एक १०० किलोवाट वर्ग लागू-क्षेत्र Magnetoplasmadynamic जोर
Summary
इस प्रोटोकॉल के लक्ष्य के लिए एक १०० किलोवाट वर्ग लागू-क्षेत्र magnetoplasmadynamic जोर और प्रासंगिक प्रयोगात्मक तरीकों के डिजाइन परिचय है ।
Abstract
एप्लाइड-फील्ड magnetoplasmadynamic (वायुसेना MPD के बल) त्वरक जो विद्युत चुम्बकीय और गैस गतिशील प्रक्रियाओं उच्च गति के प्लाज्मा में तेजी लाने के लिए कर रहे हैं; वे उच्च विशिष्ट आवेग और जोर घनत्व के महत्वपूर्ण लाभ के साथ भविष्य के अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए काफी क्षमता है । इस पत्र में, हम डिजाइन और जल-शीतलक संरचनाओं, एक १३० V अधिकतम निर्वहन वोल्टेज, एक ८०० एक अधिकतम निर्वहन वर्तमान, और चुंबकीय क्षेत्र के एक ०.२५ टी अधिकतम शक्ति के साथ वायुसेना MPD के एक १०० किलोवाट वर्ग के निर्माण के लिए प्रोटोकॉल की एक श्रृंखला पेश करते हैं । एक खोखले टैंटलम टंगस्टन कैथोड केवल फेंकने योग्य प्रवेश के रूप में काम करता है रेडियल निर्वहन को बाधित, और यह anode के पीछे में अक्षीय रूप से तैनात है ताकि anode भुखमरी को राहत देने के लिए । एक बेलनाकार अलग कॉपर anode anode शक्ति जमाव को कम करने के लिए कार्यरत है, जहां लंबाई को कम किया गया है दीवार प्लाज्मा जोड़ने क्षेत्र में कमी । प्रयोगों एक वैक्यूम प्रणाली है कि एक कुल फेंकने योग्य जन प्रवाह ४० मिलीग्राम से कम की दर के लिए ०.०१ फिलीस्तीनी अथॉरिटी के एक काम निर्वात को प्राप्त कर सकते है और एक लक्ष्य जोर खड़े का उपयोग किया । इस तरह फेंकने योग्य प्रवाह दर, निर्वहन वर्तमान, और प्रदर्शन पर लागू चुंबकीय क्षेत्र की ताकत और उचित विश्लेषण की अनुमति के रूप में काम कर मापदंडों के प्रभाव को मापने के लिए जोर से परीक्षण किए गए । जोर से खोखले कैथोड सतह पर थोड़ा कटाव के साथ समय की महत्वपूर्ण अवधि के लिए लगातार संचालित किया जा सकता है । जोर की अधिकतम शक्ति १०० किलोवाट है, और इस पानी ठंडा विंयास के प्रदर्शन के साथ तुलनीय है कि साहित्य में रिपोर्ट की जबरदस् त ।
Introduction
MPD के लिए एक अपेक्षाकृत उच्च जोर घनत्व और एक उच्च विशिष्ट आवेग1,2,3के लिए अच्छी तरह से जाना जाता है । हालांकि, ठेठ जोर MPD के जबरदस् त1 क्षमता अपेक्षाकृत कम है, विशेष रूप से नोबल गैसों के नोदक के साथ4,5,6। सबसे MPD के लिए, फेंकने योग्य प्रवाह का एक हिस्सा anode और कैथोड7,8 के बीच एक भट्ठा से निर्वहन कक्ष में इंजेक्शन है, परिणाम यह है कि एक रेडियल घटक कुल निर्वहन का एक महत्वपूर्ण अनुपात है के साथ । हालांकि, जोर उत्पन्न करने के लिए, रेडियल काइनेटिक प्रभाव एक भौतिक नोक या एक चुंबकीय नोजल के साथ अक्षीय काइनेटिक गति में परिवर्तित करने की आवश्यकता है । तदनुसार, नए डिजाइन MPD जोर की एक प्रमुख विशेषता यह है कि सभी फेंकने योग्य कैथोड के माध्यम से आपूर्ति की है, जो रेडियल निर्वहन को बाधित करने के लिए कार्य कर सकते हैं; इस तरह से अक्षीय ऊर्जा का अनुपात बढ़ सकता है । वहां एक जोड़ा प्रभाव है कि anode के आसपास प्लाज्मा में हॉल पैरामीटर anode, जो हॉल त्वरण घटक9को मजबूत कर सकते है चारों ओर संख्या घनत्व की कमी से बढ़ सकता है । के बाद से फेंकने वाला कैथोड की भीतरी सतह के करीब है जहां प्रारंभिक इलेक्ट्रॉनों की बड़ी मात्रा में इंजेक्शन के इस मोड में उत्सर्जित कर रहे हैं, फेंकने योग्य ionization दर बहुत बढ़ाया जा सकता है । इसके अलावा, anode लंबाई को कम किया गया है दीवार को जोड़ने के प्लाज्मा क्षेत्र और anode शक्ति10,11की कमी । एक अलग anode लागू किया जाता है के रूप में, इस anode और चुंबकीय क्षेत्र लाइनों के बीच कोण में कमी और anode शक्ति जमाव आगे12,13कमी होगी ।
