Name: a 100 kw class applied-field magnetoplasmadynamic thruster
Uploaded: 2018-12-22T13:00:00
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Este trabalho foi financiado pelo programa de investigação Fundamental (n. º JCKY2017601C). Agradecemos a ajuda de Thomas M. York, Professor emérito da Universidade de estado de Ohio.

1.. Preparação para o experimento
<ol><li>Instale o propulsor.<ol>
<li>Limpe os componentes do clero propulsor withnon-pó, embebido em álcool anidro, em uma sala limpa.</li>
		<li>Monte o ânodo com o isolador.</li>
		<li>Reunir o cátodo, o titular de cátodo e o conector de cátodo.</li>
		<li>Adicione a parte do cátodo para a parte de ânodo.</li>
		<li>Instalar o conector do meio para o conjunto e fixá-las com parafusos (parafuso de cabeça sextavada soquete, M5 × 16).</li>
		<li>Estabelece a sede d...

<ol>
	<li>Kodys, A., Choueiri, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Critical+Review+of+the+State-of-the-Art+in+the+Performance+of+Applied-field+Magnetoplasmadynamic+Thrusters.">A Critical Review of the State-of-the-Art in the Performance of Applied-field Magnetoplasmadynamic Thrusters.</a> , (2005).</li><li>Arakawa, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electromagnetic+Effects+in+an+Applied-field+Magnetoplasmadynamic+Thruster.">Electromagnetic Effects in an Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster.</a> Journal of Propulsion &amp; Power. 8 (1), 98-102 (1992).</li><li>Myers, R., Lapointe, M., Mantenieks, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MPD+thruster+Technology.">MPD thruster Technology.</a> , (1991).</li><li>Myers, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applied-field+MPD+thruster+performance+with+hydrogen+and+argon+propellants.">Applied-field MPD thruster performance with hydrogen and argon propellants.</a> Journal of Propulsion &amp; 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Este protocolo descreve os processos de ignição, operação e medição de pressão de um propulsor MPD campo de classe aplicado 100 kW. O ponto-chave na concepção de um propulsor MPD para desempenho ideal é escolher a configuração adequada de acordo com o objetivo específico. Propulsores MPD com ânodo convergente-divergente podem funcionar em estado estacionário em uma escala grande operação. No entanto, o desempenho pode ser menor do que o propulsor com ânodo divergente. O cátodo oco, especialmente o cát...

