一个100千瓦级的应用场磁等离子体动力学推进器
Summary
该协议的目的是介绍一种100千瓦级应用场磁流体动力推进器的设计及相关的实验方法。
Abstract
应用场磁流体动力推进器 (af-mpd 推进器) 是一种混合加速器, 其中电磁和气体动态过程将等离子体加速到高速;它们具有较高的比脉冲和推力密度的显著优势, 对未来的空间应用具有相当大的潜力。本文提出了设计和制造具有水冷结构的100千瓦级 af-mpd 推进器、130 v 最大放电电压、最大放电电流 800 a 和磁场最大强度 0.25 t 的一系列协议。一种空心钽钨阴极作为唯一的推进剂入口, 以抑制径向放电, 并将其轴向放置在阳极的后方, 以减轻阳极饥饿。采用圆柱形发散铜阳极来减小阳极功率沉积, 从而减小了阳极的长度, 减少了墙体-等离子体连接面积。实验采用了真空系统, 可实现 0.01 pa 的工作真空, 使总推进剂质量流量低于 40 mgs, 并实现目标推力支架。进行了推进器试验, 以测量推进剂流量、放电电流、应用磁场强度等工作参数对性能的影响, 并进行适当分析。推进器可以连续运行很长一段时间, 空心阴极表面几乎没有侵蚀。推进器的最大功率为 100千瓦, 这种水冷配置的性能与文献中报告的推进器相当。
Introduction
mpd 推进器以相对较高的推力密度和较高的比脉冲1,2,3而闻名。然而, mpd 推进器的典型推力效率 1相对较低, 特别是在惰性气体推进剂 4,5,6。对于大多数 mpd 推进器, 推进剂流量的一部分从阳极和阴极7, 8 之间的缝隙注入排放室, 结果是径向分量占总排放量的很大比例。然而, 为了产生推力, 径向动力学效应需要转换为轴向动力学运动与物理喷嘴或磁性喷嘴。因此, 新设计的 mpd 推进器的一个关键特征是所有推进剂都是通过阴极提供的, 它可以起到抑制径向放电的作用;这样, 轴向能量的比例就可以增加。还有一个额外的效果, 即在阳极周围的等离子体中的霍尔参数可以通过减少阳极周围的数字密度来增加, 从而加强霍尔加速度分量9。由于推进剂靠近阴极内部表面, 在这种注入模式下发射大量初始电子, 因此可以大大提高推进剂的电离速率。此外, 阳极长度最小化, 减少了壁极等离子体连接面积, 减少了阳极功率沉积10,11。当应用发散阳极时, 这将减小阳极与磁场线之间的角度, 进一步减小阳极功率沉积.
尽管上述优点是提高性能, 但阴极注入的完整推进剂供应会增加阳极饥饿的风险, 从而导致 “发病” 现象14。为了抑制这种行为, 我们将阴极收回到阳极的底部。然后, 电子可以在离开阳极出口之前在径向方向充分扩散, 这将起到缓解阳极饥饿的作用。此外, 还采用了多通道空心阴极;与单通道空心阴极相比, 多通道空心阴极可以增加电子发射面积, 使推进剂的分布更加均匀。通过这种修改, 推进器的寿命和稳定性都可以增加15、16、17.
推进器的设计功率为 100千瓦, 在稳态运行下需要一个冷却结构。在目前的实验室实验中, 采用了一种高效的水冷结构。然而, 要评估 mpd 推进器设计的性能, 获得推力至关重要。随着高压水系统的应用, 在这种冷却过程中会产生强烈的振动, 如果我们使用传统的推力测量, 会产生很大的干扰。因此, 采用目标推力支架来测量推力。
mpd 推进器
如图 1所示, mpd 推进器由阳极、阴极和绝缘体组成。阳极由具有圆柱形发散喷嘴的铜制成, 其最小内径为60毫米。阳极的内壁周围有一个 s 形的冷却通道。通道的入口和出口位于阳极的顶部, 由挡板隔开。采用细长铜块连接阳极和电缆。该结点位于阳极的外表面。
阴极材料是钽钨, 有九个推进剂通道。阴极的外径为16毫米。阴极的冷却是通过阴极基座周围的水冷支架实现的。支架内有一个环形通道。冷水从底部注入支架, 并从顶部流出。阴极左侧有一个空心阴极连接器。推进剂流经连接器的中心, 进入空心阴极室;阴极基座内有一个大空腔, 连接9个狭窄的圆柱形通道。空腔起到缓冲的作用, 以增加推进剂在九个通道中的分布的均匀性。阴极用环形铜块连接到电缆上, 该铜块安装在阴极连接器周围。
除了推进器的主体外, 还需要一个外部磁线圈来产生 af-mpd 推进器中的机构场;磁场提供了一个收敛发散磁场, 以加速等离子体与电场的结合。现场线圈由288圈圆形铜管组成, 既是电流通道, 也是冷却水通道。线圈的内径为150毫米, 外径为500毫米。中心的最高场强为 0.25 t, 电流为 230 a。
实验系统
实验系统包括六个子系统。实验系统总体布局的示意图如图 2所示;真空室内推进器的布局如图 3所示。
首先, 真空系统为推进器的运行提供了必要的真空环境, 由一个真空室、两个机械泵、一个分子泵和四个低温泵组成。室的直径为3米, 长度为5米。当 (氩) 推进剂的流速不超过 40 mgs 时, 环境压力可保持在 0.01 pa 以下。
其次, 该源系统提供高压脉冲来点燃推进器, 为推进器提供加速等离子体的功率, 并为磁场线圈提供维持外部磁场的动力。电源系统由点火电源、推进器电源、线圈电源和电缆组成。点火电源可提供8千伏或15千伏的放电电压。推进器电源提供高达 1000 a 的直流电。线圈电源提供高达 240 a 的直流电。
第三, 推进剂供应系统为推进器提供气体推进剂。该系统主要包括气源、质量流量控制器和供气管道。
第四个子系统是水冷系统, 它提供冷却的高压水, 以交换推进器、磁圈和电源的热量。如图 4所示, 该系统由泵组、水箱、冰箱、供水管道和泵控制器组成。真空室内的非导电管道为推进器和磁线圈提供冷却水终端, 并确保阳极、阴极和地面之间的电气绝缘。
采集控制系统可以记录其他系统的信号测量推进器运行条件和控制运行情况。它由三台计算机及相应的软件、数据采集卡和电缆组成。
如图 5所示, 目标推力支架由板目标、细梁、位移传感器、支撑架、轴向可移动平台和径向可移动平台组成。目标可以拦截推动目标的等离子体。目标的位移可以通过放置在目标后面的传感器来测量, 这样就可以对推力18 进行评估。
Protocol
Representative Results
Discussion
该协议描述了100千瓦级应用现场 mpd 推进器的点火、运行和推力测量过程。设计高性能 mpd 推进器的关键是根据特定目标选择合适的配置。具有收敛发散阳极的 mpd 推进器可以在较大的工作范围内发挥稳态作用。但是, 性能可能低于具有发散阳极的推进器。空心阴极, 特别是多通道空心阴极, 在大多数方面都优于传统的棒阴极。空心阴极的应用有利于提高推进器的性能, 为推进剂的供应模式提供了选?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了基础研究方案的支持 (没有。jcky2017601c)。我们感谢俄亥俄州立大学名誉教授托马斯·约克的帮助。
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 |
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