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

Dette arbeidet ble støttet av grunnleggende forskningsprogrammet (nr. JCKY2017601C). Vi takker porsjon Thomas M. York, Professor Emeritus ved Ohio State University.

1. Forberedelse for eksperimentet
<ol><li>Installere thrusteren.<ol>
<li>Tørk komponentene i den thruster withnon-støv kluten fuktet med vannfri alkohol, i et rent rom.</li>
		<li>Samle anoden med isolator.</li>
		<li>Samle katoden, katoden holderen og katoden kontakten.</li>
		<li>Legge til delen katoden delen anode.</li>
		<li>Installere midt forbinde i forsamlingen og fikse dem med skruer (sekskant socket skrue, M5 × 16).</li>
		<li>Opprette coil setet på eksperimentet plattform med gaffeltruck.</li>
		...

<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>

Denne protokollen beskriver prosessene av tenningen, drift og stakk måling av en 100 kW klassen brukes feltet MPD thruster. Det sentrale punktet i utformingen av en MPD thruster for optimal ytelse er å velge riktig konfigurasjon etter målsetting. MPD thrustere med konvergent-divergerende anode kan fungere stabil i mange store operasjon. Ytelsen kan imidlertid være lavere enn thruster med avvikende anode. Hul katoden, spesielt flerkanals hul katoden, er bedre enn en tradisjonell rod katode i de fleste aspekter. Anvend...

