Name: a 100 kw class applied-field magnetoplasmadynamic thruster
Uploaded: 2018-12-22T13:00:00
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Questo lavoro è stato supportato dal programma di ricerca fondamentale (No. JCKY2017601C). Ti ringraziamo per l'aiuto di Thomas M. York, professore emerito presso la Ohio State University.

1. Preparazione per esperimento
<ol><li>Installare l'elica.<ol>
<li>Pulire i componenti del panno polvere-stracci propulsore, imbevuto con alcool anidro, in una camera pulita.</li>
		<li>Montare l'anodo con l'isolante.</li>
		<li>Riunire il catodo, il titolare del catodo e il catodo connettore.</li>
		<li>Aggiungere la parte del catodo per la parte di anodo.</li>
		<li>Inserire il connettore centrale l'assemblaggio e fissarle con viti (vite testa a brugola, M5 × 16).</li>
		<li>Stabilire la sede della bobina ...

<ol>
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Questo protocollo descrive i processi di accensione, il funzionamento e misura di spinta di un propulsore MPD campo di 100 kW classe applicato. Il punto chiave nella progettazione di un propulsore MPD per ottenere prestazioni ottimali è la scelta della configurazione corretta secondo l'obiettivo specifico. I propulsori MPD con anodo convergente-divergente possono funzionare allo steady-state in una gamma vasta operazione. Tuttavia, le prestazioni potrebbero essere inferiori del propulsore con anodo divergente. Il catodo...

