Een 100 KW klasse toegepast-veld Magnetoplasmadynamic boegschroef

Summary

Het doel van dit protocol is om het ontwerp van een 100 kW klasse toegepast-veld magnetoplasmadynamic boegschroef en relevante experimentele methoden.

Abstract

Toegepast-veld magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) zijn hybride Versnellers in die elektromagnetische en gas dynamische processen versnellen plasma voor weetje vaart; ze hebben aanzienlijke mogelijkheden voor toekomstige ruimte-toepassingen met de aanzienlijke voordelen van hoge specifieke stoot en stuwkracht dichtheid. In deze paper presenteren we een reeks van protocollen voor het ontwerpen en vervaardigen van een 100 kW-klasse van AF-MPD boegschroef met water koeling structuren, een 130 V maximale kwijting spanning, een 800 A maximale lozing huidige en een 0,25 T maximale sterkte van het magnetisch veld. Een holle tantaal wolfraam kathode fungeert als de alleen drijfgas inlaat voor de remming van de radiale kwijting, en het is axiaal gepositioneerd aan de achterzijde van de anode ter verlichting van de anode honger. Een cilindrische uiteenlopende koperen anode is aangewend om te verkleinen anode macht depositie, waar de lengte is teruggebracht tot het verlagen van de aansluitende muur-plasma-gebied. Experimenten gebruikt een vacuüm systeem dat een werkende vacuüm van 0,01 kan bereiken Pa voor een totale drijfgas massastroom stem lager dan 40 mg/s en een doel stuwkracht stand. De Boegschroef tests werden uitgevoerd voor het meten van de effecten van de werkende parameters zoals drijfgas debiet, de huidige kwijting en de sterkte van toegepaste magnetisch veld op de prestaties en kunnen de juiste analyse. De Boegschroef kan continu worden bediend voor belangrijke perioden met weinig erosie op het oppervlak van de holle kathode. Het maximumvermogen van de Boegschroef is 100 kW en de prestaties van deze watergekoelde configuratie is vergelijkbaar met die van de stuwraketten gemeld in de literatuur.

Introduction

MPD stuwraketten staan bekend om een stuwkracht van de relatief hoge dichtheid en een hoge specifieke stoot^1,2,3. De typische stuwkracht efficiëntie¹ van MPD stuwraketten is echter relatief laag is, vooral met drijfgassen van edelgassen^4,5,6. Voor de meeste MPD thrusters, wordt een deel van de drijfgas stroom geïnjecteerd in de zaal van de geen kwijting van een spleet tussen de anode en kathode^7,8 , met als gevolg dat een radiale component een aanzienlijk deel van de totale kwijting is. Om de stuwkracht te genereren, moeten radiale kinetische effecten echter worden omgezet in axiale kinetische beweging met een fysieke mondstuk of een magnetische mondstuk. Dienovereenkomstig, is een belangrijk kenmerk van de nieuwe ontwerp MPD boegschroef dat alle drijfgas is verstrekt door de kathode, die optreden kan voor de remming van de radiale aanzuivering worden overgebracht; op deze manier kan het aandeel van axiale energie worden verhoogd. Er is een toegevoegd effect dat de parameter Hall in het plasma rond de anode kan worden verhoogd door de daling van het aantal dichtheid rond de anode, die de hal versnelling component⁹kan versterken. Omdat de voortbeweging dicht bij de binnenzijde van de kathode waar grote hoeveelheden eerste elektronen in deze modus van injectie worden uitgestoten, kan het drijfgas ionisatie tarief sterk worden verhoogd. Bovendien is de lengte van de anode geminimaliseerd verlagen de aansluitende muur-plasma-gebied en het verminderen van de anode macht afzetting^10,11. Zoals een uiteenlopende anode wordt toegepast, zal dit dalen van de hoek tussen de anode en de magnetische veldlijnen en afnemen van de anode macht depositie verdere^12,13.

