100 קילוואט שיעור חלה-שדה Magnetoplasmadynamic מנוע
Summary
המטרה של פרוטוקול זה היא להציג את העיצוב של 100 קילוואט שיעור חלה-שדה מנוע magnetoplasmadynamic ושיטות ניסיוני הרלוונטיים.
Abstract
מנועי magnetoplasmadynamic חלה-שדה (AF-MPD מדחפים) הם היברידית מאיצים בו אלקטרומגנטית ולהאיץ תהליכים דינאמיים גז פלסמה למהירות גבוהה; הם יש פוטנציאל ניכר ליישומי חלל עתידיות עם יתרונות משמעותיים של מתקף סגולי גבוה, דחף צפיפות. בנייר זה, אנו מציגים סדרת פרוטוקולים עבור עיצוב וייצור ברמה 100 קילוואט AF-MPD מנוע עם water-cooling מבנים, מתח הפריקה המקסימלי V 130, של 800 A הפריקה המקסימלי הנוכחי, 0.25 T חוזק מרבי של השדה המגנטי. קטודה טונגסטן טנטלום חלול מעשים כמו הים הטען רק כדי לעכב את הפרשות רדיאלי, ממוקם axially בחלקו האחורי של האנודה כדי להקל אנודת הרעבה. אנודת גלילי נחושת מתבדרת הוא מועסק כדי להקטין אנודת כוח התצהיר, איפה האורך הופחת ל להקטין אזור חיבור קיר-פלזמה. ניסויים מנוצל ואקום מערכת להשגת ואקום עבודה של 0.01 הרשות עבור זרימת מסה הטען הכולל קצב נמוך יותר 40 מ”ג/s ומטרה דחף לעמוד. מנוע הבדיקות בוצעו כדי למדוד את ההשפעה של הפרמטרים עבודה כגון זרימת הטען המחירים, השחרור הנוכחי, עוצמת שדה מגנטי על הביצועים ועל כדי לאפשר ניתוח המתאים. מנוע יכול להיות מופעל ברציפות לתקופה משמעותית עם שחיקה קטנה על פני קטודית חלול. הכוח המרבי של מנוע הוא 100 קילוואט, הביצועים של תצורה water-cooled זו משולה עם זו של המדחפים דיווחו בספרות.
Introduction
מדחפים MPD ידועים על צפיפות גבוהה יחסית דחף ו-2,1,3מתקף סגולי גבוה. אולם, יעילות דחף אופייני1 של המדחפים MPD היא נמוכה יחסית, במיוחד עם הודף של הגזים האצילים-4,–5,–6. עבור רוב מדחפים MPD, חלק זרימת הטען מוזרק לתוך החדר השחרור של חריץ בין אנודת ו קטודית7,8 , עם התוצאה כי רכיב רדיאלי הוא חלק ניכר השחרור הכולל. עם זאת, כדי ליצור דחף, אפקטים קינטי רדיאלי צריך להיות מומר תנועה קינטית צירית עם זרבובית פיזי או זרבובית מגנטי. בהתאם לכך, תכונה מרכזית של מנוע MPD העיצוב החדש הוא דלק כל מסופק באמצעות הקתודה, אשר יכול לשמש כדי לעכב שחרור רדיאלי; בדרך זו, ניתן להגדיל את הפרופורציה של אנרגיה צירית. יש אפקט הוסיף כי הפרמטר הול ב הפלזמה סביב האנודה יכול להיות מוגברת על ידי הירידה של צפיפות מספר סביב האנודה, אשר יכול לחזק את רכיב התאוצה9הול. מאז דלק הוא קרוב לפני השטח הפנימי של הקתודה איפה נפלטים כמויות גדולות של אלקטרונים הראשונית במצב זה של הזרקת, הקצב יינון הטען ניתן להגדיל באופן משמעותי. יתר על כן, אורך אנודת מוזער להקטין אזור חיבור קיר-פלזמה ולהפחית אנודת כוח התצהיר10,11. כמו אנודת מתבדרת מוחל, זה להקטין את הזווית בין אנודת קווי שדה מגנטי ולא להקטין אנודת כוח לעדות נוספת12,13.