Propulsores MPD são bem conhecidos por uma densidade relativamente alta pressão e alto impulso específico1,2,3. No entanto, o impulso típico eficiência1 dos propulsores MPD é relativamente baixa, especialmente com propelentes de gases nobres4,5,6. Para a maioria dos propulsores MPD, uma parte do fluxo de combustível é injetada na câmara de descarga de uma fenda entre o ânodo e o cátodo7,8 , com o resultado que um componente radial é uma proporção significativa da descarga total. No entanto, a fim de gerar empuxo, efeitos cinéticos radiais precisam ser convertido em movimento cinético axial com um bocal de físico ou um bocal magnético. Nesse sentido, uma característica-chave do novo propulsor MPD do projeto é que todos propelente é fornecido através do cátodo, que pode agir para inibir descarga radial; desta forma, a proporção de energia axial pode ser aumentada. Há um efeito adicional em que o parâmetro Hall no plasma em torno do ânodo pode ser aumentado pela diminuição do número de densidade em torno do ânodo, que pode reforçar o Hall aceleração componente9. Desde que o propulsor é perto da superfície interna do cátodo, onde grandes quantidades de elétrons iniciais são emitidas neste modo de injeção, a taxa de ionização propulsor pode ser grandemente aumentada. Além disso, o comprimento do ânodo tem sido minimizado para diminuir a área de ligação parede-plasma e reduzir o poder de ânodo a deposição10,11. Como um ânodo divergente é aplicado, isto irá diminuir o ângulo entre o ânodo e linhas de campo magnético e diminuir o ânodo poder deposição mais12,13.
Apesar das vantagens observadas acima para melhorar o desempenho, fornecimento de propelente completo por injeção de cátodo pode aumentar o risco de fome do ânodo que pode resultar em "início" fenômenos14. Para inibir esse comportamento, podemos ter retraído do cátodo para a base do ânodo. Os elétrons podem então difundir suficientemente na direção radial antes de deixar a saída do ânodo, que agirá para aliviar a fome de ânodo. Além disso, um cátodo oco multicanal é adotado; em comparação com o cátodo oco de canal único, um cátodo oco multicanal pode aumentar a área de emissão de elétrons e fazer a distribuição do propelente mais uniforme. Com essa modificação, o tempo de vida e estabilidade do propulsor podem ser aumentada de15,16,17.
O poder projetado o propulsor é de 100 kW e uma estrutura de refrigeração é necessário com operação de estado estacionário. Em experimentos de laboratório do presente, é empregada uma estrutura eficaz do water-cooling. No entanto, para avaliar o desempenho do projeto propulsor MPD, é fundamental para obter o impulso. Com a aplicação de um sistema de água de alta pressão para transferência de calor, haverá forte vibração durante a operação de tal resfriamento, que pode criar interferência significativa se usarmos as medições de pressão tradicional. Nesse sentido, uma posição de alvo axiais é empregada para medir a pressão.
Propulsor de MPD
Como mostrado na Figura 1, o propulsor MPD consiste de ânodo, cátodo e isolador. O ânodo é feito de cobre com um bocal divergente cilíndrico, o diâmetro interno mínimo do que é 60 mm. Há um canal de resfriamento em forma de S em torno da parede interna do ânodo. A entrada e saída do canal estão no topo do ânodo, que são separadas por um defletor. Um bloco de cobre fino é utilizado para conectar o ânodo e o cabo elétrico. A junção está sobre a superfície externa do ânodo.
O material do cátodo é tungstênio de tântalo, com nove canais de propelente. O diâmetro exterior do cátodo é 16 milímetros. O resfriamento do cátodo é conseguido com um titular do water-cooling em torno da base do cátodo. Existe um canal em forma de anel dentro o titular. A água fria é injetada no suporte da parte inferior e flui para fora do topo. Existe um conector de cátodo oco no lado esquerdo do cátodo. O combustível flui através do centro do conector e na câmara de cátodo oco; Há uma grande cavidade dentro da base de cátodo conectando com nove canais cilíndricos estreitos. A cavidade atua como um buffer para aumentar a uniformidade da distribuição do propelente em nove canais. O cátodo é ligado ao cabo elétrico com um bloco de cobre anular, que é instalado próximo ao conector do cátodo.
Além do corpo principal do propulsor, uma bobina magnética externa também é necessária para gerar campos para os mecanismos no propulsor de AF-MPD; campos magnéticos fornecem um campo magnético convergente-divergente para acelerar o plasma juntamente com o campo elétrico. A bobina de campo consiste de 288 curvas de tubos de cobre circulares, que actuam como a passagem para tanto água corrente e refrigeração elétrica. O diâmetro interno da bobina é de 150 mm, enquanto o diâmetro externo é de 500 mm. A maior força de campo no centro é de 0,25 T com corrente de 230 A.
Sistema de experiência
O sistema de experiência inclui seis subsistemas. O diagrama esquemático do layout geral do sistema experimental é mostrado na Figura 2; o layout do propulsor dentro da câmara de vácuo é mostrado na Figura 3.
Primeiro, o sistema de vácuo, que fornece o ambiente de vácuo necessário para a operação dos propulsores, consiste em uma câmara de vácuo, duas bombas mecânicas, uma bomba molecular e quatro bombas criogênicas. O diâmetro da câmara é de 3 m, e o comprimento é 5m. A pressão do ambiente pode ser mantida sob 0,01 Pa, quando a taxa de fluxo do propulsor (argônio) é não mais do que 40 mg/s.
Em segundo lugar, este sistema de fonte fornece um pulso de alta tensão para inflamar o propulsor, fornece energia para o propulsor acelerar o plasma e fornece energia para a bobina de campo magnético sustentar o campo magnético externo. O sistema de fonte de energia consiste de uma fonte de energia de ignição, uma fonte de energia do propulsor, uma fonte de alimentação da bobina e cabos. A fonte de energia de ignição pode fornecer 8 kV ou 15 kV tensão de descarga. A fonte de energia do propulsor fornece uma corrente contínua até 1000 A. Fonte de alimentação da bobina fornece uma corrente contínua até 240 A.
Em terceiro lugar, o sistema de abastecimento de combustível alimenta propelente gás para propulsores. O sistema inclui principalmente a fonte de gás, o controlador de taxa de fluxo de massa e gás fornecem pipelines.
O quarto do subsistema é o sistema do water-cooling, que fornece água a alta pressão legal para trocar o calor do propulsor, bobina magnética e fontes de energia. Como mostrado na Figura 4, o sistema consiste em grupo de bombas, tanque de água, refrigerador, controladores de tubulações e bombas de abastecimento de água. Os tubos não condutor dentro da câmara de vácuo fornecem um terminal de água refrigerando para o propulsor e bobina magnética e garante a isolação elétrica entre o ânodo e o cátodo no chão.
O sistema de controle e aquisição podem gravar os sinais que as condições de operação do propulsor e controle de operação de outros sistemas de medição. Ele é composto de três computadores e correspondente software, placa de aquisição de dados e cabos.
Como mostrado na Figura 5, o carrinho de alvo de pressão consiste em alvo de placa, feixe Delgado, sensor de deslocamento, frame da sustentação, plataforma móvel axial e radial plataforma móvel. O alvo pode interceptar o plasma que empurra o alvo. O deslocamento do alvo pode ser medido por um sensor colocado atrás do alvo, desta forma permitindo avaliação do impulso18.