Ondanks de voordelen die hierboven om prestaties te verbeteren, kan volledige drijfgas levering door kathode injectie verhogen het risico van de anode honger die in “begin” verschijnselen^{14 resulteren kan}. Om dit probleem te remmen, hebben we de kathode terug naar de basis van anode ingetrokken. De elektronen kunnen vervolgens voldoende diffuus in de radiale richting vóór het verlaten van de afrit van de anode, die fungeren zal voor het verlichten van de anode honger. Verder is een meerkanaals holle kathode aangenomen; vergeleken met de holle kathode van één kanaal, kan een meerkanaals holle kathode het elektron emissie areaal vergroten en de verdeling van de voortbeweging uniformere leveren. Met deze wijziging kunnen zowel de levensduur en de stabiliteit van de Boegschroef verhoogde^15,16,17.

De ontworpen kracht van de Boegschroef is 100 kW en een koeling structuur is nodig met steady-state operatie. In de huidige laboratoriumexperimenten, is een efficiënte Waterkoeling structuur werkzaam. Om te beoordelen van de prestaties van de MPD boegschroef ontwerp, is het echter essentieel zijn voor het verkrijgen van de strekking. Met de toepassing van een hogedruk watersysteem op warmte, zal er sterke trillingen tijdens het gebruik van dergelijke koeling, die belangrijke interferentie creëren kan als wij de stuwkracht van de traditionele metingen gebruikt. Dienovereenkomstig, een doel stuwkracht stand wordt gebruikt voor het meten van de strekking.

MPD boegschroef

Zoals aangegeven in Figuur 1, bestaat de MPD-boegschroef van anode, de kathode en de isolator. De anode is gemaakt van koper met een cilindrische uiteenlopende mondstuk, de minimale binnendiameter waarvan 60 mm is. Er is een S-vormige koeling kanaal rond de binnenwand van de anode. De inlaat en de uitlaat van het kanaal zijn op de bovenkant van de anode, die worden gescheiden door een klankbord. Een slanke koper blok wordt gebruikt om verbinding te maken met de anode en de elektrische kabel. De kruising is aan de buitenkant van de anode.

Het materiaal van de kathode is tantaal wolfraam, met negen drijfgas kanalen. De buitendiameter van de kathode is 16 mm. Het koelen van de kathode wordt bereikt met een waterkoeling houder rond de kathode-basis. Er is een ringvormig kanaal in de houder. Het koude water wordt geïnjecteerd in de houder van de bodem en stroomt uit vanaf de bovenkant. Er is een holle kathode-connector aan de linkerkant van de kathode. De voortbeweging stroomt door het centrum van de verbindingslijn en in de holle kathode vergaderzaal; Er is een grote holte binnen de kathode base verbinden met negen smalle cilindervormige kanalen. De holte fungeert als een buffer te verhogen van de uniformiteit van de drijfgas verdeling in negen kanalen. De kathode is aangesloten op de elektrische kabel met een ringvormige koper blok, die rond de kathode-connector is geïnstalleerd.

Naast de hoofdtekst van de Boegschroef is een externe magnetische spoel ook nodig om te velden voor de mechanismen te genereren in de AF-MPD boegschroef; magnetische velden bieden een convergente-uiteenlopende magnetisch veld om te versnellen het plasma samen met het elektrisch veld. Het veld coil bestaat uit 288 bochten van circulaire koperen buizen, die als de doorgang voor zowel elektrische huidige en koeling water fungeren. De binnendiameter van de spoel is 150 mm, terwijl de buitendiameter 500 mm is. De hoogste veldsterkte in het midden is 0,25 T met stroom van 230 A.

Experiment systeem

Het experiment systeem bevat zes subsystemen. Het schema van de algehele indeling van het experimentele systeem is afgebeeld in Figuur 2; de indeling van de Boegschroef binnen de Vacuuemcel is afgebeeld in Figuur 3.