MPD thrustere er kjent for en relativt høy stakk tetthet og en høy spesifikke impuls1,2,3. Men er den typiske stakk effektivitet1 av MPD thrustere relativt lav, spesielt med drivstoff edelgassene4,5,6. For de fleste MPD thrustere injiseres en del av drivstoff inn i utslipp kammeret fra en rift mellom anoden og katoden7,8 , med resultatet at en radial komponent er en betydelig andel av samlede utslipp. Men for å generere stakk, må radial kinetic effekter konverteres til aksial kinetic bevegelse med en fysisk munnstykke eller en magnetisk dyse. Derfor er en viktig funksjon i den nye design MPD thrusteren at alle drivstoff leveres gjennom cathode, som kan fungere for å hemme avrundet utskrivning; på denne måten kan du øke andelen av aksial energi. Det er en ekstra effekt i at parameteren Hall i plasma rundt anoden kan økes ved reduksjon av antall tetthet rundt anoden, som kan styrke Hall akselerasjon komponent9. Siden drivstoff er nær indre overflaten av katoden hvor store mengder første elektroner er slippes ut i denne injeksjon, kan drivstoff ionisering hastigheten økes betraktelig. Videre er anode lengden minimert å redusere vegg-plasma koble området og redusere anode makt deponering10,11. Som en avvikende anode brukes, vil dette redusere vinkelen mellom anoden og magnetfelt linjer og redusere anode makt deponering ytterligere12,13.
Til tross for fordelene nevnt ovenfor for å forbedre ytelsen, kan komplett drivstoff tilførsel av katoden injeksjon øke risikoen for anode sult som kan resultere i "debut" fenomener14. For å hemme denne oppførselen, har vi trukket katoden tilbake til bunnen av anode. Elektronene kan deretter diffus tilstrekkelig i radial retning før avreise anode utgangen, som også blir for å avlaste anode sult. Videre, en flerkanals hul katode vedtatt; sammenlignet med én kanal hul katoden, kan en flerkanals hul katode øke elektron utslipp området og gjøre distribusjon av drivstoff mer ensartet. Med denne endringen, kan både levetid og stabilitet i thrusteren være økt15,16,17.
Designet makt thrusteren er 100 kW og en avkjølende struktur er nødvendig med steady state operasjon. I de nåværende laboratorieforsøk, er en effektiv vannkjølt struktur ansatt. Men for å evaluere ytelsen til MPD thruster design, er det avgjørende å få stakk. Med anvendelse av et høytrykks vann system å overføre varme, vil det være sterk vibrasjon under drift av slike kjøling, som kan skape betydelige forstyrrelser hvis vi brukte tradisjonelle stakk målinger. Følgelig er en målet kastet står ansatt å måle stakk.
MPD Thruster
Som vist i figur 1, består MPD thruster av anoden og katoden isolator. Anoden er laget av kobber med en sylindrisk divergerende dyse, indre minimumsdiameteren som er 60 mm. Det er en S-formet kjøling kanal rundt den indre veggen i anoden. Innløp og utløp av kanalen er på anoden, som er atskilt med en forbløffe. En tynn kobber blokk er ansatt å koble anoden og strømkabelen. Krysset er på den ytre overflaten av anoden.
Katoden materiale er Tantal tungsten, med ni drivstoff kanaler. Den ytre diameteren av katoden er 16 mm. Kjøling av katoden oppnås med en vannkjølt holder rundt katoden basen. Det er en ringformede kanal i abonnenten. Kaldt vann injiseres inn i holderen nederst og strømmer ut fra toppen. Det er en hule katoden kontakt på venstre side av katoden. Drivstoff renner gjennom sentrum av kontakten og inn i hul katoden kammeret; Det er et stort hulrom innenfor katoden grunnflaten forbinder med ni trange sylindriske kanaler. Hulrommet fungerer som en buffer øke sıtt drivstoff distribusjon i ni kanaler. Katoden er koblet til strømkabelen med en Ringformet kobber blokk, som installeres rundt katoden koblingen.
I tillegg til hoveddelen av thrusteren er en ekstern magnetisk spole også nødvendig å generere felt for mekanismer i AF-MPD thruster; magnetfelt gir et konvergent-divergerende magnetfelt for å akselerere plasma elektriske feltet. Feltet spolen består av 288 svinger av sirkulære kobber rør som passasje for både elektrisk strøm og kjøling vann. Den indre diameteren på spolen er 150 mm, mens den ytre diameteren er 500 mm. Høyeste feltstyrken i midten er 0,25 T med strøm av 230 A.
Eksperimentet System
Eksperimentet systemet inkluderer seks delsystemer. Skjematisk diagram av layouten for eksperimentell systemet er vist i figur 2; utformingen av thruster inne i vakuum kammeret er vist i Figur 3.
Første består vakuum systemet, som gir nødvendig vakuum miljøet for thruster operasjonen, av et vakuum kammer, to mekaniske pumper, en molekylære pumpen og fire kryogene pumper. Diameteren på kammeret er 3 m er 5 m. Miljø trykket kan opprettholdes under 0.01 Pa når inntakets (argon) drivstoff er mer enn 40 mg/s.
Andre gir kildesystemet en høy spenning puls å tenne thruster, gir strøm til thruster å akselerere plasma og gir strøm til magnetfelt spolen å opprettholde det eksterne magnetfeltet. Strømkilde system består av en tenning strømkilde, en thruster strømkilde, en coil strømkilde og kabler. Tenningen strømkilden kan gi 8 kV eller 15 kV utslipp spenning. Strømkilden thruster gir en likespenning opp til 1000 A. Strømkilden coil gir en likespenning opptil 240 A.
Tredje, drivstoff levering systemet strømmer gass drivstoff thrustere. Systemet omfatter hovedsakelig gasskilde, masse flow rate kontrolleren og gass leverer rørledninger.
Fjerde sub systemet er kjølesystem, som gir kjølig høytrykks vann for å utveksle varmen thruster, magnetisk spole og strømkilder. Som vist i Figur 4, består systemet av pumper gruppen, vanntank, kjøleskap, vannforsyning rør og pumper kontrollere. Ikke-ledende rørene inne i vakuum kammeret gir en avkjølende vann terminal for thruster og magnetisk spole, og sikrer at elektrisk isolasjon blant anoden og katoden bakken.
Oppkjøp og kontrollsystem kan registrere signalene måle thruster operasjonen forhold og kontroll drift av andre systemer. Det består av tre datamaskiner og tilhørende programvare, oppkjøp datakort og kabler.
Som vist i figur 5, består målet kastet står av platen mål, slanke strålen, forskyvning sensor, støtte rammen, aksial bevegelig plattform og radial bevegelig plattform. Målet kan snappe plasma som presser målet. Forskyvning av målet kan måles av en sensor plassert bak målet, på denne måten slik at evaluering av thrust18.