I propulsori MPD sono ben noti per una densità di Spinta relativamente elevata e un elevato impulso specifico1,2,3. Tuttavia, la Spinta tipica efficienza1 di propulsori MPD è relativamente basso, soprattutto con propellenti di gas nobili4,5,6. Per la maggior parte delle eliche di MPD, una parte del flusso del propellant è iniettata nella camera di scarico da una fessura tra anodo e catodo7,8 , con il risultato che un componente radiale è una percentuale significativa della scarica totale. Tuttavia, al fine di generare una Spinta, effetti cinetici radiali devono essere convertiti in movimento cinetico assiale con un ugello fisico o un ugello magnetico. Di conseguenza, una caratteristica fondamentale del nuovo propulsore MPD design è che tutti propellente è fornita attraverso il catodo, che può agire per inibire mandata radiale; in questo modo, si può aumentare la percentuale di energia assiale. C'è un effetto aggiuntivo in quanto il parametro Hall nel plasma intorno l'anodo può essere aumentato tramite la diminuzione di densità del numero intorno all'anodo, che può rafforzare la componente di accelerazione Padiglione9. Poiché il propellente è vicino alla superficie interna del catodo dove grandi quantità di elettroni iniziali vengono emessi in questa modalità di iniezione, il tasso di ionizzazione propellente può essere aumentato notevolmente. Inoltre, la lunghezza di anodo è stato ridotto al minimo per ridurre l'area di collegamento al plasma a parete e ridurre anodo potenza deposizione10,11. Come viene applicato un anodo divergente, ciò diminuirà l'angolo tra l'anodo e le linee del campo magnetico e diminuire anodo potenza deposizione ulteriori12,13.
Nonostante i vantaggi sopra per migliorare le prestazioni, il propellente completo tramite l'iniezione di catodo può aumentare il rischio di fame di anodo che possa provocare fenomeni di "onset"14. Per inibire questo comportamento, abbiamo abbiamo ritirato il catodo verso la base dell'anodo. Gli elettroni possono quindi diffondere sufficientemente in direzione radiale prima di lasciare l'uscita di anodo, che agirà per alleviare la fame di anodo. Ulteriormente, è adottato un catodo cavo multicanale; rispetto per il catodo cavo singolo canale, un catodo cavo multicanale può aumentare l'area di emissione di elettroni e rendere più uniforme la distribuzione del propellente. Con questa modifica, la durata e la stabilità del propulsore può essere aumentata di15,16,17.
La potenza progettata del propulsore è 100 kW e una struttura di raffreddamento è necessario con funzionamento nello stato stazionario. Negli esperimenti di laboratorio attuali, è impiegata una struttura efficiente raffreddamento ad acqua. Tuttavia, per valutare le prestazioni del progetto propulsore MPD, è fondamentale per ottenere la spinta. Con l'applicazione di un sistema di acqua ad alta pressione per trasferire il calore, ci saranno forti vibrazioni durante il funzionamento di questo tipo di raffreddamento, che possa creare interferenza significativa se abbiamo usato misure tradizionali assiali. Di conseguenza, uno stand di destinazione di Spinta è impiegato per misurare la spinta.
Propulsore MPD
Come illustrato nella Figura 1, il propulsore MPD è costituito da anodo, catodo e isolante. L'anodo è fatto di rame con un ugello divergente cilindrico, il cui diametro interno minimo è 60 mm. C'è un canale di raffreddamento a forma di S intorno alla parete interna dell'anodo. L'ingresso e l'uscita del canale sono in cima all'anodo, che sono separati da un deflettore. Un blocco di rame sottile è impiegato per collegare l'anodo e il cavo elettrico. La giunzione è sulla superficie esterna dell'anodo.
Il materiale del catodo è tungsteno di tantalio, con nove canali di propellente. Il diametro esterno del catodo è di 16 mm. Il raffreddamento del catodo è realizzato con un supporto di raffreddamento ad acqua intorno alla base del catodo. C'è un canale a forma di anello all'interno del supporto. L'acqua fredda viene iniettato il titolare dal basso e fuoriesce dalla parte superiore. C'è un catodo cavo connettore sul lato sinistro del catodo. Il propellente scorre attraverso il centro del connettore e nella camera del catodo cavo; C'è una grande cavità all'interno della base di catodo collegamento con nove stretti canali cilindrici. La cavità agisce come un buffer per aumentare l'uniformità della distribuzione del propellant in nove canali. Il catodo è collegato al cavo elettrico con un blocco di rame anulare, che è installato intorno al connettore del catodo.
Oltre al corpo principale del propulsore, un'esterna bobina magnetica è anche necessaria per generare campi per i meccanismi nel propulsore AF-MPD; campi magnetici forniscono un campo magnetico convergente-divergente per accelerare il plasma insieme al campo elettrico. La bobina di campo è composto da 288 giri circolari di tubi di rame, che agiscono come il passaggio per entrambi acqua corrente e raffreddamento elettrico. Il diametro interno della bobina è di 150 mm, mentre il diametro esterno è di 500 mm. il più alta intensità di campo al centro è 0.25 T con corrente di 230 A.
Sistema di esperimento
Il sistema di esperimento include sei sottosistemi. Il diagramma schematico del layout complessivo del sistema sperimentale è mostrato in Figura 2; il layout del propulsore all'interno della camera del vuoto è illustrato nella Figura 3.
In primo luogo, il sistema di vuoto, che fornisce l'ambiente vuoto necessario per il funzionamento del propulsore, è costituito da una camera a vuoto, due pompe meccaniche, una pompa molecolare e quattro pompe criogeniche. Il diametro della camera è di 3 m e la lunghezza è di 5 m. La pressione ambiente può essere mantenuta sotto 0,01 Pa quando la portata del propellente (argon) è non più di 40 mg/s.
In secondo luogo, questo sistema di origine fornisce un impulso di alta tensione per accendere il propulsore, fornisce l'alimentazione per il propulsore accelerare il plasma e fornisce l'alimentazione per la bobina di campo magnetico sostenere il campo magnetico esterno. Il sistema di sorgente di alimentazione è costituito da una fonte di energia di accensione, una fonte di alimentazione del propulsore, una fonte di alimentazione della bobina e cavi. La fonte di energia di accensione può fornire 8 kV o 15 kV tensione di scarico. La fonte di alimentazione del propulsore fornisce una corrente continua fino a 1000 A. La fonte di alimentazione bobina fornisce una corrente continua fino a 240 A.
In terzo luogo, il sistema di alimentazione propellente feed propellente gas per eliche di manovra. Il sistema comprende principalmente la fonte di gas, il controller di tasso di flusso di massa e gas pipeline di alimentazione.
Il quarto sub-sistema è il sistema di raffreddamento ad acqua, che fornisce acqua fredda ad alta pressione per scambiare il calore del propulsore, bobina magnetica e fonti di energia. Come illustrato nella Figura 4, il sistema consiste di gruppo pompe, serbatoio acqua, Frigorifero, controller di pompe e condutture di alimentazione acqua. I tubi non conduttivi all'interno della camera del vuoto forniscono un terminale acqua raffreddamento per il propulsore e la bobina magnetica e assicura che isolamento elettrico tra l'anodo, catodo e la terra.
L'acquisizione e il sistema di controllo può registrare i segnali di misura condizioni di funzionamento del propulsore e il funzionamento di controllo di altri sistemi. Esso è composto di tre computer e corrispondente software, scheda di acquisizione dati e cavi.
Come illustrato nella Figura 5, lo stand di destinazione di Spinta è costituito da piastra destinazione, snello fascio, sensore di spostamento, telaio di supporto, piattaforma mobile assiale e radiale piattaforma mobile. La destinazione può intercettare il plasma che spinge il bersaglio. Lo spostamento del bersaglio può essere misurato da un sensore posizionato dietro l'obiettivo, in questo modo permettendo la valutazione della spinta18.

