100 KW sınıf uygulanan alan Magnetoplasmadynamic pervane
Summary
Bu protokol bir 100 tasarımını tanıtmak için hedeftir kW sınıf uygulanan alan magnetoplasmadynamic pervane ve ilgili deneysel yöntemleri.
Abstract
Uygulanan alan magnetoplasmadynamic (AF-MPD iticileri) hibrid gaz pedalı içinde hangi elektromanyetik iticiler ve gaz dinamik süreçler plazma için yüksek hız hızlandırmak; Onlar yüksek özel dürtü önemli avantajları ile gelecekteki uzay uygulamaları için önemli bir potansiyel var ve yoğunluk itme. Bu yazıda, tasarlama ve yapıları, 130 V en fazla deşarj gerilim, 800 A maksimum basma geçerli ve bir 0,25 T en güçlü manyetik alan yüzgeçlerini ile AF-MPD itici bir 100 kW sınıf üretim için kullanılan protokol bir dizi mevcut. İçi boş Tantal tungsten katot radyal deşarj etkisizleştirmek için sadece yakıt giriş davranır ve bu eksenel anot arkatarafında anot açlık rahatlatmak için yerleştirilir. Silindirik ıraksak Bakır anot anot güç biriktirme, nerede uzunluğu duvar-plazma bağlantı alanı azaltmak için azaltılmış azaltmak için istihdam edilmektedir. Deneylerde kullanılan bir vakum bir çalışma vakum 0.01 elde edebilirsiniz sistem Pa bir toplam yakıt kitle akış oranı 40 mg daha düşük/s ve bir hedef itme stand. Pervane testler uygun analiz izin veren ve performans yakıt akış oranları, basma geçerli ve uygulanan manyetik alan gücü gibi çalışma parametreleri etkilerini ölçmek için yapılmıştır. Pervane sürekli oyuk katot yüzeyinde küçük erozyon ile önemli bir süre için ameliyat. 100 en büyük itici güçtür kW ve bu su soğutmalı yapılandırmasının performansını bu literatürde bildirilen iticileri ile karşılaştırılabilir.
Introduction
MPD iticiler bir nispeten yüksek itme yoğunluğu ve yüksek özel dürtü1,2,3için bilinen. Ancak, MPD iticileri tipik itme verimliliği1 göreceli olarak düşük, özellikle İtici motorları noble gazlar4,5,6ile biridir. Çoğu MPD motorlar için yakıt akışının bir parçası bir yarık anot ve katot7,8 , radyal bir bileşen toplam deşarj önemli bir bölümünü sonuç ile arasında deşarj odasından içine enjekte edilir. Ancak, itme oluşturmak için radyal kinetik etkileri fiziksel bir meme veya manyetik bir meme ile Aksiyel kinetik hareket halinde dönüştürülmesi gerekir. Buna göre bir ana yeni tasarım MPD pervane bütün itici radyal deşarj etkisizleştirmek için hareket edebilir katot sağlanan özelliğidir; Bu şekilde, eksenel enerji oranı artabilir. Plazma anot etrafında Hall parametresinde Hall ivme bileşen9güçlendirebilir anot çevresinde sayı yoğunluğu azaltmak tarafından artırılabilir o eklenen bir etkisi vardır. İtici nerede ilk elektron büyük miktarlarda enjeksiyon Bu modda yayılan katot iç yüzeyine yakın olduğundan, itici iyonlaşma oranı büyük ölçüde artırılabilir. Ayrıca, anot uzunluğu duvar-plazma bağlantı alanı azaltmak ve anot güç ifade10,11azaltmak için minimize. Farklı bir anot uygulandığı gibi bu anot ve manyetik alan çizgileri arasındaki açı azaltmak ve anot güç ifade daha fazla12,13azaltmak.
Performansı artırmak için yukarıda belirtilen avantajları rağmen katot enjeksiyonla tam yakıt kaynağı “başlangıcı” olayları14‘ te oluşabilir anot açlık riski artırabilir. Bu davranışı engellemek için katot anot üsse geri çekildi. Elektron sonra yeterince anot açlık azaltmak için hareket edecek anot çıkış ayrılmadan önce radyal yönde yaygın. Ayrıca, çok kanallı bir oyuk katot benimsenmiştir; tek kanal içi boş katot için karşılaştırıldığında, çok kanallı bir oyuk katot elektron emisyon alan artırmak ve itici dağıtımını daha düzgün hale getirebilirsiniz. Bu değişiklik ile ömür boyu ve pervane kararlılığını artan15,16,17olabilir.
100 tasarlanmış itici güçtür kW ve soğutma bir yapı ile kararlı duruma işlemi gereklidir. Mevcut laboratuvar deneylerinde verimli bir gereksinimi yapısı istihdam edilmektedir. Ancak, MPD pervane tasarım performansını değerlendirmek için itme elde etmek için önemlidir. Isı transferi uygulanması için yüksek basınçlı su sistemi ile hangi-ebilmek yaratmak önemli etkileşim geleneksel itme ölçümleri kullandıysanız böyle soğutma işlemi sırasında güçlü titreşim olacak. Buna göre bir itme hedef stand itme ölçmek için istihdam edilmektedir.