<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

Brukt-feltet magnetoplasmadynamic thrustere (AF-MPD thrustere) er hybrid gasspedalene der elektromagnetiske og gass dynamisk prosesser akselerere plasma til høy hastighet; de har betydelig potensial for fremtidige applikasjoner med betydelig fordelene av høy spesifikke impuls og kastet tetthet. I dette papiret presenterer vi en rekke protokoller for design og produksjon en 100 kW klasse AF-MPD thruster med vann-kjøling strukturer, en 130 V maksimal utslipp spenning, en 800 A maksimal utslipp gjeldende og 0,25 T maksimal styrke av magnetfelt. En hul Tantal tungsten katode fungerer som bare drivstoff innløp å hemme radial utslipp, og den plasseres aksialt på baksiden av anoden for å avlaste anode sult. En sylindrisk divergerende kobber anoden er ansatt å redusere anode makt deponering, hvor lengden er redusert til redusere vegg-plasma koble området. Eksperimenter benyttes et vakuum system som kan oppnå en arbeider vakuum 0,01 Pa for en total drivstoff masse flow rate lavere enn 40 mg/s og mål kastet stå. Thruster testene ble utført å måle effekten av parameterne arbeider som drivstoff strømningshastigheter, utslipp gjeldende og styrke anvendt magnetfelt på ytelsen og tillate riktig analyse. Thrusteren kan brukes kontinuerlig på betydelig perioder med lite erosjon på hul katoden overflaten. Maksimal kraft av thruster er 100 kW, og ytelsen til denne vannkjølt konfigurasjonen kan sammenlignes med at av thrustere rapportert i litteraturen.

I forsøket, vi kontrollere utslipp gjeldende (Id), drivstoff mass flow rate(m) og brukt magnetfelt (Ba). I drift, vi måler verdien av utslipp spenning (Vd) og kastet (T), fra hvilke base vi kan få andre ytelse som strøm (P), spesifikke impuls (Isp) og kastet effektivitet (η)1.
Et typisk signal utslipp spenning er vist i figur 6. Ved innvielsen av strømforsyningen, vil 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

Målet med denne protokollen er å introdusere utformingen av en 100 kW klassen brukes feltet magnetoplasmadynamic thruster og relevante eksperimentelle metoder.