<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

Aplicada-campo magnetoplasmadynamic propulsores (motores de AF-MPD) são aceleradores de híbrido em que eletromagnética e processos dinâmicos de gás aceleram o plasma de alta velocidade; Eles têm um potencial considerável para aplicações futuras espaço com as vantagens significativas de alto impulso específico e densidade de pressão. Neste trabalho, apresentamos uma série de protocolos para projetar e fabricar uma classe kW 100 do propulsor de AF-MPD com estruturas, uma tensão de descarga máxima de 130 V, um 800 A máxima corrente de descarga e um 0,25 T máxima força do campo magnético do water-cooling. Um cátodo de tungstênio de tântalo oco atua como a entrada apenas propelente para inibir a descarga radial, e está posicionado axialmente na parte traseira do ânodo para aliviar a fome de ânodo. Um ânodo de cobre cilíndrico divergente é empregado para diminuir a deposição de energia de ânodo, onde o comprimento foi reduzido para diminuir a área de ligação parede-plasma. Experimentos utilizaram um vácuo sistema que pode conseguir um vácuo de trabalho de 0,01 Pa para um fluxo de massa propelente total taxa inferior a 40 mg/s e um alvo axiais de carrinho. Os propulsor foram efectuados testes para medir os efeitos dos parâmetros de funcionamento, tais como taxas de fluxo de combustível, a corrente de descarga e a força do campo magnético aplicado sobre o desempenho e permitir a análise adequada. O propulsor poderia ser utilizado continuamente por períodos significativos de tempo com pouca erosão na superfície do cátodo oco. A potência máxima do propulsor é de 100 kW e o desempenho desta configuração Water-cooled é comparável com a dos propulsores relatados na literatura.

No experimento, podemos controlar a corrente de descarga (Id), massa propelente fluxo rate(m) e aplicado a campo magnético (Ba). Em operação, medimos o valor da tensão de descarga (Vd) e axiais (T), da qual base que conseguirmos outro desempenho parâmetros como potência (P), impulso específico (Isp) e axiais de eficiência (η)1.
Um sinal típico de tensão de descarga é mostrado na <strong class=...

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A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster

O objetivo do presente protocolo é introduzir o design de um 100 kW classe campo aplicado magnetoplasmadynamic propulsor e métodos experimentais relevantes.

