Um propulsor Magnetoplasmadynamic aplicada-campo de 100 KW classe

Summary

O objetivo do presente protocolo é introduzir o design de um 100 kW classe campo aplicado magnetoplasmadynamic propulsor e métodos experimentais relevantes.

Abstract

Aplicada-campo magnetoplasmadynamic propulsores (motores de AF-MPD) são aceleradores de híbrido em que eletromagnética e processos dinâmicos de gás aceleram o plasma de alta velocidade; Eles têm um potencial considerável para aplicações futuras espaço com as vantagens significativas de alto impulso específico e densidade de pressão. Neste trabalho, apresentamos uma série de protocolos para projetar e fabricar uma classe kW 100 do propulsor de AF-MPD com estruturas, uma tensão de descarga máxima de 130 V, um 800 A máxima corrente de descarga e um 0,25 T máxima força do campo magnético do water-cooling. Um cátodo de tungstênio de tântalo oco atua como a entrada apenas propelente para inibir a descarga radial, e está posicionado axialmente na parte traseira do ânodo para aliviar a fome de ânodo. Um ânodo de cobre cilíndrico divergente é empregado para diminuir a deposição de energia de ânodo, onde o comprimento foi reduzido para diminuir a área de ligação parede-plasma. Experimentos utilizaram um vácuo sistema que pode conseguir um vácuo de trabalho de 0,01 Pa para um fluxo de massa propelente total taxa inferior a 40 mg/s e um alvo axiais de carrinho. Os propulsor foram efectuados testes para medir os efeitos dos parâmetros de funcionamento, tais como taxas de fluxo de combustível, a corrente de descarga e a força do campo magnético aplicado sobre o desempenho e permitir a análise adequada. O propulsor poderia ser utilizado continuamente por períodos significativos de tempo com pouca erosão na superfície do cátodo oco. A potência máxima do propulsor é de 100 kW e o desempenho desta configuração Water-cooled é comparável com a dos propulsores relatados na literatura.

Introduction

Propulsores MPD são bem conhecidos por uma densidade relativamente alta pressão e alto impulso específico^1,2,3. No entanto, o impulso típico eficiência¹ dos propulsores MPD é relativamente baixa, especialmente com propelentes de gases nobres^4,5,6. Para a maioria dos propulsores MPD, uma parte do fluxo de combustível é injetada na câmara de descarga de uma fenda entre o ânodo e o cátodo^7,8 , com o resultado que um componente radial é uma proporção significativa da descarga total. No entanto, a fim de gerar empuxo, efeitos cinéticos radiais precisam ser convertido em movimento cinético axial com um bocal de físico ou um bocal magnético. Nesse sentido, uma característica-chave do novo propulsor MPD do projeto é que todos propelente é fornecido através do cátodo, que pode agir para inibir descarga radial; desta forma, a proporção de energia axial pode ser aumentada. Há um efeito adicional em que o parâmetro Hall no plasma em torno do ânodo pode ser aumentado pela diminuição do número de densidade em torno do ânodo, que pode reforçar o Hall aceleração componente⁹. Desde que o propulsor é perto da superfície interna do cátodo, onde grandes quantidades de elétrons iniciais são emitidas neste modo de injeção, a taxa de ionização propulsor pode ser grandemente aumentada. Além disso, o comprimento do ânodo tem sido minimizado para diminuir a área de ligação parede-plasma e reduzir o poder de ânodo a deposição^10,11. Como um ânodo divergente é aplicado, isto irá diminuir o ângulo entre o ânodo e linhas de campo magnético e diminuir o ânodo poder deposição mais^12,13.

Apesar das vantagens observadas acima para melhorar o desempenho, fornecimento de propelente completo por injeção de cátodo pode aumentar o risco de fome do ânodo que pode resultar em “início” fenômenos¹⁴. Para inibir esse comportamento, podemos ter retraído do cátodo para a base do ânodo. Os elétrons podem então difundir suficientemente na direção radial antes de deixar a saída do ânodo, que agirá para aliviar a fome de ânodo. Além disso, um cátodo oco multicanal é adotado; em comparação com o cátodo oco de canal único, um cátodo oco multicanal pode aumentar a área de emissão de elétrons e fazer a distribuição do propelente mais uniforme. Com essa modificação, o tempo de vida e estabilidade do propulsor podem ser aumentada de^15,16,17.

O poder projetado o propulsor é de 100 kW e uma estrutura de refrigeração é necessário com operação de estado estacionário. Em experimentos de laboratório do presente, é empregada uma estrutura eficaz do water-cooling. No entanto, para avaliar o desempenho do projeto propulsor MPD, é fundamental para obter o impulso. Com a aplicação de um sistema de água de alta pressão para transferência de calor, haverá forte vibração durante a operação de tal resfriamento, que pode criar interferência significativa se usarmos as medições de pressão tradicional. Nesse sentido, uma posição de alvo axiais é empregada para medir a pressão.

Propulsor de MPD

Como mostrado na Figura 1, o propulsor MPD consiste de ânodo, cátodo e isolador. O ânodo é feito de cobre com um bocal divergente cilíndrico, o diâmetro interno mínimo do que é 60 mm. Há um canal de resfriamento em forma de S em torno da parede interna do ânodo. A entrada e saída do canal estão no topo do ânodo, que são separadas por um defletor. Um bloco de cobre fino é utilizado para conectar o ânodo e o cabo elétrico. A junção está sobre a superfície externa do ânodo.