En 100 KW klassen brukes feltet Magnetoplasmadynamic Thruster

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

Målet med denne protokollen er å introdusere utformingen av en 100 kilowatt klasse brukt-feltet magnetoplasmadynamic thruster og den relative eksperimenterte metoden. Magnetoplasmadynamic thruster, som er MPD thruster, er en typisk elektrisk akselerator. Det er kjent for høy spesifikk impuls og en høy thruster tetthet, og blir behandlet som primære kandidater for vår viktigste fremdrift i våre fremtidige høyeffekts romferder.I denne artikkelen vil vi introdusere en design av en 100-kilowatt klasse brukt-feltet MPD thruster, de nødvendige eksperimentsystemer for å holde en relativ thruster eksperiment og operasjonstrinn for å fullføre dette eksperimentet. Thruster design. Thrusteren består hovedsakelig av anode, katode og isolator.Anoden er laget av kobber med en sylinder divergerende dyse, hvis minste indre diameter er 60 millimeter. Katoden er bygget av tantal wolfram med ni drivstoffkanaler, hvorav den ytre diameteren er 16 millimeter. Det er en hul katodekontakt på venstre side.Drivstoffet strømmer gjennom den sentrale kontakten og når den hule katoden. Det er et stort hulrom inne i katodebasen som forbinder med ni sylindriske kanaler. Hulrommet fungerer som en buffer for å øke ensartethet av drivstofffordelingen i ni kanaler.Katoden er koblet til den elektriske kabelen med en ringformet kobberblokk, som er installert rundt katodekontakten. Foruten hoveddelen av thrusteren, er ekstern magnetisk spole også nødvendig for arbeid av MPD thruster. Spolen består av 288 svinger sirkel kobberrør som fungerer som passasje for både elektrisk strøm og kjølevann.Spolens indre diameter er 150 millimeter, mens den ytre diameteren er 500 millimeter. Den høyeste feltstyrken i det sentrale er 0,25 telsa. Eksperiment system.Eksperimentsystemet gir nødvendige betingelser for eksperimentet, som hovedsakelig inkluderer seks delsystemer. For det første gir vakuumsystemet det nødvendige vakuummiljøet for thrusteren. Og diameteren på kammeret er tre meter, mens lengden er to meter.Miljøtrykket kan opprettholdes under 0,01 pascal. For det andre, strømkildesystem. Strømkildesystemet består av tenningsstrømkilde, thrusterstrømkilde, spolestrømkilde og kabler.Antenneeffektkilden kan gi åtte kilovolt eller 15 kilovolt utløpsspenning. Thrusterens strømkilde gir en direkte strøm opp til 1000 ampere. Spolestrømkilden gir en direkte strøm opp til 240 ampere.Den tredje er drivstoffforsyningssystem, som mater gassdrivstoff for thrustere. Dette systemet omfatter hovedsakelig gasskilde, massestrømningshastighetskontrollør og gassforsyningsrørledninger. Den fjerde er vannkjølesystem, som gir høytrykksvann for å bytte ut den ekstra varmen til thrusteren, magnetisk spole og strømkilder.Deretter er oppkjøp og kontrollsystem, som kan registrere signaler fra thruster driftsforhold og kontrollere andre systemer. Den siste er målkraftmålingssystem, som kan brukes til å måle skyvekraften. Målet thrust stå består hovedsakelig av plate mål, slank bjelke, forskyvning sensor, støtte ramme, aksial bevegelig plattform og radio bevegelig plattform.Plasmaet kan fanges opp av målet, og målet vil bli skjøvet av plasmaet. Forskyvningen av målet kan måles ved at sensoren er plassert bak målet. På denne måten kan vi evaluere skyvekraften.Forberedelse til eksperiment. Monter thrusteren. Tørk komponentene i thrusteren med alkohol i et rent rom.Monter anoden med isolatoren. Ta med katoden, katodeholderen og katodekontakten. Legg katodedelen til anodedelen.Monter den midterste kontakten i montering og fest dem med skruer. Etablere spolesetet på eksperimentplattformen med gaffeltruck. Plasser eksperimentplattformen på føringsskinnen til vakuumkammeret.Monter thrusteren på spolen. Koble anoden og katoden med tilsvarende elektriske kabler. Koble den magnetiske spolen til spolestrømkilden.Bli med opp vannkjølerørene og drivstofftilførselsrøret med thruster. Bli med i vannkjølerørene med spolen. Installer den bevegelige plattformen inne i kammeret og fest hoveddelen av skyvekraftstativet på den.Juster posisjonen til den bevegelige plattformen for å gjøre midtlinjen til thrusteren og målet innrømme med hverandre. Så samarbeider vi om skyvestativet. For det første, laste forskjellige vekter på samarbeidsenheten og registrere tilsvarende utgang av skyvekraftstativet.Gjenta prosessen i minst tre ganger. Deretter kan vi beregne den elastiske koeffisienten til skyvestativet i henhold til kalibreringsdataene. Støvsug vakuumkammeret.Lukk døren til kammeret. Start de mekaniske pumpene. Start molekylære pumper når bakgrunnstrykket i kammeret er lavere enn fem pascal.Start kryogene pumper når bakgrunnstrykket i kammeret er lavere enn 0,05 pascal. Vent til trykket når 10 til kraften