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

Detta arbete stöds av grundläggande forskningsprogrammet (nr. JCKY2017601C). Vi uppskattar att hjälpa Thomas M. York, Professor Emeritus vid Ohio State University.

1. Förberedelse för experiment
<ol><li>Installera bogpropellern.<ol>
<li>Torka komponenterna i bogpropeller icke-damm duken, indränkt med vattenfri alkohol, i ett rent rum.</li>
		<li>Montera anoden med isolator.</li>
		<li>Sammanföra katod, katod innehavaren och katoden connector.</li>
		<li>Lägg till å Katod Anod del.</li>
		<li>Installera den mellersta kontakten i assemblage och fäst dem med skruvar (hexagon socket skruv, M5 × 16).</li>
		<li>Upprätta spole sätet på experiment plattform med gaffe...

<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>

Det här protokollet beskriver processerna för tändning, drift och dragkraft mätning av en 100 kW klass tillämpas fältet MPD bogpropeller. Den centrala punkten i utforma en MPD bogpropeller för optimal prestanda är att välja rätt konfiguration enligt det särskilda målet. MPD bogpropellrar med konvergent-avvikande anoden kan fungera steady-state i en stor operation utbud. Prestanda kan dock vara lägre än bogpropellern med divergerande anod. Ihåliga katoden, särskilt flerkanaliga ihåliga katoden, är överl...