MPD pervane
Şekil 1‘ de gösterildiği gibi MPD pervane anot, katot ve yalıtkan oluşur. Anot bakır hangi en az iç çapı 60 mm olan silindirik bir ıraksak meme ile yapılır. Anot iç duvar civarında S şeklinde bir soğutma kanalı vardır. Giriş ve çıkış kanal anot üst kısmında bir bölme ile ayrılmış bulunmaktadır. Bir ince bakır blok anot ve elektrik kablo bağlamak için istihdam edilmektedir. Kavşak anot dış yüzeyi üzerinde yer alır.
Tantal akkor lamba ışığı, dokuz yakıt kanalları katot malzemedir. Katot dış çapı 16 mm olduğunu. Soğutma Katot katot tabanı etrafında bir gereksinimi sahibi ile elde edilir. Bir halka şeklinde kanal sahibi içinde vardır. Soğuk su alt ve üstten dışarı akışı sahibinden içine enjekte edilir. Katot sol tarafında bir oyuk katot bağlayıcı vardır. Merkezi bağlantılarının ve oyuk katot odasına yakıt akıyor; Dokuz Dar silindirik kanal ile bağlanma katot Üssün içinden büyük bir boşluk vardır. Kavite dokuz kanalları yakıt dağıtım tekdüzelik artırmak için bir tampon görevi görür. Katot katot bağlayıcı yüklü bir annüler bakır blok, Elektrik kablosuyla bağlanır.
Pervane ana gövdesini ek olarak, harici bir manyetik bobin da AF-MPD pervane mekanizmaları için alanları oluşturmak gereklidir; manyetik alanları ile birlikte elektrik alanı plazma hızlandırmak için farklı yakınsak bir manyetik alan sağlar. 288 turnike geçiş için her iki elektrik mevcut ve soğutma suyu olarak hareket dairesel bakır boru alan bobin oluşur. Dış çapı 500 mm iç çap bobin 150 mm iken. Ortasındaki en yüksek alan şiddeti 0,25 T ile 230 A. mevcut olduğunu
Deney sistemi
Deney sistemi altı alt sistemleri içerir. Deneysel sistemin genel düzenini Şematik diyagramı Şekil 2‘ de gösterilen; vakum odası içinde pervane yerleşimini Şekil 3‘ te gösterilmiştir.
İlk olarak, bir vakum odası, iki mekanik pompa, bir moleküler pompa ve dört kriyojenik pompalar pervane operasyon için gerekli vakum ortamı sağlar, vakum sistemi oluşur. Odası çapı 3 m ve 5 m uzunluğundadır. Ortam basıncı 0,01 altında tutulabilir (argon) barut akış hızı en fazla 40 mg/s olduğunda Pa.
İkinci olarak, bu kaynak sistem roket tutuşturmak için bir yüksek gerilim darbe için plazma hızlandırmak itici güç sağlar ve dış manyetik alan sürdürebilmek manyetik alan bobin için güç sağlar sağlar. Güç kaynağı sistemi bir ateşleme güç kaynağı, bir itici güç kaynağı, bir bobin güç kaynağı ve kabloları oluşur. Ateşleme güç kaynağı 8 sağlayabilir kV veya 15 kV deşarj gerilim. Bir akım kadar 1000 A. itici güç kaynağı sağlar Bobin güç kaynağı bir akım ilâ 240 A. sağlar.
Üçüncü olarak, yakıt besleme sistemi gaz itici roketler için beslenir. Sistem esas olarak gaz kaynak içerir, kütle akış hızı denetleyicisi ve gaz boru hatları kaynağı.
Dördüncü alt sistemi serin yüksek basınçlı su itici, manyetik bobin ve güç kaynakları ısı alışverişi sağlar gereksinimi sistemidir. Şekil 4‘ te gösterildiği gibi sistem pompa grubu, su deposu, buzdolabı, su boru hatları ve pompa kumandası oluşur. Vakum odası içinde olmayan iletken borular soğutma su terminal pervane ve manyetik bobin için sağlamak ve anot, katot ve zemin arasında o elektrikli yalıtım sağlar.
Satın alma ve kontrol sistemi pervane operasyon koşulları ve denetim diğer sistemlerin ölçme sinyalleri kaydedebilirsiniz. Üç bilgisayar ve ilgili yazılım, veri alma kartı ve kabloları oluşur.
Şekil 5‘ te gösterildiği gibi itme hedef stand plaka hedef, ince ışın, deplasman sensör, destek çerçeve, eksenel hareket ettirilebilir platformu ve radyal hareketli platform oluşur. Hedef hedef iter plazma geçirebilir. Hedef deplasman itme18değerlendirilmesi olanaklı kılmak bu şekilde hedef arkasına yerleştirilen bir sensör tarafından ölçülebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu iletişim kuralı ateşleme, işlem ve 100 kW uygulanan sınıf alan MPD roket itici bir itme ölçümü işlemlerini açıklar. En iyi performans için bir MPD pervane tasarımında önemli nokta belirli amaç göre doğru yapılandırma seçmektir. Iraksak yakınsak anot MPD itici roketler kararlı durum geniş çalışma aralığı olarak işlev görebilir. Ancak, performansı farklı anot ile pervane daha düşük olabilir. Oyuk katot, özellikle çok kanallı oyuk katot, pek çok yönden içinde geleneksel çubuk…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser temel araştırma programı (No tarafından desteklenmiştir JCKY2017601C). Thomas M. York, Ohio State Üniversitesi’nde emekli Profesör yardım için teşekkür ederiz.
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).