<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

Campo applicato magnetoplasmadynamic thruster (thruster AF-MPD) sono gli acceleratori ibrido in cui elettromagnetica e processi dinamici gas accelerano al plasma ad alta velocità; hanno un notevole potenziale di applicazioni spaziali futuri con i vantaggi significativi di elevato impulso specifico e densità di Spinta. In questa carta, presentiamo una serie di protocolli per la progettazione e produzione di una classe 100 kW dell'elica di AF-MPD con raffreddamento ad acqua un 0.25 T massima resistenza del campo magnetico, una tensione di scarico massima 130 V, un 800 A massima corrente di Scarica e strutture. Un catodo di tungsteno cava tantalio funge da ingresso alla solo propellente per inibire la mandata radiale, e si è vincolato assialmente nella parte posteriore dell'anodo al fine di alleviare la fame di anodo. Un anodo di rame divergente cilindrico è impiegato per ridurre la deposizione di potenza anodo, dove la lunghezza è stata ridotta per diminuire l'area di collegamento al plasma a parete. Esperimenti utilizzate un vuoto sistema che può raggiungere un vuoto di lavoro di 0,01 Pa per un flusso di massa propellente totale tasso inferiore a 40 mg/s e una destinazione stand di Spinta. I test del propulsore sono stati effettuati per misurare gli effetti dei parametri di lavoro quali portate propellente, la corrente di Scarica e la forza del campo magnetico applicato sulle prestazioni e per consentire analisi appropriata. Il propulsore potrebbe essere ininterrottamente per lunghi periodi di tempo con piccola erosione sulla superficie del catodo cavo. La potenza massima del propulsore è 100 kW e le prestazioni di questa configurazione raffreddato ad acqua è paragonabile a quella dei propulsori segnalati nella letteratura.

Nell'esperimento, abbiamo il controllo corrente di Scarica (Id), Massa propellente flusso rate(m) e applicato il campo magnetico (Ba). Nell'operazione, misuriamo il valore di tensione di Scarica (Vd) e Spinta (T), da quale base possiamo ottenere altre prestazioni parametri come potenza (P), impulso specifico (Isp) e Spinta del rendimento (η)1.
Un tipico segnale di tensione di Scarica è illustrato nella ...

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A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster

L'obiettivo del presente protocollo è quello di introdurre il design di un 100 kW classe campo applicato magnetoplasmadynamic thruster e metodi sperimentali pertinenti.