MPD drivraketer är väl kända för en relativt hög dragkraft densitet och hög specifik impuls1,2,3. Den typiska dragkraft effektivitet1 av MPD drivraketer är dock relativt låg, särskilt med drivmedel ädelgaser4,5,6. För de flesta MPD drivraketer injiceras en del av drivmedel flödet i ansvarsfrihet kammaren från en skåra mellan anod och katod7,8 , med resultatet att en radial komponent är en betydande andel av den totala utsläppen. Men för att generera dragkraft, måste radiella kinetiska effekter omvandlas till axiell kinetisk rörelse med en fysisk munstycke eller en magnetisk munstycke. En nyckelfunktion i den nya designen MPD bogpropellern således att alla drivmedel tillhandahålls genom katoden, som kan agera för att hämma radiella ansvarsfrihet; på detta sätt kan andelen axiella energi ökas. Finns en extra effekt genom att parametern Hall i plasma runt anoden kan ökas genom minskningen av numreratätheten runt anoden, som kan stärka den Hall acceleration komponent9. Eftersom drivmedel är nära den inre ytan av katoden där stora mängder inledande elektroner avges i detta läge av injektion, kan de propellant jonisering höjas kraftigt. Anod längden har dessutom minimerats för att minska vägg-plasma anslutande området och minska anod power nedfall10,11. Som en avvikande anod appliceras, kommer detta minska vinkeln mellan anoden och magnetiska fältlinjer och minska anod power nedfall ytterligare12,13.
Trots fördelarna ovan för att förbättra prestanda, kan komplett drivmedel leverans av katoden injektion öka risken för anod svält vilket kan resultera i ”debut” fenomen14. För att förhindra detta beteende, har vi indragna katoden tillbaka till basen av anoden. Elektronerna kan sedan sprida tillräckligt i radiell riktning innan du lämnar avfarten anod, som kommer att fungera för att lindra anod svält. Vidare antas flerkanaliga ihåliga katod; jämfört enda kanal ihåliga katoden, kan en flerkanals ihåliga katod öka området elektron utsläpp och göra fördelningen av drivmedel mer enhetlig. Med denna ändring, kan både livslängd och stabiliteten i bogpropellern vara ökad15,16,17.
Designade av bogpropeller är 100 kW och en kylande struktur är nödvändigt med konstant drift. I nuvarande laboratorieförsök, är en effektiv water-cooling struktur anställd. Det är dock för att utvärdera resultatet av MPD propeller design, avgörande för att få dragkraften. Med tillämpning av en högtrycks vatten-system att överföra värme, kommer det att finnas starka vibrationer under driften av sådan kyla, vilket kan skapa betydande störningar om vi använde traditionella dragkraft mätningar. Följaktligen är målet dragkraft ställning anställd att mäta inriktningen.
MPD bogpropeller
I figur 1visas den MPD bogpropellern består av anod, katod och isolator. Anoden är tillverkade av koppar med en cylindrisk divergerande munstycke, minsta innerdiameter som är 60 mm. Det finns en S-formad kylkanal runt den inre väggen av anoden. In- och utlopp av kanalen är på toppen av anoden, som skiljs åt av en baffel. En smal koppar block är anställd att ansluta anoden och elkabel. Korsningen är på utsidan av anoden.
Katod materialet är tantal volfram, med nio drivmedel kanaler. Den yttre diametern av katoden är 16 mm. Kylning av katoden uppnås med en water-cooling hållare runt katod basen. Det finns en ringformad kanal inuti hållaren. Det kalla vattnet sprutas in innehavaren från botten och flyter ut från toppen. I området i närheten finns det en ihålig katod-kontakten på vänster sida av katoden. Drivmedel rinner genom mitten av kontakten och in i ihåliga katod kammaren; i området i närheten finns det en stor hålighet inuti katod basen ansluter med nio smala cylindriska kanaler. Hålrummet fungerar som en buffert för att öka enhetligheten av drivmedel distributionen i nio kanaler. Katoden är ansluten till den elektriska kabeln med en ringformig koppar block, som installeras runt kopplingen katod.
Förutom att huvuddelen av bogpropellern är en extern magnetspolen också nödvändigt att skapa fält för mekanismer i den AF-MPD bogpropellern; magnetiska fält ger en konvergent-avvikande magnetfält för att påskynda plasma tillsammans med det elektriska fältet. Fältet spolen består av 288 vänd av cirkulär kopparrör, som fungerar som passagen för både elektrisk nuvarande och svalkande vatten. Den inre diametern av spolen är 150 mm, medan den yttre diametern är 500 mm. Den högsta fältstyrkan i mitten är 0,25 T med nuvarande 230 A.
Experiment-systemet
I experiment-systemet ingår sex delsystem. En schematisk bild av den övergripande utformningen av experimentella systemet visas i figur 2. layouten för bogpropellern inuti vakuumkammare visas i figur 3.
Först, vakuum systemet, som ger nödvändiga vakuum miljön för bogpropeller drift, består av en vakuumkammare, två mekaniska pumpar, en molekylära pumpen och fyra kryogen pumpar. Diameter på avdelningen är 3 m och längden är 5 m. Miljö trycket kan upprätthållas under 0,01 Pa när flödet klassar av (argon) drivmedel är inte mer än 40 mg/s.
Andra, denna källa system ger en hög spänning puls för att antända bogpropellern, ger ström för bogpropellern att påskynda plasma och ger kraft för magnetfältet spolen att upprätthålla det yttre magnetfältet. Power source systemet består av en antändningskälla för makt, en bogpropeller-strömkälla, en spole strömkälla och kablar. Tändningen strömkällan kan ge 8 kV eller 15 kV spänning urladdning. Bogpropeller strömkällan ger en likström upp till 1000 A. Spolen strömkällan ger en likström upp till 240 A.
För det tredje, drivgas försörjningssystemet feeds gas drivmedel för drivraketer. Systemet omfattar huvudsakligen källan gas, den ränta massflödesregulator och gas leverera rörledningar.
Fjärde sub systemet är det water-cooling systemet, som ger häftiga högtrycks vatten för att utbyta värme av bogpropeller, magnetspolen och strömkällor. I figur 4visas systemet består av pumpar grupp, vattentank, kylskåp, vattenförsörjning rörledningar och pumpar styrenheter. Oledande rören inuti vakuumkammare ger en svalkande vatten terminal för bogpropeller och magnetspolen, och säkerställer att elektrisk isolering mellan anoden och katoden marken.
Förvärv och styrsystem kan registrera de signaler som mäter bogpropeller drift villkor och kontroll driften av andra system. Den består av tre datorer och motsvarande programvara, förvärv datakort och kablar.
I figur 5visas mål dragkraft stativet består av plattan target, smal beam, deplacement sensor, stödramen, axiellt rörliga plattformen och radiellt rörliga plattformen. Målet kan avlyssna den plasma som driver målet. Förskjutningen av målet kan mätas genom en sensor som placeras bakom målet, på detta sätt som möjliggör utvärdering av dragkraft18.