O material do cátodo é tungstênio de tântalo, com nove canais de propelente. O diâmetro exterior do cátodo é 16 milímetros. O resfriamento do cátodo é conseguido com um titular do water-cooling em torno da base do cátodo. Existe um canal em forma de anel dentro o titular. A água fria é injetada no suporte da parte inferior e flui para fora do topo. Existe um conector de cátodo oco no lado esquerdo do cátodo. O combustível flui através do centro do conector e na câmara de cátodo oco; Há uma grande cavidade dentro da base de cátodo conectando com nove canais cilíndricos estreitos. A cavidade atua como um buffer para aumentar a uniformidade da distribuição do propelente em nove canais. O cátodo é ligado ao cabo elétrico com um bloco de cobre anular, que é instalado próximo ao conector do cátodo.

Além do corpo principal do propulsor, uma bobina magnética externa também é necessária para gerar campos para os mecanismos no propulsor de AF-MPD; campos magnéticos fornecem um campo magnético convergente-divergente para acelerar o plasma juntamente com o campo elétrico. A bobina de campo consiste de 288 curvas de tubos de cobre circulares, que actuam como a passagem para tanto água corrente e refrigeração elétrica. O diâmetro interno da bobina é de 150 mm, enquanto o diâmetro externo é de 500 mm. A maior força de campo no centro é de 0,25 T com corrente de 230 A.

Sistema de experiência

O sistema de experiência inclui seis subsistemas. O diagrama esquemático do layout geral do sistema experimental é mostrado na Figura 2; o layout do propulsor dentro da câmara de vácuo é mostrado na Figura 3.

Primeiro, o sistema de vácuo, que fornece o ambiente de vácuo necessário para a operação dos propulsores, consiste em uma câmara de vácuo, duas bombas mecânicas, uma bomba molecular e quatro bombas criogênicas. O diâmetro da câmara é de 3 m, e o comprimento é 5m. A pressão do ambiente pode ser mantida sob 0,01 Pa, quando a taxa de fluxo do propulsor (argônio) é não mais do que 40 mg/s.

Em segundo lugar, este sistema de fonte fornece um pulso de alta tensão para inflamar o propulsor, fornece energia para o propulsor acelerar o plasma e fornece energia para a bobina de campo magnético sustentar o campo magnético externo. O sistema de fonte de energia consiste de uma fonte de energia de ignição, uma fonte de energia do propulsor, uma fonte de alimentação da bobina e cabos. A fonte de energia de ignição pode fornecer 8 kV ou 15 kV tensão de descarga. A fonte de energia do propulsor fornece uma corrente contínua até 1000 A. Fonte de alimentação da bobina fornece uma corrente contínua até 240 A.

Em terceiro lugar, o sistema de abastecimento de combustível alimenta propelente gás para propulsores. O sistema inclui principalmente a fonte de gás, o controlador de taxa de fluxo de massa e gás fornecem pipelines.

O quarto do subsistema é o sistema do water-cooling, que fornece água a alta pressão legal para trocar o calor do propulsor, bobina magnética e fontes de energia. Como mostrado na Figura 4, o sistema consiste em grupo de bombas, tanque de água, refrigerador, controladores de tubulações e bombas de abastecimento de água. Os tubos não condutor dentro da câmara de vácuo fornecem um terminal de água refrigerando para o propulsor e bobina magnética e garante a isolação elétrica entre o ânodo e o cátodo no chão.

O sistema de controle e aquisição podem gravar os sinais que as condições de operação do propulsor e controle de operação de outros sistemas de medição. Ele é composto de três computadores e correspondente software, placa de aquisição de dados e cabos.

Como mostrado na Figura 5, o carrinho de alvo de pressão consiste em alvo de placa, feixe Delgado, sensor de deslocamento, frame da sustentação, plataforma móvel axial e radial plataforma móvel. O alvo pode interceptar o plasma que empurra o alvo. O deslocamento do alvo pode ser medido por um sensor colocado atrás do alvo, desta forma permitindo avaliação do impulso¹⁸.

Protocol

1.. Preparação para o experimento Instale o propulsor. Limpe os componentes do clero propulsor withnon-pó, embebido em álcool anidro, em uma sala limpa. Monte o ânodo com o isolador. Reunir o cátodo, o titular de cátodo e o conector de cátodo. Adicione a parte do cátodo para a parte de ânodo. Instalar o conector do meio para o conjunto e fixá-las com parafusos (parafuso de cabeça sextavada soquete, M5 × 16). Estabelece a sede d…

Representative Results

No experimento, podemos controlar a corrente de descarga (Id), massa propelente fluxo rate(m) e aplicado a campo magnético (Ba). Em operação, medimos o valor da tensão de descarga (Vd) e axiais (T), da qual base que conseguirmos outro desempenho parâmetros como potência (P), impulso específico (Isp) e axiais de eficiência (η)1. Um sinal típico de tensão de descarga é mostrado na <strong class=…

Discussion

Este protocolo descreve os processos de ignição, operação e medição de pressão de um propulsor MPD campo de classe aplicado 100 kW. O ponto-chave na concepção de um propulsor MPD para desempenho ideal é escolher a configuração adequada de acordo com o objetivo específico. Propulsores MPD com ânodo convergente-divergente podem funcionar em estado estacionário em uma escala grande operação. No entanto, o desempenho pode ser menor do que o propulsor com ânodo divergente. O cátodo oco, especialmente o cát…

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