फायदे के बावजूद प्रदर्शन में सुधार करने के लिए ऊपर उल्लेख किया, कैथोड इंजेक्शन द्वारा पूरा फेंकने योग्य आपूर्ति anode भुखमरी जो “शुरुआत”14घटना में परिणाम कर सकते है के जोखिम को बढ़ा सकते हैं । इस व्यवहार को बाधित करने के लिए, हम कैथोड वापस anode के आधार करने के लिए मुकर गया है । इलेक्ट्रॉन तो anode बाहर निकलने से पहले रेडियल दिशा में पर्याप्त रूप से फैलाना कर सकते हैं, जो anode भुखमरी को दूर करने का कार्य करेंगे. इसके अलावा, एक मल्टीचैनल खोखले कैथोड अपनाया जाता है; एक चैनल खोखले कैथोड, एक मल्टीचैनल खोखले कैथोड की तुलना में इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन क्षेत्र में वृद्धि और फेंकने योग्य अधिक समान का वितरण कर सकते हैं । इस संशोधन के साथ, दोनों के जीवनकाल और स्थिरता के जोर से15,16,17बढ़ाया जा सकता है ।
जोर की डिजाइन शक्ति १०० किलोवाट है और एक ठंडा संरचना स्थिर राज्य आपरेशन के साथ आवश्यक है । वर्तमान प्रयोगशाला प्रयोगों में, एक कुशल जल-शीतलन संरचना कार्यरत है । हालांकि, MPD जोर डिजाइन के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए, यह जोर प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है । गर्मी हस्तांतरण करने के लिए एक उच्च दबाव पानी प्रणाली के आवेदन के साथ, इस तरह के ठंडा करने के आपरेशन के दौरान मजबूत कंपन होगा, जो महत्वपूर्ण हस्तक्षेप बना सकते हैं अगर हम पारंपरिक जोर माप का इस्तेमाल किया । तदनुसार, जोर से मापने के लिए एक लक्ष्य जोर स्टैंड कार्यरत है ।
MPD जोर
के रूप में चित्रा 1में दिखाया गया है, MPD जोर anode, कैथोड और इंसुलेटर के होते हैं । anode एक बेलनाकार अलग नोक के साथ तांबे से बना है, जो की ंयूनतम भीतरी व्यास ६० mm है । वहां एक एस के आकार का anode के भीतरी दीवार के चारों ओर ठंडा चैनल है । प्रवेश और चैनल के आउटलेट anode, जो एक चकरा द्वारा अलग कर रहे है के शीर्ष पर हैं । एक पतला तांबे ब्लॉक anode और बिजली की केबल को जोड़ने के लिए कार्यरत है । यह जंक्शन anode की बाहरी सतह पर है ।
कैथोड सामग्री नौ फेंकने योग्य चैनलों के साथ टैंटलम टंगस्टन है । कैथोड का बाहरी व्यास 16 मिमी है । कैथोड के शीतलक कैथोड आधार के आसपास एक पानी ठंडा धारक के साथ हासिल की है । धारक के अंदर एक अंगूठी के आकार का चैनल है । ठंडा पानी नीचे से होल्डर में इंजेक्ट होता है और ऊपर से बाहर बहता है । वहां कैथोड के बाईं ओर एक खोखले कैथोड संबंधक है । फेंकने वाला कनेक्टर के केंद्र के माध्यम से और खोखले कैथोड चैंबर में बहती है; नौ संकीर्ण बेलनाकार चैनलों के साथ जोड़ने कैथोड आधार के अंदर एक बड़ी गुहा है । गुहा नौ चैनलों में फेंकने योग्य वितरण की एकरूपता बढ़ाने के लिए एक बफर के रूप में कार्य करता है । कैथोड एक कुंडलाकार तांबा ब्लॉक, जो कैथोड संबंधक के आसपास स्थापित है के साथ बिजली के केबल से जुड़ा है ।
जोर से मुख्य शरीर के अलावा, एक बाहरी चुंबकीय कुंडल भी वायुसेना में तंत्र के लिए खेतों MPD जोर से उत्पंन करने के लिए आवश्यक है; चुंबकीय क्षेत्रों एक अभिसरण-अलग चुंबकीय क्षेत्र प्रदान करने के लिए बिजली के क्षेत्र के साथ एक साथ प्लाज्मा में तेजी लाने के । क्षेत्र कुंडल परिपत्र कॉपर पाइप, जो दोनों बिजली के वर्तमान और ठंडा पानी के लिए पारित होने के रूप में कार्य के २८८ बदल जाता है के होते हैं । कुंडल के भीतरी व्यास १५० मिमी है, जबकि बाहरी व्यास ५०० मिमी है । केंद्र में उच्चतम क्षेत्र की ताकत २३० ए के वर्तमान के साथ ०.२५ टी है ।
