Un 100 KW classe campo applicato Magnetoplasmadynamic Thruster

Summary

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

Abstract

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.

Introduction

I propulsori MPD sono ben noti per una densità di Spinta relativamente elevata e un elevato impulso specifico^1,2,3. Tuttavia, la Spinta tipica efficienza¹ di propulsori MPD è relativamente basso, soprattutto con propellenti di gas nobili^4,5,6. 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 catodo^7,8 , 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 deposizione^10,11. Come viene applicato un anodo divergente, ciò diminuirà l’angolo tra l’anodo e le linee del campo magnetico e diminuire anodo potenza deposizione ulteriori^12,13.

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 di^15,16,17.

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.

Protocol

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

Representative Results

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 …

Discussion

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…

Materials

Cryogenic Pumps	Brooks Automation		Pumping speed: 10000L/s
Displacement Sensor	Panasonic	HG-C1030	Repetition precision: 10μm Linearity: ±0.1% F.S.
Mass Flow Rate Controller	Brooks Automation		Range: 0-120mg/s
Molecular Pump	Oerlikon		Pumping speed: 2100L/s
Moveable Plantform	Beijing Weina Guangke Automation equipment Co., Ltd.		Range:0-2000mm
Plsatic Water Pipes	Xingye Xingye fluoroplastics (Jiaxing) Co., Ltd.		Ultimate pressure: 4.5MPa
Propellant Argon	Beijing Huanyu Hinghui Gas Technology Co., Ltd.		Purity:99.999%
Refrigerator	Beijing Jiuzhou Tongcheng Technology Co., Ltd.		Refrigeration power:45kW
Water Pumps	Liaocheng vanguard Motor Co., Ltd.; Shanghai people pump industry group Manufacturing Co., Ltd.; Nanfang Pump Limited company		Maximum Output pressure: Centrifugal pump:1MPa Plunger pump:10MPa