למרות היתרונות שצוין לעיל כדי לשפר את הביצועים, אספקת הטען מלאה בזריקה קטודית עלול להגביר את הסיכון של הרעבה אנודת אשר עלולה לגרום לתופעות “התפרצות”14. לעכב התנהגות זו, אנו יש נסוגים הקתודה חזרה לבסיס של אנודת. האלקטרונים יכולים אז מפוזר מספיק בכיוון רדיאלי לפני שעזב את היציאה אנודת, אשר ישמש כדי להקל על הרעב אנודת. עוד, מאומץ על הקתודה חלול רב-ערוצי; לעומת הקתודה חלול ערוץ אחד, קטודית חלול רב-ערוצי באפשרותך להגדיל את שטח פליטת אלקטרון ולבצע את ההפצה של דלק אחיד. עם שינוי זה, כל החיים והן היציבות מנוע יכול להיות מוגבר15,16,17.
עוצמת מנוע מעוצב הוא 100 קילוואט ומבנה הקירור הכרחי עם פעולת מצב יציב. בניסויים במעבדה הנוכחי, מבנה water-cooling יעיל הוא מועסק. עם זאת, כדי להעריך את הביצועים של העיצוב מנוע MPD, חיוני כדי לקבל הדחף. עם היישום של מערכת מים בלחץ גבוה לשם העברת חום, יהיו רטט חזק במהלך פעולת קירור כזה, אשר ניתן ליצור הפרעה משמעותית אם השתמשנו מדידות דחף מסורתיים. בהתאם לכך, עמדה המטרה דחף הוא מועסק כדי למדוד את הדחף.
מנוע MPD
כפי שמוצג באיור1, מנוע MPD מורכב אנודת, קטודית, בידוד חשמלי. האנודה עשוי נחושת עם זרבובית מתבדרת גלילי, הקוטר הפנימי מינימום אשר הוא 60 מ מ. יש ערוץ קירור בצורת S ברחבי בדופן הפנימית האנודה. כניסת עודפים של הערוץ נמצאים בראש האנודה, אשר מופרדים על-ידי בתימהון. גוש נחושת רזה הוא מועסק כדי לחבר את אנודת וכבל חשמל. ג’אנקשן נמצאת על המשטח החיצוני של האנודה.
החומר קטודית הוא טונגסטן טנטלום, עם תשעה ערוצי הטען. הקוטר החיצוני של הקתודה הוא 16 מ מ. הקירור של הקתודה מושגת עם בעל water-cooling סביב הבסיס הקתודה. יש ערוץ בצורת טבעת בתוך למחזיק. המים הקרים מוזרק בעל התחתון, זורם החוצה מהחלק העליון. אין מחבר קטודית חלול בצד שמאל של הקתודה. דלק זורם דרך המרכז של המחבר אל החדר קטודית חלול; יש חור גדול בתוך הבסיס קטודית התחברות עם תשעה ערוצי גליל צר. החלל משמש מאגר כדי להגדיל את האחידות של ההתפלגות הטען ערוצים תשע. הקתודה מחובר הכבל החשמלי עם גוש נחושת טבעתי, אשר מותקן סביב המחבר הקתודה.
בנוסף הגוף העיקרי של מנוע, סליל מגנטי חיצוני הוא גם הצורך לייצר שדות עבור המנגנונים מנוע AF-MPD; שדות מגנטיים מספקות שדה מגנטי מתכנסת מתבדרת להאיץ הפלזמה את יחד עם השדה החשמלי. הגליל השדה מורכב פונה 288 מעגלית צינורות נחושת, אשר המעבר למים הנוכחי, קירור חשמלי שני. הקוטר הפנימי של הסליל נמצא 150 מ מ, בעוד הקוטר החיצוני הוא 500 מ מ. עוצמת השדה הגבוה במרכז הוא 0.25 T עם זרם של 230 א
מערכת הניסוי
מערכת הניסוי כולל שש מערכות משנה. תרשים סכמטי של הפריסה הכללית של מערכת ניסויית מוצג באיור 2; הפריסה של מנוע בתוך החדר ואקום מוצג באיור3.
