En 100 KW klass tillämpas-fältet Magnetoplasmadynamic bogpropeller

Summary

Målet med detta protokoll är att införa utformningen av en 100 kW klass tillämpas-fältet magnetoplasmadynamic bogpropeller och relevanta experimentella metoder.

Abstract

Tillämpas-fältet magnetoplasmadynamic drivraketer (AF-MPD bogpropellrar) är hybrid acceleratorer som elektromagnetisk och gas dynamiska processer accelerera plasma till hög hastighet; de har stor potential för framtida rymdtillämpningar med betydande fördelar av hög specifik impuls och dragkraft densitet. I detta papper presentera vi en serie av protokoll för utformning och tillverkning av en 100 kW klass av AF-MPD bogpropeller med vätskekylaggregat strukturer, en 130 V maximal ansvarsfrihet spänning, 800 A maximal ansvarsfrihet nuvarande och en 0,25 T maximal styrka av magnetfält. En ihålig tantal volfram katod fungerar som endast drivgas inloppet till hämma radiella ansvarsfrihet, och det är placerad axiellt baktill på anoden för att lindra anod svält. En cylindrisk divergerande koppar anod är anställd att minska anod power nedfall, där längden har minskat för att minska vägg-plasma anslutande området. Experiment utnyttjad vakuum system som kan uppnå en fungerande dammsugare 0,01 Pa för ett totalt drivmedel massflöde kurs lägre än 40 mg/s och ett mål dragkraft monter. Bogpropeller Testerna genomfördes att mäta effekterna av de arbetande parametrarna såsom drivmedel flöden, ansvarsfrihet nuvarande och styrkan i tillämpad magnetfält på prestanda och tillåta lämplig analys. Bogpropellern kunde bedrivas kontinuerligt under betydande tid med lite erosion på ihåliga katod ytan. Maximal effekt av bogpropellern är 100 kW och utförandet av detta vattenkylda konfiguration är jämförbar med det av raketmotorer som rapporterats i litteraturen.

Introduction

MPD drivraketer är väl kända för en relativt hög dragkraft densitet och hög specifik impuls^1,2,3. Den typiska dragkraft effektivitet¹ av MPD drivraketer är dock relativt låg, särskilt med drivmedel ädelgaser^4,5,6. För de flesta MPD drivraketer injiceras en del av drivmedel flödet i ansvarsfrihet kammaren från en skåra mellan anod och katod^7,8 , med resultatet att en radial komponent är en betydande andel av den totala utsläppen. Men för att generera dragkraft, måste radiella kinetiska effekter omvandlas till axiell kinetisk rörelse med en fysisk munstycke eller en magnetisk munstycke. En nyckelfunktion i den nya designen MPD bogpropellern således att alla drivmedel tillhandahålls genom katoden, som kan agera för att hämma radiella ansvarsfrihet; på detta sätt kan andelen axiella energi ökas. Finns en extra effekt genom att parametern Hall i plasma runt anoden kan ökas genom minskningen av numreratätheten runt anoden, som kan stärka den Hall acceleration komponent⁹. Eftersom drivmedel är nära den inre ytan av katoden där stora mängder inledande elektroner avges i detta läge av injektion, kan de propellant jonisering höjas kraftigt. Anod längden har dessutom minimerats för att minska vägg-plasma anslutande området och minska anod power nedfall^10,11. Som en avvikande anod appliceras, kommer detta minska vinkeln mellan anoden och magnetiska fältlinjer och minska anod power nedfall ytterligare^12,13.

Trots fördelarna ovan för att förbättra prestanda, kan komplett drivmedel leverans av katoden injektion öka risken för anod svält vilket kan resultera i ”debut” fenomen¹⁴. För att förhindra detta beteende, har vi indragna katoden tillbaka till basen av anoden. Elektronerna kan sedan sprida tillräckligt i radiell riktning innan du lämnar avfarten anod, som kommer att fungera för att lindra anod svält. Vidare antas flerkanaliga ihåliga katod; jämfört enda kanal ihåliga katoden, kan en flerkanals ihåliga katod öka området elektron utsläpp och göra fördelningen av drivmedel mer enhetlig. Med denna ändring, kan både livslängd och stabiliteten i bogpropellern vara ökad^15,16,17.

Designade av bogpropeller är 100 kW och en kylande struktur är nödvändigt med konstant drift. I nuvarande laboratorieförsök, är en effektiv water-cooling struktur anställd. Det är dock för att utvärdera resultatet av MPD propeller design, avgörande för att få dragkraften. Med tillämpning av en högtrycks vatten-system att överföra värme, kommer det att finnas starka vibrationer under driften av sådan kyla, vilket kan skapa betydande störningar om vi använde traditionella dragkraft mätningar. Följaktligen är målet dragkraft ställning anställd att mäta inriktningen.

MPD bogpropeller

I figur 1visas den MPD bogpropellern består av anod, katod och isolator. Anoden är tillverkade av koppar med en cylindrisk divergerande munstycke, minsta innerdiameter som är 60 mm. Det finns en S-formad kylkanal runt den inre väggen av anoden. In- och utlopp av kanalen är på toppen av anoden, som skiljs åt av en baffel. En smal koppar block är anställd att ansluta anoden och elkabel. Korsningen är på utsidan av anoden.

