Name: 100 KW 級適用フィールド ノズル形状スラスター (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-12-22T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 47 s
Description: 学ぶ100kW級適用磁場型磁気プラズマダイナミックスラスターの設計と実験手法。陽極・陰極・絶縁体の構成と真空・電源・冷却システムを用いた性能評価方法を解説。将来の高電力宇宙ミッション向け電気推進技術の発展に貢献する。

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この作品は基礎的研究プログラム (号によって支えられました。JCKY2017601C)。トーマス ・ m ・ ニューヨーク、オハイオ州立大学の名誉教授の支援お願い申し上げます。

1.実験の準備
<ol><li>スラスターをインストールします。<ol>
<li>スラスターとの提携-塵の布、クリーン ルームでの無水アルコールを浸したのコンポーネントを拭いてください。</li>
		<li>絶縁体と陽極を組み立てます。</li>
		<li>陰極、カソード ホルダーおよび陰極端子を一緒にもたらします。</li>
		<li>陽極に陰極パーツを追加します。</li>
		<li>群集に中間のコネクタをインストールし、ネジ (六角ソケット頭ネジ、M5 × 16) でそれらを修正します。</li>
		<li>フォーク リフトと実験プラットフォーム上コイル シートを確立します。</li>
		<li>真空チャンバーのガイド レールの実験プラットフォームを配置します。</li>
		<li>コイルにスラスターをインストールします。</li>
		<li>陽極と陰極に対応する電気ケーブルをリンクします。</li>
		<li>コイルの電源でコイルをリンクします。</li>
		<li>水冷パイプとスラスターの燃料供給パイプを参加します。</li>
		<li>水冷パイプ コイルと合流します。</li>
		<li>商工会議所と推力の本体スタンド修正内部可動プラットフォームをインストールします。</li>
		<li>ターゲットは一致し、スラスターのコントロール ラインを作るに放射状の可動プラットフォームの位置を調整します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>スラスト スタンドを調整します。<ol>
<li>スラスト スタンドの出力校正デバイスと、対応するレコードを 1 つずつ異なる重み (10 g、50 g、100 g、200 g) をロードします。</li>
		<li>一つずつウェイトをアンロードします。</li>
		<li>少なくとも 3 回のプロセスを繰り返します。</li>
		<li>キャリブレーション データによるとスラスト スタンドの弾性係数を計算します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>真空チャンバーを避難させます。<ol>
<li>商工会議所のドアを閉じます。</li>
		<li>機械式ポンプを起動します。</li>
		<li>分子ポンプの起動時に室内の背景圧力は 5 よりも低い pa.</li>
		<li>極低温ポンプの起動時に室内の背景圧力が 0.05 より低い pa.</li>
		<li>1 x 10-4ペンシルバニア州に到達する圧力を待つ</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 点火と推力測定実験
<ol><li>それは空気にさらされている場合は、スラスターを予熱します。<ol>
<li>信号の記録を開始します。</li>
		<li>40 mg/秒で推進剤の質量流量を設定し、20 分以上の供給を維持</li>
		<li>冷却水の供給をオンにします。</li>
		<li>10 Hz で水ポンプを冷却の動作周波数を設定します。</li>
		<li>スラスト スタンドをスラスターから遠い位置に移動します。</li>
		<li>90 A. コイル電流がコイル電源に切り替える</li>
		<li>放電電流 240 a. のスラスターの電源をスイッチします。</li>
		<li>イグニッション電源に切り替えます。</li>
		<li>少なくとも 5 分間のために働いてスラスターを維持します。</li>
		<li>推進ユニットとスラスター電源オフに切り替えます。</li>
		<li>録音を停止します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>スラストの測定方法<ol>
<li>スラスターから 550 mm の位置にスラスト スタンドを移動します。</li>
		<li>信号の記録を開始します。</li>
		<li>推進剤の供給を開始します。</li>
		<li>90 A コイル電流 240 A 放電電流とスラスターを点火します。</li>
		<li>増加コイル電流 150 a.</li>
		<li>放電電流 800 å に増加</li>
		<li>コイル電流 230 a. に増加</li>
		<li>切りスラスター推力スタンドの出力が安定になります。</li>
		<li>推進剤の供給を停止します。</li>
		<li>録音を停止します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Kodys, A., Choueiri, E. A Critical Review of the State-of-the-Art in the Performance of Applied-field Magnetoplasmadynamic Thrusters. AIAA/ASME/SAE /ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, , AIAA paper 2005-4247 (2005).</li>
<li>Arakawa, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electromagnetic+Effects+in+an+Applied-field+Magnetoplasmadynamic+Thruster%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Propulsion+%26+Power%22%5BJournal%5D)">Electromagnetic Effects in an Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster.</a> Journal of Propulsion & Power. 8 (1), 98-102 (1992).</li>
<li>Myers, R., Lapointe, M., Mantenieks, M. MPD thruster Technology. Conference on Advanced SEI Technologies, , AIAA paper 91-3568 (1991).</li>
<li>Myers, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Applied-field+MPD+thruster+performance+with+hydrogen+and+argon+propellants%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Propulsion+%26+Power%22%5BJournal%5D)">Applied-field MPD thruster performance with hydrogen and argon propellants.</a> Journal of Propulsion & Power. 9 (5), 781-784 (1993).</li>
<li>Albertoni, R., Rossetti, P., Paganucci, F., Andrenucci, M. Experimental Study of a 100-kW class Applied-Field MPD Thruster. 32nd International Electric Propulsion Conference, , IEPC-2011-110 (2011).</li>
<li>Lapointe, M., Strzempkowski, E., Pencil, E. High Power MPD Thruster Performance Measurements. AIAA paper 2004-3467, , (2004).</li>
<li>Tahara, H., Kagaya, Y., Yoshikawa, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+and+Acceleration+Process+of+Quasisteady+Magnetoplasmadynamic+Arcjets+with+Applied+Magnetic+Fields%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Propulsion+and+Power%22%5BJournal%5D)">Performance and Acceleration Process of Quasisteady Magnetoplasmadynamic Arcjets with Applied Magnetic Fields.</a> Journal of Propulsion and Power. 13 (5), 651-658 (1997).</li>
