en bobine sur la plate-forme d’expérimentation avec chariot élévateur. Placez la plate-forme d’expérimentation sur le rail de guidant de la chambre à vide.Installez le propulseur sur la bobine. Reliez l’anode et la cathode avec les câbles électriques correspondants. Reliez la bobine magnétique à la source d’énergie de bobine.Joignez-vous aux tuyaux de refroidissement à l’eau et au tuyau d’alimentation propulsif avec propulseur. Joignez-vous aux tuyaux de refroidissement à l’eau avec la bobine. Installez la plate-forme mobile à l’intérieur de la chambre et fixez le support principal de poussée dessus.Ajustez la position de la plate-forme mobile pour faire la ligne centrale du propulseur et la cible concéder les uns avec les autres. Ensuite, nous collaborons le stand de poussée. Tout d’abord, chargez différents poids sur le dispositif de collaboration et enregistrez la sortie correspondante du support de poussée.Répétez le processus pendant au moins trois fois. Ensuite, nous pouvons calculer le coefficient élastique du support de poussée en fonction des données d’étalonnage. Passer l’aspirateur dans la chambre à vide.Fermez la porte de la chambre. Démarrez les pompes mécaniques. Démarrez les pompes moléculaires lorsque la pression de fond dans la chambre est inférieure à cinq pascal.Démarrez les pompes cryogéniques lorsque la pression de fond dans la chambre est inférieure à 0,05 pascal. Attendez que la pression atteigne 10 à la puissance de moins quatre pascal. Expérience de mesure de l’allumage et de la poussée.Nous devons préchauffer le propulseur si le propulseur a été exposé à l’air. Commencez à enregistrer le signal. Réglez la vitesse d’écoulement de masse du propergol à 40 milligrammes et continuez à fournir pendant au moins 20 minutes.Allumez l’alimentation en eau de refroidissement. Réglez la fréquence de travail des pompes de refroidissement à l’anode et à l’eau cathodique à 10 hertz. Déplacez le support de poussée vers la position loin du propulseur.Allumez la source d’énergie de bobine avec le courant de bobine de 90 ampères. Allumez la source d’alimentation du propulseur avec le courant de décharge de 240 ampères. Allumez la source d’alimentation d’allumage.Gardez le propulseur au travail pendant au moins cinq minutes. Éteignez la source d’alimentation du propulseur et l’alimentation propulsif. Arrêtez le recodage.Après le préchauffement, nous pouvons effectuer la mesure de poussée. Déplacez le support de poussée vers la position à 550 millimètres du propulseur. Commencez à enregistrer le signal.Démarrez l’alimentation du propulseur. Enflammer le propulseur avec un courant de bobine de 90 ampères et un courant de décharge de 240 ampères. Augmenter le courant de bobine à 90 ampères.Par la suite, augmenter le courant de décharge à 800 ampères. Augmentez ensuite le courant de bobine à 230 ampères. Éteignez le propulseur lorsque la sortie du support de poussée devient stable.Arrêtez l’alimentation du propulseur. Arrêtez le recodage. Résultats représentatifs.Dans les expériences, nous contrôlons le courant de décharge, le débit de masse propulsif et le champ magnétique appliqué. Ensuite, nous mesurons la valeur de la tension de décharge et de la poussée en fonction de laquelle nous pouvons obtenir d’autres paramètres de performance comme la puissance, impulsion spécifique et l’efficacité de poussée. Un signal typique de tension de décharge est montré dans ce chiffre.Après avoir mis la source d’énergie en place, une haute tension sera utilisée sur le propulseur pour briser le propulseur neutre. Après l’allumage, la tension se maintient à une valeur constante et reste essentiellement constante. Ensuite, nous pouvons dire que l’allumage est un succès.Un résultat typique de mesure de poussée est montré dans ce chiffre. Nous commençons à enregistrer le signal du propulseur debout avant l’alimentation du propulseur, qui est traité comme un point de poussée zéro. Il y aura une légère poussée après avoir fourni le propulseur.Après l’allumage, il y aura une grande oscillation. Ensuite, la poussée tend à une valeur constante. Il y aura une dérive nulle due à la déformation thermique de la cible, dont la valeur est de 50 millinewton.L’erreur causée par la dérive n’est pas supérieure à 1 %Le chiffre montre les caractéristiques de décharge pendant la demi-heure de travail continue. Nous croyons que le propulseur se maintient rapidement après l’allumage, et la tension est très stable pendant cette période. Cette figure montre les changements d’apparence de cathode creuse de tungstène de tantale avant et après des expériences.Le temps total d’expérience est supérieur à 10 heures. Nous pouvons trouver une légère érosion se distribuant uniformément sur la surface extérieure de la cathode, ce qui signifie que le propulseur a le potentiel de travailler pendant beaucoup plus de 10 heures. Après l’essai de travail continu, nous avons exploré les performances du propulseur dans la plage de puissance de 50 à 100 kilowatts.La meilleure performance est obtenue à 99,5 kilowatts alors que la poussée est de 3052 millinewton. Impulsion spécifique est de 4, 359 secondes, et l’efficacité de poussée est de 67%Il est à noter que lorsque le propulseur atteint la meilleure performance, la pression de fond est de 0,2 pascal. Les performances mesurées peuvent être plus élevées que la valeur réelle en raison de l’influence de la haute pression.Le testeur est fait de tungstène de tantale et il montre la résistance de fonctionnement. La puissance du gaz est de 100 kilowatts avec une poussée de 3050 millinewton, l’impulsion spécifique de 4300 secondes, et l’efficacité de 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

Synthèse de la Phase-shift nanoémulsions à distributions de taille étroite de vaporisation des gouttelettes acoustique et bulles améliorée échographie médiée par ablation

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

Recherche

Ingénierie

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

Les expériences de la flamme à l&#39;Advanced Light Source: nouvelles perspectives sur les processus d&#39;établissement de la suie

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 transfert et la conformation des protéines photosensibles dans la dynamique des protéines par résolution temporelle étape-scan à transformée de Fourier spectroscopie infrarouge

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

Microscopie à force atomique de Red-Light photorécepteurs Utilisation de l&#39;association PeakForce quantitative nanomécanique propriété

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

Tomographie à dispersion d&#39;énergie de rayons X pour la 3D élémentaire Cartographie des nanoparticules individuelles

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

Détection et récupération du palladium, or et métaux de cobalt provenant de la mine urbaine utilisant de nouveaux capteurs / adsorbants désignés avec Nanoscale Wagon en forme de roues-Pores

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

Méthodes expérimentales avancées pour basse température magnétotransport mesure de nouveaux matériaux

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

Magnétiquement Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instabilité

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

Spark Plasma Sintering appareil utilisé pour la formation de titanate de strontium bicristaux

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 ...