Um propulsor Magnetoplasmadynamic aplicada-campo de 100 KW classe

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

O objetivo deste protocolo é introduzir o design de um propulsor magnetoplasmadômico de campo aplicado de 100 quilowatts e o método relativo experimentado. O propulsor magnetoplasmadynâmico, que é o propulsor MPD, é um acelerador elétrico típico. É bem conhecido por alto impulso específico e alta densidade de propulsores, e é tratado como candidato principal para nossa propulsão principal em nossas futuras missões espaciais de alta potência.Neste artigo, introduziremos um projeto de um propulsor MPD de campo aplicado de 100 quilowatts, os sistemas de experimento necessários para realizar um experimento relativo de propulsores e as etapas de operação para terminar este experimento. Projetando propulsores. O propulsor consiste principalmente de ânodo, cátodo e isolador.O ânodo é feito de cobre com um bocal divergente de cilindro, o diâmetro interno mínimo é de 60 milímetros. O cátodo é construído de tungstênio tântalo com nove canais propulsores, do qual o diâmetro externo é de 16 milímetros. Há um conector de cátodo oco no lado esquerdo.O propulsor flui através da central do conector e atinge o cátodo oco. Há uma grande cavidade dentro da base do cátodo conectando-se com nove canais cilíndricos. A cavidade atua como um tampão para aumentar a uniformidade da distribuição do propulsor em nove canais.O cátodo é conectado ao cabo elétrico com um bloco de cobre anular, que é instalado ao redor do conector do cátodo. Além do corpo principal do propulsor, a bobina magnética externa também é necessária para o funcionamento do propulsor MPD. A bobina consiste em 288 tubos de cobre em círculo que atuam como a passagem tanto para corrente elétrica quanto para água de resfriamento.O diâmetro interno da bobina é de 150 milímetros, enquanto o diâmetro externo é de 500 milímetros. A maior força de campo na central é de 0,25 telsa. Sistema de experiências.O sistema de experimentos fornece condições necessárias para o experimento, que inclui principalmente seis subsistemas. Em primeiro lugar, o sistema de vácuo fornece o ambiente de vácuo necessário para o propulsor. E o diâmetro da câmara é de três metros, enquanto o comprimento é de dois metros.A pressão ambiental pode manter-se abaixo de 0,01 pascal. Em segundo lugar, sistema de fonte de energia. O sistema de fonte de energia consiste em fonte de energia de ignição, fonte de energia do propulsor, fonte de energia da bobina e cabos.A fonte de energia de ignição pode fornecer oito quilovolt ou 15 quilovolt tensão de descarga. A fonte de energia do propulsor fornece uma corrente direta de até 1.000 ampere. A fonte de energia da bobina fornece uma corrente direta de até 240 ampere.O terceiro é o sistema de alimentação de propelente, que alimenta o propulsor a gás para propulsores. Este sistema inclui principalmente a fonte de gás, o controlador de taxa de fluxo de massa e os gasodutos de abastecimento de gás. O quarto é o sistema de resfriamento de água, que fornece água de alta pressão para trocar o calor extra do propulsor, bobina magnética e fontes de energia.Em seguida, está o sistema de aquisição e controle, que pode registrar os sinais das condições de operação do propulsor e controlar outros sistemas. O último é o sistema de medição de impulso de alvo, que pode ser usado para medir o impulso. O suporte de impulso de destino consiste principalmente de alvo de placa, feixe esbelto, sensor de deslocamento, estrutura de suporte, plataforma móvel axial e plataforma móvel de rádio.O plasma pode ser interceptado pelo alvo, e o alvo será empurrado pelo plasma. O deslocamento do alvo pode ser medido pelo sensor colocado atrás do alvo. Desta forma, podemos avaliar o impulso.Preparação para a experiência. Instale o propulsor. Limpe os componentes do propulsor com álcool em uma sala limpa.Monte o ânodo com o isolador. Ressira o cátodo, o suporte do cátodo e o conector do cátodo. Adicione a parte do cátodo à parte do ânodo.Instale o conector do meio em conjunto e fixe-os com parafusos. Estabeleça o assento da bobina na plataforma de experimento com empilhadeira. Coloque a plataforma de experimento no trilho-guia da câmara de vácuo.Instale o propulsor na bobina. Ligue o ânodo e o cátodo com os cabos elétricos correspondentes. Ligue a bobina magnética com a fonte de energia da bobina.Junte os tubos de resfriamento da água e o tubo de alimentação do propulsor com o propulsor. Junte os tubos de resfriamento da água com a bobina. Instale a plataforma móvel dentro da câmara e fixe o corpo principal do suporte