Un 100 KW classe campo applicato Magnetoplasmadynamic Thruster

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

L'obiettivo di questo protocollo è quello di introdurre la progettazione di un propulsore magnetoplasmadinamico a campo applicato di classe 100 kilowatt e il relativo metodo sperimentato. Il propulsore magnetoplasmadinamico, cioè il propulsore MPD, è un tipico acceleratore elettrico. È ben noto per l'alto impulso specifico e un'alta densità del propulsore, ed è trattato come candidato primario per la nostra propulsione principale nelle nostre future missioni spaziali ad alta potenza.In questo articolo, introdurremo un progetto di un propulsore MPD a campo applicato di classe 100 kilowatt, i sistemi di esperimento necessari per tenere un relativo esperimento propulsore e le fasi operative per completare questo esperimento. Progettazione propulsore. Il propulsore è costituito principalmente da anodo, catodo e isolante.L'anodo è realizzato in rame con un ugello divergente del cilindro, il cui diametro interno minimo è di 60 millimetri. Il catodo è costruito in tungsteno tantalio con nove canali propellenti, il cui diametro esterno è di 16 millimetri. C'è un connettore catodo cavo sul lato sinistro.Il propellente scorre attraverso il centro del connettore e raggiunge il catodo cavo. C'è una grande cavità all'interno della base del catodo che si collega con nove canali cilindrici. La cavità funge da cuscinetto per aumentare l'uniformità della distribuzione del propellente in nove canali.Il catodo è collegato al cavo elettrico con un blocco di rame anulare, che viene installato attorno al connettore catodo. Oltre al corpo principale del propulsore, è necessaria anche una bobina magnetica esterna per il funzionamento del propulsore MPD. La bobina è costituita da 288 tubi di rame a cerchio che fungono da passaggio sia per la corrente elettrica che per l'acqua di raffreddamento.Il diametro interno della bobina è di 150 millimetri, mentre il diametro esterno è di 500 millimetri. La forza di campo più alta al centro è di 0,25 telsa. Sistema sperimentale.Il sistema sperimentale fornisce le condizioni necessarie per l'esperimento, che comprende principalmente sei sottosistemi. In primo luogo, il sistema di vuoto fornisce l'ambiente vuoto necessario per il propulsore. E il diametro della camera è di tre metri, mentre la lunghezza è di due metri.La pressione dell'ambiente può mantenere meno di 0,01 pascal. In secondo luogo, il sistema di alimentazione. Il sistema di alimentazione è costituito da fonte di alimentazione di accensione, fonte di alimentazione del propulsore, fonte di alimentazione della bobina e cavi.La fonte di alimentazione di accensione può fornire una tensione di scarica di otto kilovolt o 15 kilovolt. La fonte di alimentazione del propulsore fornisce una corrente diretta fino a 1.000 ampere. La fonte di alimentazione della bobina fornisce una corrente diretta fino a 240 ampere.Il terzo è il sistema di alimentazione del propellente, che alimenta il propellente gassoso per propulsori. Questo sistema comprende principalmente la fonte di gas, il controllore della portata di massa e le condotte di approvvigionamento di gas. Il quarto è il sistema di raffreddamento ad acqua, che fornisce acqua ad alta pressione per scambiare il calore extra del propulsore, della bobina magnetica e delle fonti di energia.Poi c'è il sistema di acquisizione e controllo, che può registrare i segnali delle condizioni operative del propulsore e controllare altri sistemi. L'ultimo è il sistema di misurazione della spinta bersaglio, che può essere utilizzato per misurare la spinta. Il supporto di spinta target è costituito principalmente da bersaglio a piastre, fascio sottile, sensore di spostamento, telaio di supporto, piattaforma mobile assiale e piattaforma mobile radio.Il plasma può essere intercettato dal bersaglio e il bersaglio sarà spinto dal plasma. Lo spostamento del bersaglio può essere misurato dal sensore posizionato dietro il bersaglio. In questo modo, possiamo valutare la spinta.Preparazione all'esperimento. Installare il propulsore. Pulire i componenti del propulsore con alcool in una stanza pulita.Assemblare l'anodo con l'isolante. Riunire il catodo, il portacatolo e il connettore catodo. Aggiungere la parte catodo alla parte anodica.Installare il connettore centrale nell'assemblaggio e fissarlo con le viti. Stabilire il sedile della bobina sulla piattaforma di esperimento con carrello elevatore. Posizionare la piattaforma di esperimento sulla guida della camera a vuoto.Installare il propulsore sulla bobina. Collegare l'anodo e il catodo con i corrispondenti cavi elettrici. Collegare la bobina magnetica con la fonte di alimentazione della bobina.Unire i tubi di raffreddamento ad acqua e il tubo di alimentazione del propellente con propulsore. Unire i tubi di raffreddamento dell'acqua con la bobina. Installare la piattaforma mobile all'interno della camera e fissare il corpo principale del supporto