av minus fire pascal. Tennings- og thrustmålingseksperiment.Vi må forvarme thrusteren hvis thrusteren har blitt utsatt for luften. Begynn å ta opp signalet. Sett drivstoffmassestrømningshastigheten på 40 milligram og fortsett å levere i minst 20 minutter.Slå på kjølevannet som leverer. Still inn arbeidsfrekvensen til anode- og katodevannkjølepumper ved 10 hertz. Flytt skyvestativet til posisjonen langt fra thrusteren.Slå på spolestrømkilden med spolestrømmen på 90 ampere. Slå på thrusterens strømkilde med utløpsstrøm på 240 ampere. Slå på tenningsstrømkilden.Hold thrusteren i gang i minst fem minutter. Slå av thrusterens strømkilde og drivstoffforsyning. Stopp omkodingen.Etter forvarmingen kan vi utføre skyvemålingen. Flytt skyvestativet til posisjonen 550 millimeter fra thrusteren. Begynn å ta opp signalet.Start drivstofftilførselen. Tenn thrusteren med 90 ampere spolestrøm og 240 ampere utladningsstrøm. Øk spolestrømmen til 90 ampere.Deretter øke utslippsstrømmen til 800 ampere. Deretter øke spolestrømmen til 230 ampere. Slå av thrusteren når utgangen på skyvestativet blir stabil.Stopp drivstofftilførselen. Stopp omkodingen. Representative resultater.I forsøkene kontrollerer vi utløpsstrøm, drivstoffmassestrømningshastighet og påført magnetfelt. Deretter måler vi verdien av utløpsspenning og skyvekraft basert på hvilken vi kan få andre ytelsesparametere som kraft, spesifikk impuls og skyvekrafteffektivitet. Et typisk signal om utløpsspenning er vist i denne figuren.Etter å ha slått på strømkilden, vil det bli brukt høy spenning på thrusteren for å bryte ned det nøytrale drivstoffet. Etter tenningen, spenningstrender til en konstant verdi og i utgangspunktet holder konstant. Da kan vi si at tenningen er vellykket.Et typisk thrustmålingsresultat vises i denne figuren. Vi begynner å registrere signalet fra thrusterstativet før drivstofftilførselen, som behandles som et null skyvepunkt. Det vil være en liten skyvekraft etter å ha levert drivstoffet.Etter tenningen vil det være en stor svingning. Da har skyvekraften en jevn verdi. Det vil være en null drift på grunn av den termiske deformasjonen av målet, hvis verdi er 50 millinewton.Feilen forårsaket av drift er ikke mer enn 1%Figuren viser utslippsegenskapene under en halv time fortsette arbeidet. Vi finansierer at thrustertrendene raskt etter tenningen, og spenningen er svært stabil i denne perioden. Denne figuren viser utseendet endringer av tantal wolfram hul katode før og etter eksperimenter.Den totale eksperimenttiden er mer enn 10 timer. Vi kan finne liten erosjon som distribuerer jevnt på den ytre overflaten av katoden, noe som betyr at thrusteren har potensial til å jobbe i mye lengre tid enn 10 timer. Etter den videre arbeidstesten utforsket vi ytelsen til thrusteren i kraftområdet på 50 til 100 kilowatt.Den beste ytelsen oppnås på 99,5 kilowatt mens skyvekraften er 3, 052 millinewton. Spesifikk impuls er 4, 359 sekunder, og skyvekrafteffektivitet er 67%Det er bemerkelsesverdig at når thrusteren når den beste ytelsen, er bakgrunnstrykket 0,2 pascal. Målt ytelse kan være høyere enn den faktiske verdien på grunn av påvirkning av høyt trykk.Testeren er laget av tantal wolfram og det viser driftsmotstanden. Gasskraften er 100 kilowatt med en skyvekraft på 3050 millinewton, den spesifikke impulsen på 4, 300 sekunder og effektiviteten på 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

Syntese av fase-shift nanoemulsions med smale størrelse Distribusjoner for Acoustic Droplet Fordamping og Bubble-forbedret ultralyd-mediert Ablasjon

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

Flamme Eksperimenter ved Advanced Light Source: Ny innsikt i Soot Formasjon Prosesser

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 og Protein konformasjon Dynamics i Lysfølsomme Proteiner av Time-løst Step-skanne Fourier-transform infrarød spektroskopi

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 Mikroskopi av Red-Light Fotoreseptorer Bruke PeakForce Kvantitativ Nanomechanical Eiendoms 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

Energi dispersive X-ray Tomografi for 3D Elemental Kartlegging av individuelle Nanopartikler

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

Påvisning og utvinning av Palladium, Gull og Cobalt Metals fra Urban Mine Bruke Novel Sensorer / adsorbenter Eget med nanoskala Wagon-hjulformede Porer

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

Avanserte Eksperimentelle metoder for lav temperatur Magnetotransport Måling av nye materialer

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

Magnetisk Induced Rota Rayleigh-Taylor Ustabilitet

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 Sintring apparatet som brukes for dannelsen av strontium titanate 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 ...