Ten eerste bestaat het vacuüm systeem, dat de nodige vacuüm omgeving voor de werking van de Boegschroef biedt, uit een vacuuemcel, twee mechanische pompen, een moleculaire pomp en vier cryogene pompen. De diameter van de kamer is 3 meter en de lengte is 5 m. De druk van de omgeving kan worden gehandhaafd onder 0.01 Pa wanneer het debiet van (argon) drijfgas niet meer dan 40 mg/s is.

Ten tweede, deze bronsysteem biedt een hoog voltage puls te ontsteken de Boegschroef, levert stroom voor de Boegschroef voor het versnellen van het plasma, en levert stroom voor de spoel magnetisch veld te houden van het externe magnetisch veld. De voedingsbron systeem bestaat uit een ontstekingsbron voor macht, een voedingsbron boegschroef, een voedingsbron spoel en kabels. De krachtbron van de ontsteking kan bieden 8 kV of 15 kV geen kwijting spanning. De krachtbron van de Boegschroef biedt een gelijkstroom tot 1000 A. De krachtbron van de spoel biedt een gelijkstroom tot 240 A.

Ten derde, het drijfgas levering systeem feeds gas drijfgas voor thrusters. Het systeem omvat voornamelijk de gas-bron, de massastroom tarief controller en gas leveren pijpleidingen.

De vierde sub-systeem is de waterkoeling systeem, waarmee cool hogedruk water om te wisselen van de hitte van de Boegschroef, magnetische spoel en voedingsbronnen. Zoals blijkt uit Figuur 4, bestaat het systeem uit pompen groep, watertank, koelkast, watervoorziening pijpleidingen en pompen controllers. De niet-geleidend buizen binnen de Vacuuemcel bieden een koeling water terminal voor de boegschroef en magnetische spoel, en zorgt ervoor dat elektrische isolatie tussen de anode, de kathode en de grond.

De verwerving en het controlesysteem kunnen opnemen de signalen meten boegschroef bediening voorwaarden en controle werking van andere systemen. Het is samengesteld uit drie computers en bijbehorende software, data-acquisitie kaart en kabels.

Zoals afgebeeld in Figuur 5, bestaat de doelgroep stuwkracht stand uit plaat doelgroep, slanke lichtbundel, verplaatsing sensor, hulpframe, axiale beweegbaar platform en radiale beweegbaar platform. Het doel kan onderscheppen de plasma die het doel duwt. De verplaatsing van de doelstelling kan worden gemeten door een sensor geplaatst achter het doel, op deze manier inschakelen van evaluatie van de stuwkracht¹⁸.

Protocol

1. Voorbereiding voor experiment Installeren van de Boegschroef. Veeg de componenten van de Boegschroef voorzien van tag metnon-stof, gedrenkte doek met watervrij alcohol, in een schone kamer. Monteer de anode met de isolatie. Het samenbrengen van de kathode, de kathode houder en de aansluiting van de kathode. Voeg het deel van de kathode naar de anode deel. De middelste aansluiting in de assemblage installeren en corrigeren met schroeven (hoofd van d…

Representative Results

In het experiment, we geen kwijting huidige (Id) onder controle en drijfgas massa stromen rate(m) magnetisch veld (Ba) toegepast. In werking, we meten van de waarde van geen kwijting spanning (Vd) en stuwkracht (T), van welke base kunnen we andere prestatie parameters als vermogen (P), specifieke stoot (Isp) en stuwkracht van efficiëntie (η)1. Een typische signaal van geen kwijting spanning wordt getoon…

Discussion

Dit protocol beschrijft de processen van ontsteking, bewerking en stuwkracht meting van een boegschroef 100 kW klasse toegepast veld MPD. Het belangrijkste punt in het ontwerpen van een MPD-boegschroef voor optimale prestaties is het kiezen van de juiste configuratie volgens de specifieke doelstelling. MPD thrusters met convergente-uiteenlopende anode kunnen functioneren steady-state in een groot werkbereik. De prestaties kan echter lager is dan de Boegschroef met uiteenlopende anode. De holle kathode, met name de multic…

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