<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

Tillämpas-fältet magnetoplasmadynamic drivraketer (AF-MPD bogpropellrar) är hybrid acceleratorer som elektromagnetisk och gas dynamiska processer accelerera plasma till hög hastighet; de har stor potential för framtida rymdtillämpningar med betydande fördelar av hög specifik impuls och dragkraft densitet. I detta papper presentera vi en serie av protokoll för utformning och tillverkning av en 100 kW klass av AF-MPD bogpropeller med vätskekylaggregat strukturer, en 130 V maximal ansvarsfrihet spänning, 800 A maximal ansvarsfrihet nuvarande och en 0,25 T maximal styrka av magnetfält. En ihålig tantal volfram katod fungerar som endast drivgas inloppet till hämma radiella ansvarsfrihet, och det är placerad axiellt baktill på anoden för att lindra anod svält. En cylindrisk divergerande koppar anod är anställd att minska anod power nedfall, där längden har minskat för att minska vägg-plasma anslutande området. Experiment utnyttjad vakuum system som kan uppnå en fungerande dammsugare 0,01 Pa för ett totalt drivmedel massflöde kurs lägre än 40 mg/s och ett mål dragkraft monter. Bogpropeller Testerna genomfördes att mäta effekterna av de arbetande parametrarna såsom drivmedel flöden, ansvarsfrihet nuvarande och styrkan i tillämpad magnetfält på prestanda och tillåta lämplig analys. Bogpropellern kunde bedrivas kontinuerligt under betydande tid med lite erosion på ihåliga katod ytan. Maximal effekt av bogpropellern är 100 kW och utförandet av detta vattenkylda konfiguration är jämförbar med det av raketmotorer som rapporterats i litteraturen.

I experimentet, vi kontrollerar ansvarsfrihet nuvarande (Id), drivgas mass flow rate(m) och tillämpas magnetfält (Ba). I drift, vi mäter värdet av spänning urladdning (Vd) och dragkraft (T), från som bas kan vi få andra prestanda parametrar som power (P), specifik impuls (Isp) och dragkraft verkningsgrad (η)1.
En typisk signal av spänning urladdning visas i figur 6. ...

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 detta protokoll är att införa utformningen av en 100 kW klass tillämpas-fältet magnetoplasmadynamic bogpropeller och relevanta experimentella metoder.