Katod materialet är tantal volfram, med nio drivmedel kanaler. Den yttre diametern av katoden är 16 mm. Kylning av katoden uppnås med en water-cooling hållare runt katod basen. Det finns en ringformad kanal inuti hållaren. Det kalla vattnet sprutas in innehavaren från botten och flyter ut från toppen. I området i närheten finns det en ihålig katod-kontakten på vänster sida av katoden. Drivmedel rinner genom mitten av kontakten och in i ihåliga katod kammaren; i området i närheten finns det en stor hålighet inuti katod basen ansluter med nio smala cylindriska kanaler. Hålrummet fungerar som en buffert för att öka enhetligheten av drivmedel distributionen i nio kanaler. Katoden är ansluten till den elektriska kabeln med en ringformig koppar block, som installeras runt kopplingen katod.

Förutom att huvuddelen av bogpropellern är en extern magnetspolen också nödvändigt att skapa fält för mekanismer i den AF-MPD bogpropellern; magnetiska fält ger en konvergent-avvikande magnetfält för att påskynda plasma tillsammans med det elektriska fältet. Fältet spolen består av 288 vänd av cirkulär kopparrör, som fungerar som passagen för både elektrisk nuvarande och svalkande vatten. Den inre diametern av spolen är 150 mm, medan den yttre diametern är 500 mm. Den högsta fältstyrkan i mitten är 0,25 T med nuvarande 230 A.

Experiment-systemet

I experiment-systemet ingår sex delsystem. En schematisk bild av den övergripande utformningen av experimentella systemet visas i figur 2. layouten för bogpropellern inuti vakuumkammare visas i figur 3.

Först, vakuum systemet, som ger nödvändiga vakuum miljön för bogpropeller drift, består av en vakuumkammare, två mekaniska pumpar, en molekylära pumpen och fyra kryogen pumpar. Diameter på avdelningen är 3 m och längden är 5 m. Miljö trycket kan upprätthållas under 0,01 Pa när flödet klassar av (argon) drivmedel är inte mer än 40 mg/s.

Andra, denna källa system ger en hög spänning puls för att antända bogpropellern, ger ström för bogpropellern att påskynda plasma och ger kraft för magnetfältet spolen att upprätthålla det yttre magnetfältet. Power source systemet består av en antändningskälla för makt, en bogpropeller-strömkälla, en spole strömkälla och kablar. Tändningen strömkällan kan ge 8 kV eller 15 kV spänning urladdning. Bogpropeller strömkällan ger en likström upp till 1000 A. Spolen strömkällan ger en likström upp till 240 A.

För det tredje, drivgas försörjningssystemet feeds gas drivmedel för drivraketer. Systemet omfattar huvudsakligen källan gas, den ränta massflödesregulator och gas leverera rörledningar.

Fjärde sub systemet är det water-cooling systemet, som ger häftiga högtrycks vatten för att utbyta värme av bogpropeller, magnetspolen och strömkällor. I figur 4visas systemet består av pumpar grupp, vattentank, kylskåp, vattenförsörjning rörledningar och pumpar styrenheter. Oledande rören inuti vakuumkammare ger en svalkande vatten terminal för bogpropeller och magnetspolen, och säkerställer att elektrisk isolering mellan anoden och katoden marken.

Förvärv och styrsystem kan registrera de signaler som mäter bogpropeller drift villkor och kontroll driften av andra system. Den består av tre datorer och motsvarande programvara, förvärv datakort och kablar.

I figur 5visas mål dragkraft stativet består av plattan target, smal beam, deplacement sensor, stödramen, axiellt rörliga plattformen och radiellt rörliga plattformen. Målet kan avlyssna den plasma som driver målet. Förskjutningen av målet kan mätas genom en sensor som placeras bakom målet, på detta sätt som möjliggör utvärdering av dragkraft¹⁸.

Protocol

1. Förberedelse för experiment Installera bogpropellern. Torka komponenterna i bogpropeller icke-damm duken, indränkt med vattenfri alkohol, i ett rent rum. Montera anoden med isolator. Sammanföra katod, katod innehavaren och katoden connector. Lägg till å Katod Anod del. Installera den mellersta kontakten i assemblage och fäst dem med skruvar (hexagon socket skruv, M5 × 16). Upprätta spole sätet på experiment plattform med gaffe…

Representative Results

I experimentet, vi kontrollerar ansvarsfrihet nuvarande (Id), drivgas mass flow rate(m) och tillämpas magnetfält (Ba). I drift, vi mäter värdet av spänning urladdning (Vd) och dragkraft (T), från som bas kan vi få andra prestanda parametrar som power (P), specifik impuls (Isp) och dragkraft verkningsgrad (η)1. En typisk signal av spänning urladdning visas i figur 6. …

Discussion

Det här protokollet beskriver processerna för tändning, drift och dragkraft mätning av en 100 kW klass tillämpas fältet MPD bogpropeller. Den centrala punkten i utforma en MPD bogpropeller för optimal prestanda är att välja rätt konfiguration enligt det särskilda målet. MPD bogpropellrar med konvergent-avvikande anoden kan fungera steady-state i en stor operation utbud. Prestanda kan dock vara lägre än bogpropellern med divergerande anod. Ihåliga katoden, särskilt flerkanaliga ihåliga katoden, är överl…

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