प्रयोग प्रणाली
प्रयोग प्रणाली में छह उपतंत्र शामिल हैं । प्रयोगात्मक प्रणाली के समग्र लेआउट के योजनाबद्ध आरेख चित्रा 2में दिखाया गया है; वैक्यूम चैंबर के अंदर जोर का लेआउट चित्रा 3में दिखाया गया है ।
सबसे पहले, वैक्यूम प्रणाली है, जो जोर आपरेशन के लिए आवश्यक वैक्यूम वातावरण प्रदान करता है, एक वैक्यूम चैंबर, दो यांत्रिक पंपों, एक आणविक पंप और चार क्रायोजेनिक पंप के होते हैं । कक्ष का व्यास 3 मीटर है, और लंबाई 5 मीटर है । ०.०१ Pa के तहत पर्यावरण दबाव बनाए रखा जा सकता है जब (आर्गन) फेंकने वाले की प्रवाह दर ४० mg/
दूसरा, इस स्रोत प्रणाली प्रदान करता है एक उच्च वोल्टेज पल्स जोर से प्रज्वलित करने के लिए, बल के लिए बिजली प्रदान करता है प्लाज्मा में तेजी लाने के लिए, और चुंबकीय क्षेत्र के लिए बिजली प्रदान करता है बाहरी चुंबकीय क्षेत्र बनाए रखने के लिए कुंडल । विद्युत स्रोत प्रणाली एक इग्निशन शक्ति स्रोत, एक जोर शक्ति स्रोत, एक कुंडल शक्ति स्रोत और केबल के होते हैं । इग्निशन शक्ति स्रोत 8 केवी या 15 केवी निर्वहन वोल्टेज प्रदान कर सकते हैं । जोर शक्ति स्रोत १००० a तक प्रत्यक्ष वर्तमान प्रदान करता है । कुंडल शक्ति स्रोत २४० a तक प्रत्यक्ष वर्तमान प्रदान करता है ।
तीसरा, फेंकने योग्य आपूर्ति प्रणाली चुनौतियों के लिए गैस फेंकने वाला खिलाती है । इस प्रणाली में मुख्य रूप से गैस स्रोत, जन प्रवाह दर नियंत्रक और गैस की आपूर्ति पाइपलाइन शामिल हैं ।
चौथी उप-प्रणाली पानी ठंडा प्रणाली है, जो शांत उच्च दबाव पानी प्रदान करता है के लिए जोर की गर्मी, चुंबकीय तार और बिजली के सूत्रों का आदान । चित्रा 4में दिखाया गया है, प्रणाली पंप समूह, पानी की टंकी, रेफ्रिजरेटर, पानी की आपूर्ति पाइपलाइनों और पंप नियंत्रकों के होते हैं । गैर वैक्यूम चैंबर के अंदर पाइप का आयोजन जोर और चुंबकीय कुंडल के लिए एक ठंडा पानी टर्मिनल प्रदान करते हैं, और anode, कैथोड, और जमीन के बीच है कि बिजली के इंसुलेशन सुनिश्चित करता है ।
अधिग्रहण और नियंत्रण प्रणाली के अंय प्रणालियों के जोर से आपरेशन की स्थिति और नियंत्रण आपरेशन मापने के संकेत रिकॉर्ड कर सकते हैं । यह तीन कंप्यूटर और इसी सॉफ्टवेयर, डाटा अधिग्रहण कार्ड और केबल से बना है ।
जैसा कि चित्रा 5में दिखाया गया है, टारगेट जबरदस् त स्टैंड में प्लेट टारगेट, पतला बीम, विस्थापन सेंसर, सपोर्ट फ्रेम, अक्षीय जंगम प् लेटफॉर्म और रेडियल जंगम प् लेटफॉर्म शामिल हैं । लक्ष्य प्लाज्मा जो लक्ष्य धक्का अवरोधन कर सकते हैं । लक्ष्य के विस्थापन के लक्ष्य के पीछे रखा एक संवेदक द्वारा मापा जा सकता है, इस तरह जोर18के मूल्यांकन को सक्षम करने में ।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस प्रोटोकॉल एक १०० किलोवाट वर्ग लागू क्षेत्र MPD के जोर से प्रज्वलन, आपरेशन, और जोर माप की प्रक्रियाओं का वर्णन । इष्टतम प्रदर्शन के लिए एक MPD जोर डिजाइनिंग में महत्वपूर्ण बिंदु विशिष्ट उद्देश्य के अनुस?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस कार्य को मौलिक अनुसंधान कार्यक्रम (सं. JCKY2017601C) । हम ओहियो राज्य विश्वविद्यालय में थॉमस एम. यॉर्क, एमेरिटस प्रोफेसर की मदद की सराहना करते हैं ।
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 |
Riferimenti
- 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).