ראשית, מערכת ואקום, אשר מספק את הסביבה ואקום הנחוצה עבור פעולת מנוע, מורכב תא ואקום אחת, שתי משאבות מכניות, משאבת מולקולרי אחד, ארבעה קריוגני משאבות. הקוטר של התא הוא 3 מ’, האורך 5 מ’. הלחץ הסביבה יכול להישמר תחת 0.01 הרשות כאשר קצב הזרימה של דלק (ארגון) הוא לא יותר מ-40 מ”ג/s.
שנית, מערכת זו מקור מספק דופק מתח גבוה כדי להצית את מנוע, מספק כוח עבור מנוע להאיץ הפלזמה, מספק כוח להוציא את השדה המגנטי הגליל לקיים את שדה מגנטי חיצוני. מערכת מקור הכוח מורכב מקור כוח הצתה, מקור כוח מנוע, מקור כוח סליל וכבלים. מקור הכוח ההצתה יכול לספק 8 kV או מתח פריקה kV 15. מקור הכוח מנוע מספק זרם ישיר עד 1000 א מקור הכוח סליל מספק זרם ישיר 240 א
שלישית, מערכת אספקת הטען הזנות גז דלק עבור מנועי. המערכת כוללת בעיקר את מקור גז, בקר קצב זרימת מסה של גז לספק צינורות.
מערכת המשנה הרביעית היא מערכת water-cooling, אשר מספק מים בלחץ גבוה לשם החלפת החום מנוע, סליל מגנטי, מקורות כוח. כפי שמוצג באיור4, המערכת מורכבת משאבות קבוצה, מיכל מים, מקרר, בקרי צינורות ומשאבות מים. הצינורות ללא ניצוח בתוך החדר ואקום לספק קירור מים מסוף כדי להפוך את מנוע סליל מגנטי, ומבטיחה את בידוד חשמלי בין האנודה הקתודה, הקרקע.
רכישת ומערכת הבקרה ניתן להקליט את האותות מדידת מנוע תנאי המבצע פעולת השליטה של מערכות אחרות. הוא מורכב של שלושה מחשבים המתאימים, כרטיס רכישה הנתונים והתוכנה כבלים.
כמוצג באיור5, דוכן היעד דחף מורכב המטרה צלחת, הקרן ורזה, חיישן תזוזה, מסגרת תמיכה, פלטפורמה ניד צירית, פלטפורמה ניד רדיאלי. המטרה לקלוט פלזמה אשר דוחף את המטרה. העקירה של היעד נמדד על ידי חיישן ממוקמים מאחורי המטרה, בדרך זו מאפשר הערכה של דחף18.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מתאר את התהליכים של הצתה, הפעולה ואת דחף מדידה של שדה שיעור חלה kW 100 MPD מנוע. נקודת המפתח בעיצוב של מנוע MPD עבור ביצועים מיטביים היא בחירת התצורה הנכונה על פי המטרה ספציפיים. מדחפים MPD עם אנודת מתכנסת מתבדרת יכול לתפקד מצב יציב בטווח מבצע גדול. עם זאת, הביצועים עשוי להיות נמוך יותר ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על-ידי התוכנית מחקר בסיסי (מס ‘ JCKY2017601C). אנחנו מעריכים את העזרה של תומאס מ יורק, פרופסור אמריטוס באוניברסיטת אוהיו.
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 |
References
- Kodys, A., Choueiri, E. A Critical Review of the State-of-the-Art in the Performance of Applied-field Magnetoplasmadynamic Thrusters. , (2005).