de impulso sobre ela.Ajuste a posição da plataforma móvel para fazer com que a linha central do propulsor e o alvo ceda entre si. Então nós colaboramos no suporte de impulso. Em primeiro lugar, carregue diferentes pesos no dispositivo de colaboração e regise a saída correspondente do suporte de impulso.Repita o processo por pelo menos três vezes. Então podemos calcular o coeficiente elástico do suporte de impulso de acordo com os dados de calibração. Aspire a câmara de vácuo.Feche a porta da câmara. Ligue as bombas mecânicas. Inicie as bombas moleculares quando a pressão de fundo na câmara for menor que cinco pascal.Inicie as bombas criogênicas quando a pressão de fundo na câmara for inferior a 0,05 pascal. Aguarde que a pressão chegue a 10 ao poder de menos quatro pascal. Experimento de medição de ignição e impulso.Precisamos pré-aqueça o propulsor se o propulsor foi exposto ao ar. Comece a gravar o sinal. Coloque a taxa de fluxo de massa do propulsor em 40 miligramas e continue fornecendo por pelo menos 20 minutos.Ligue o abastecimento de água de resfriamento. Coloque a frequência de trabalho das bombas de resfriamento de ânodo e água do cátodo em 10 hertz. Mova a posição de impulso para a posição longe do propulsor.Ligue a fonte de alimentação da bobina com a corrente da bobina de 90 ampere. Ligue a fonte de energia do propulsor com a corrente de descarga de 240 ampere. Ligue a fonte de energia de ignição.Mantenha o propulsor funcionando por pelo menos cinco minutos. Desligue a fonte de energia do propulsor e o fornecimento do propulsor. Pare a recodificação.Depois do pré-aquecimento, podemos realizar a medição de impulso. Mova o suporte de impulso para a posição a 550 milímetros do propulsor. Comece a gravar o sinal.Inicie o fornecimento do propulsor. Acipule o propulsor com corrente de bobina de 90 ampere e corrente de descarga de 240 ampere. Aumente a corrente da bobina para 90 ampere.Posteriormente, aumente a corrente de descarga para 800 ampere. Em seguida, aumente a corrente da bobina para 230 ampere. Desligue o propulsor quando a saída do suporte de impulso ficar estável.Pare o fornecimento do propulsor. Pare a recodificação. Resultados representativos.Nos experimentos, controlamos a corrente de descarga, a taxa de fluxo de massa do propulsor e o campo magnético aplicado. Em seguida, medimos o valor da tensão de descarga e impulso com base no qual podemos obter outros parâmetros de desempenho, como potência, impulso específico e eficiência de impulso. Um sinal típico de tensão de descarga é mostrado nesta figura.Depois de ligar a fonte de energia, uma alta tensão será empregada no propulsor para quebrar o propulsor neutro. Após a ignição, a tensão muda para um valor constante e basicamente se mantém constante. Então podemos dizer que a ignição é bem sucedida.Um resultado típico de medição de impulso é mostrado nesta figura. Começamos a gravar o sinal do suporte do propulsor antes do fornecimento do propulsor, que é tratado como um ponto de impulso zero. Haverá um leve impulso depois de fornecer o propulsor.Após a ignição, haverá uma grande oscilação. Em seguida, o impulso tende a um valor constante. Haverá uma deriva zero devido à deformação térmica do alvo, o valor é de 50 mililitros.O erro causado pela deriva não é superior a 1%O número mostra as características de descarga durante meia hora de trabalho. Nós concordamos que as tendências do propulsor para estado estável rapidamente após a ignição, e a tensão é muito estável durante este período. Esta figura mostra as mudanças de aparência do cátodo oco tungstênio tungstânulo antes e depois dos experimentos.O tempo total do experimento é de mais de 10 horas. Podemos encontrar uma pequena erosão distribuindo uniformemente na superfície externa do cátodo, o que significa que o propulsor tem potencial para trabalhar por um tempo muito maior do que 10 horas. Após o teste de trabalho continuado, exploramos o desempenho do propulsor na faixa de potência de 50 a 100 kilowatts.O melhor desempenho é obtido em 99,5 kilowatts, enquanto o impulso é de 3.052 mililitros. Impulso específico é de 4.359 segundos, e eficiência de impulso é de 67% Vale ressaltar que quando o propulsor atinge o melhor desempenho, a pressão de fundo é de 0,2 pascal. O desempenho medido pode ser maior do que o valor real devido à influência da alta pressão.O testador é feito de tungstênio tungstênio tântalo e mostra a resistência da operação. A potência do gás é de 100 quilowatts com um impulso de 3.050 mililitros, o impulso específico de 4.300 segundos, e a eficiência de 67%

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