En 100 KW klass tillämpas-fältet Magnetoplasmadynamic bogpropeller

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

Målet med detta protokoll är att införa utformningen av en 100 kilowatt klass tillämpas-fältet magnetoplasmadynamic thruster och den relativa experimenterade metoden. Magnetoplasmadynamic propeller, det är MPD propeller, är en typisk elektrisk accelerator. Det är välkänt för hög specifik impuls och en hög propellerdensitet, och behandlas som primära kandidater för vår huvudsakliga framdrivning i våra framtida rymduppdrag med hög effekt.I den här artikeln kommer vi att introducera en design av en 100-kilowatt klass tillämpas-fältet MPD propeller, de nödvändiga experiment system för att hålla en relativ propeller experiment och åtgärden steg för att avsluta detta experiment. Propeller designar. Propellern består huvudsakligen av anod, katod och isolator.Anoden är tillverkad av koppar med ett cylinder divergerande munstycke, vars minsta innerdiameter är 60 millimeter. Katoden är byggd av tantal volfram med nio drivmedelskanaler, vars ytterdiameter är 16 millimeter. Det finns en ihålig katodkontakt på vänster sida.Drivmedlet flödar genom centralen av anslutningsdonet och når den ihåliga katoden. Det finns en stor hålighet inuti katodbasen som förbinder med nio cylindriska kanaler. Hålrummet fungerar som en buffert för att öka enhetligheten i drivmedelsfördelningen i nio kanaler.Katoden ansluts till den elektriska kabeln med ett ringformigt kopparblock, som installeras runt katodkontakten. Förutom huvuddelen av propellern är yttre magnetisk spole också nödvändig för arbetet med MPD-propeller. Spolen består av 288 varv cirkel kopparrör som fungerar som passage för både elektrisk ström och kylvatten.Spolens innerdiameter är 150 millimeter, medan den yttre diametern är 500 millimeter. Den högsta fältstyrkan i centralen är 0,25 telsa. Experiment system.Experimentsystemet ger nödvändiga förutsättningar för försöket, som huvudsakligen omfattar sex delsystem. För det första ger vakuumsystem den nödvändiga vakuummiljön för propellern. Och diametern på kammaren är tre meter, medan längden är två meter.Miljötrycket kan upprätthålla under 0,01 pascal. För det andra, kraftkälla system. Strömkälla systemet består av tändkraftkälla, propeller strömkälla, coil strömkälla och kablar.Tändeffektkällan kan ge åtta kilovolt eller 15 kilovolturspänning. Propellerkraftkällan ger en direktström upp till 1, 000 ampere. Spolens strömkälla ger en direktström upp till 240 ampere.Den tredje är drivmedel försörjningssystem, som matar gas drivmedel för raketmotorer. Detta system omfattar huvudsakligen gaskälla, kontrollant för massflödeshastighet och gasförsörjningsledningar. Den fjärde är vattenkylsystem, som ger högt tryck vatten för att utbyta extra värme i propellern, magnetisk spole och kraftkällor.Då är förvärv och styrsystem, som kan registrera signaler av thruster drift villkor och styra andra system. Den sista är mål dragkraft mätsystem, som kan användas för att mäta dragkraft. Mål thrust-stativet består huvudsakligen av plattmål, smal stråle, förskjutningssensor, stödram, axiell rörlig plattform och radiomovableraringsplattform.Plasman kan fångas upp av målet, och målet kommer att skjutas av plasman. Förskjutningen av målet kan mätas med sensorn placerad bakom målet. På det här sättet kan vi utvärdera drivkraften.Förberedelse för experiment. Installera propellern. Torka av komponenterna i propellern med alkohol i ett rent rum.Montera anoden med isolatorn. Sammanför katoden, katodhållaren och katodkontakten. Lägg till katoddelen i anoddelen.Installera mittenkontakten i assemblage och fixera dem med skruvar. Etablera spolsätet på experimentplattform med gaffeltruck. Placera experimentplattformen på styrskena i vakuumkammaren.Installera propellern på spolen. Länka anoden och katoden med motsvarande elkablar. Länka den magnetiska spolen med spolens strömkälla.Gå upp vattenkylningsrören och drivmedelsförstredningsröret med propeller. Gå upp vattenkylningsrören med spolen. Installera den rörliga plattformen inuti kammaren och fixera huvudkroppen av dragkraftsstativ på den.Justera positionen för den rörliga plattformen för att göra mittlinjen av propellern och målet medge med varandra. Sedan samarbetar vi med dragkraftsstället. För det första, ladda olika vikter på samarbetsenheten och registrera motsvarande utgång av dragkraftsstativ.Upprepa processen i minst tre gånger. Då kan vi beräkna dragkraftsstativs elastiska koefficient enligt kalibreringsdatan. Dammsuga vakuumkammaren.Stäng dörren till kammaren. Starta de mekaniska pumparna. Starta de molekylära pumparna när bakgrundstrycket i kammaren är lägre än fem pascal.Starta kryogenpumparna när bakgrundstrycket i kammaren är lägre än 0,05 pascal. Vänta tills trycket når 10 till kraften av minus fyra pascal. Tändning och dragkraftsmätningsexperiment.Vi måste