- Arakawa, Y., et al. Electromagnetic Effects in an Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster. Journal of Propulsion & Power. 8 (1), 98-102 (1992).
- Myers, R., Lapointe, M., Mantenieks, M. MPD thruster Technology. , (1991).
- Myers, R. Applied-field MPD thruster performance with hydrogen and argon propellants. Journal of Propulsion & Power. 9 (5), 781-784 (1993).
- Albertoni, R., Rossetti, P., Paganucci, F., Andrenucci, M. Experimental Study of a 100-kW class Applied-Field MPD Thruster. , (2011).
- Lapointe, M., Strzempkowski, E., Pencil, E. High Power MPD Thruster Performance Measurements. , (2004).
- Tahara, H., Kagaya, Y., Yoshikawa, T. Performance and Acceleration Process of Quasisteady Magnetoplasmadynamic Arcjets with Applied Magnetic Fields. Journal of Propulsion and Power. 13 (5), 651-658 (1997).
- Tahara, H., Kagaya, K., Yoshikawai, T. Effects of Applied Magnetic Fields on Performance of a Quasisteady Magnetoplasmadynamic Arc. Journal of Propulsion and Power. 11 (2), 337-342 (1995).
- Li, Z., et al. Increasing the Effective Voltage in Applied-Field MPD Thrusters. Journal of Physics D Applied Physics. 51, 085201 (2018).
- Myers, R., Mantenieks, M., Sovey, J. Geometric Effects in Applied-field MPD Thrusters. , (1990).
- Myers, R. Geometric Scaling of Applied-Field Magnetoplasmadynamic Thrusters. Journal of Propulsion and Power. 11 (2), 343-350 (1995).
- Mikelides, P. Applied-Field Magnetoplasmadynamic Thrusters, Part 2: Analytic Expressions for Thrust and Voltage. Journal of Propulsion and Power. 16 (5), 894-901 (2000).
- Nakata, D., et al. Experimental Study for the Optimal Electrode Geometry in an MPD Thruster. , (2007).
- Kurtz, H., Auweter-Kurtz, M., Merke, W., Schrade, H. Experimental MPD thruster investigations. , (1987).
- Blackstock, A. W., et al. Experiments Using a 25-kW Hollow Cathode Lithium Vapor MPD Arcjet. AIAA Journal. 8 (5), 886-894 (1970).
- Krulle, G. Characteristics and local analysis of MPD thruster operation. , (1967).
- Malliaris, A. C., Libby, D. R. Velocities of Neutral and Ionic Species in a MPD Flow. , (1969).
- Wang, B., et al. Target thrust measurement for applied-field magnetoplasmadynamic thruster. Measurement Science & Technology. 29, 075302 (2018).
- Tikhonov, V. B., Semenikhin, S. A., Brophy, J. R., Polk, J. E. . The Experimental Performance of the 100-kW Li MPDT with External Magnetic. , (1995).
- Burkhart, J. A., et al. . Low environmental pressure MPD arc tests. , (1967).
- Boxberger, A., Jüstel, P., Herdrich, G. Performance of 100 kW Steady State Applied-Field MPD Thruster. , (2017).
- Malliaris, A. C., et al. Performance of Quasi-Steady MPD Thrusters at High Powers. AIAA Journal. 10 (2), 121-122 (1972).
- Knudsen, B. M. . The Kinetic Theory of Gases (London:Methuen). , 26-27 (1950).
- Auweter-Kurtz, M., Krulle, G., Kurtz, H. The Investigation of Applied-Field MPD Thrusters on the International Space Station. , (1997).
- Connolly, D., Sovie, R. Effect of background pressure on magnetoplasmadynamic thruster operation. Journal of Spacecraft and Rockets. 7 (3), 255-258 (1970).
- Esker, D., Kroutil, J., Sedrick, A. . Cathode Studies of a Radiation Cooled MPD Arc Thruster. , (1970).
- Myers, R. Plume characteristics of MPD thrusters – A preliminary examination. , (1989).