di spinta su di esso.Regolare la posizione della piattaforma mobile in modo che la linea centrale del propulsore e il bersaglio conceda tra loro. Poi collaboriamo con il supporto di spinta. In primo luogo, caricare pesi diversi sul dispositivo di collaborazione e registrare l'uscita corrispondente del supporto di spinta.Ripetere il processo almeno tre volte. Quindi possiamo calcolare il coefficiente elastico del supporto di spinta in base ai dati di calibrazione. Aspirare la camera a vuoto.Chiudi la porta della camera. Avviare le pompe meccaniche. Avviare le pompe molecolari quando la pressione di fondo nella camera è inferiore a cinque pascal.Avviare le pompe criogeniche quando la pressione di fondo nella camera è inferiore a 0,05 pascal. Attendere che la pressione raggiunga 10 alla potenza di meno quattro pascal. Esperimento di accensione e misurazione della spinta.Dobbiamo preriscaldare il propulsore se il propulsore è stato esposto all'aria. Inizia a registrare il segnale. Impostare la portata di massa del propellente a 40 milligrammi e continuare a fornire per almeno 20 minuti.Accendere l'alimentazione dell'acqua di raffreddamento. Impostare la frequenza di lavoro delle pompe di raffreddamento ad acqua anodo e catodo a 10 hertz. Spostare il supporto di spinta nella posizione lontano dal propulsore.Accendere la fonte di alimentazione della bobina con la corrente della bobina di 90 ampere. Accendere la fonte di alimentazione del propulsore con la corrente di scarica di 240 ampere. Accendere la fonte di alimentazione di accensione.Mantenere il propulsore funzionante per almeno cinque minuti. Spegnere la fonte di alimentazione del propulsore e l'alimentazione del propellente. Smettila di ricondificarti.Dopo il preriscaldamento, possiamo eseguire la misurazione della spinta. Spostare il supporto di spinta nella posizione a 550 millimetri dal propulsore. Inizia a registrare il segnale.Avviare l'alimentazione del propellente. Accendi il propulsore con corrente a bobina a 90 ampere e corrente di scarica ampere 240. Aumentare la corrente della bobina a 90 ampere.Successivamente, aumentare la corrente di scarico a 800 ampere. Quindi aumentare la corrente della bobina a 230 ampere. Spegnere il propulsore quando l'uscita del supporto di spinta diventa stabile.Fermare l'alimentazione del propellente. Smettila di ricondificarti. Risultati rappresentativi.Negli esperimenti, controlliamo la corrente di scarico, la portata di massa del propellente e il campo magnetico applicato. Quindi misuriamo il valore della tensione di scarica e della spinta in base al quale possiamo ottenere altri parametri di prestazioni come potenza, impulso specifico ed efficienza di spinta. Un tipico segnale di tensione di scarica è mostrato in questa figura.Dopo aver accendeto la fonte di alimentazione, verrà utilizzata un'alta tensione sul propulsore per abbattere il propellente neutro. Dopo l'accensione, la tensione si a tendenze a un valore costante e sostanzialmente mantiene costante. Quindi possiamo dire che l'accensione ha successo.Un tipico risultato di misurazione della spinta è mostrato in questa figura. Iniziamo a registrare il segnale del propulsore davanti al propellente che fornisce, che viene trattato come un punto di spinta zero. Ci sarà una leggera spinta dopo aver fornito il propellente.Dopo l'accensione, ci sarà una grande oscillazione. Quindi la spinta tende ad un valore costante. Ci sarà una deriva zero a causa della deformazione termica del bersaglio, il cui valore è di 50 millinewton.L'errore causato dalla deriva non è superiore all'1%La cifra mostra le caratteristiche di scarico durante mezz'ora di lavoro continuo. Confondiamo che il propulsore si tendenze rapidamente allo stato stazionario dopo l'accensione, e la tensione è molto stabile durante questo periodo. Questa figura mostra i cambiamenti di aspetto del catodo cavo di tungsteno tantalio prima e dopo gli esperimenti.Il tempo totale dell'esperimento è superiore a 10 ore. Possiamo trovare una leggera erosione che si distribuisce uniformemente sulla superficie esterna del catodo, il che significa che il propulsore ha il potenziale per lavorare per un tempo molto più lungo di 10 ore. Dopo il continuo test di lavoro, abbiamo esplorato le prestazioni del propulsore nella gamma di potenza da 50 a 100 kilowatt.Le migliori prestazioni si ottengono a 99,5 kilowatt mentre la spinta è di 3.052 millinewton. L'impulso specifico è di 4.359 secondi e l'efficienza di spinta è del 67%È degno di nota che quando il propulsore raggiunge le migliori prestazioni, la pressione di fondo è di 0,2 pascal. Le prestazioni misurate possono essere superiori al valore effettivo a causa dell'influenza dell'alta pressione.Il tester è fatto di tungsteno di tantalio e mostra la resistenza all'operazione. La potenza del gas è di 100 kilowatt con una spinta di 3.050 millinewton, l'impulso specifico di 4.300 secondi e l'efficienza del 67%

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