förvärma propellern om propellern har utsatts för luften. Börja spela in signalen. Ställ in drivmedel massflödet på 40 milligram och hålla levererar i minst 20 minuter.Koppla på kylvattentillförseln. Ställ in arbetsfrekvensen för anod- och katodvattenkylningspumpar på 10 hertz. Flytta framstötstativ till positionen långt från propellern.Koppla på spolens strömkälla med spolströmmen på 90 ampere. Koppla på propellerkraftkällan med urladdningsströmmen på 240 ampere. Koppla på tändeffektkällan.Håll propellern fungerar i minst fem minuter. Stäng av propellerns strömkälla och drivmedelstillförsel. Stoppa omkodningen.Efter förvärmningen kan vi utföra dragkraftsmätningen. Flytta framstötstativ till läget 550 millimeter från propellern. Börja spela in signalen.Starta drivmedelstillförseln. Antända propellern med 90 ampere coil ström och 240 ampere urladdningsström. Öka spolströmmen till 90 ampere.Därefter öka urladdningsströmmen till 800 ampere. Öka sedan spolströmmen till 230 ampere. Stäng av propellern när utmatningen på framstötstativ blir stabil.Stoppa drivmedlet som levererar. Stoppa omkodningen. Representativa resultat.I experimenten styr vi urladdningsström, drivmedelsmassflödeshastighet och tillämpat magnetfält. Sedan mäter vi värdet av utsläppsspänning och dragkraft baserat på vilken vi kan få andra prestandaparameter som effekt, specifik impuls och dragkraft effektivitet. En typisk signal av urladdningsspänning visas i denna figur.Efter att ha vänt på strömkällan kommer en högspänning att användas på propellern för att bryta ner det neutrala drivmedlet. Efter tändningen, spänningen trender till ett konstant värde och i princip håller konstant. Då kan vi säga att tändningen är lyckad.Ett typiskt resultat för dragkraftmätning visas i denna figur. Vi börjar registrera signalen av propellerstativet innan drivmedelstillförseln, som behandlas som en noll dragkraftspunkt. Det kommer att finnas en liten dragkraft efter att ha levererat drivmedlet.Efter tändningen blir det en stor svängning. Då dragkraft tenderar att en stadig värde. Det kommer att finnas en nolldrift på grund av den termiska deformationen av målet, vars värde är 50 millinewton.Felet som orsakas av avdriften är inte mer än 1%Siffran visar urladdningsegenskaperna under halvtimmes continue work. Vi confund att propellern trender till steady state snabbt efter antändning, och spänningen är mycket stabil under denna period. Denna figur visar utseende förändringar av tantal volfram ihåliga katod före och efter experiment.Den totala experimenttiden är mer än 10 timmar. Vi kan hitta en liten erosion som fördelar sig jämnt på katodens yttre yta, vilket innebär att propellern har potential att fungera under mycket längre tid än 10 timmar. Efter det fortsatta arbetstestet utforskade vi propellerns prestanda i effektområdet 50 till 100 kilowatt.Den bästa prestanda erhålls på 99,5 kilowatt medan dragkraft är 3, 052 millinewton. Specifik impuls är 4, 359 sekunder, och dragkraftseffektivitet är 67%Det är anmärkningsvärt att när propellern når bästa prestanda är bakgrundstrycket 0,2 pascal. Uppmätt prestanda kan vara högre än det faktiska värdet på grund av påverkan av högt tryck.Testaren är gjord av tantal volfram och det visar driftmotståndet. Gaseffekten är 100 kilowatt med en dragkraft på 3, 050 millinewton, den specifika impulsen på 4, 300 sekunder, och 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

Syntes av fasförskjutning nanoemulsioner med smala storleksfördelningar för akustiska Droplet förångning och Bubble-förstärkt ultraljud-medierad Ablation

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

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

Flame Experiment vid Advanced Light Source: Nya insikter om sotbildning Processer

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 och proteinkonforma Dynamics i Känsliga Proteiner från Time-löst Step-scan Fourier-transform infraröd 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 Microscopy av Red-Light Fotoreceptorer Använda PeakForce Kvantitativ Nanomechanical Property Mapping

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

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

Energi röntgen Tomography för 3D Elemental Kartläggning av enskilda nanopartiklar

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

Upptäckt och Återvinning av palladium, guld och kobolt Metals från Urban Mine Använda Nya Sensorer / Adsorbents Utsedda med Nanoscale Wagon-hjulformade 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

Avancerade Experimentella metoder för låg temperatur Magnetotransport Mätning av nya material

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

Magnetiskt Induced Roterande Rayleigh-Taylor Instabilitet

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 apparat som används för bildandet 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 ...