<li>Tahara, H., Kagaya, K., Yoshikawai, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+Applied+Magnetic+Fields+on+Performance+of+a+Quasisteady+Magnetoplasmadynamic+Arc%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Propulsion+and+Power%22%5BJournal%5D)">Effects of Applied Magnetic Fields on Performance of a Quasisteady Magnetoplasmadynamic Arc.</a> Journal of Propulsion and Power. 11 (2), 337-342 (1995).</li>
<li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Increasing+the+Effective+Voltage+in+Applied-Field+MPD+Thrusters%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physics+D+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Increasing the Effective Voltage in Applied-Field MPD Thrusters.</a> Journal of Physics D Applied Physics. 51, 085201(2018).</li>
<li>Myers, R., Mantenieks, M., Sovey, J. Geometric Effects in Applied-field MPD Thrusters. 21st International Electric Propulsion Conference, , AIAA paper 1990-2669 (1990).</li>
<li>Myers, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geometric+Scaling+of+Applied-Field+Magnetoplasmadynamic+Thrusters%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Propulsion+and+Power%22%5BJournal%5D)">Geometric Scaling of Applied-Field Magnetoplasmadynamic Thrusters.</a> Journal of Propulsion and Power. 11 (2), 343-350 (1995).</li>
<li>Mikelides, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Applied-Field+Magnetoplasmadynamic+Thrusters%2C+Part+2%3A+Analytic+Expressions+for+Thrust+and+Voltage%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Propulsion+and+Power%22%5BJournal%5D)">Applied-Field Magnetoplasmadynamic Thrusters, Part 2: Analytic Expressions for Thrust and Voltage.</a> Journal of Propulsion and Power. 16 (5), 894-901 (2000).</li>
<li>Nakata, D., et al. Experimental Study for the Optimal Electrode Geometry in an MPD Thruster. 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Aerospace Sciences Meetings. Nevada), , AIAA 2007-2589 (2007).</li>
<li>Kurtz, H., Auweter-Kurtz, M., Merke, W., Schrade, H. Experimental MPD thruster investigations. 19th International Electric Propulsion Conference. AIAA paper 87-1019, , AIAA paper 87-1019 (1987).</li>
<li>Blackstock, A. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experiments+Using+a+25-kW+Hollow+Cathode+Lithium+Vapor+MPD+Arcjet%5BTitle%5D)+AND+%22AIAA+Journal%22%5BJournal%5D)">Experiments Using a 25-kW Hollow Cathode Lithium Vapor MPD Arcjet.</a> AIAA Journal. 8 (5), 886-894 (1970).</li>
<li>Krulle, G. Characteristics and local analysis of MPD thruster operation. AIAA Electric Propulsion and Plasmadynamics Conference. AIAA paper, , AIAA paper 1967-672 (1967).</li>
<li>Malliaris, A. C., Libby, D. R. Velocities of Neutral and Ionic Species in a MPD Flow. In AIAA 7th Aerospace Sciences Meeting, , AIAA paper 1969-1109 (1969).</li>
<li>Wang, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Target+thrust+measurement+for+applied-field+magnetoplasmadynamic+thruster%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Target thrust measurement for applied-field magnetoplasmadynamic thruster.</a> Measurement Science & Technology. 29, 075302(2018).</li>
<li>Tikhonov, V. B., Semenikhin, S. A., Brophy, J. R., Polk, J. E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTikhonov%2C+VB+%22The+Experimental+Performance+of+the+100-kW+Li+MPDT+with+External+Magnetic%22">The Experimental Performance of the 100-kW Li MPDT with External Magnetic</a>. , IEPC-95-105 (1995).</li>
<li>Burkhart, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBurkhart%2C+JA+%22Low+environmental+pressure+MPD+arc+tests%22">Low environmental pressure MPD arc tests</a>. , AIAA paper 67-685 (1967).</li>
<li>Boxberger, A., Jüstel, P., Herdrich, G. Performance of 100 kW Steady State Applied-Field MPD Thruster. Int. Symp. on Space Technology and Science, Matsuyama, Japan, , (2017).</li>
<li>Malliaris, A. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+of+Quasi-Steady+MPD+Thrusters+at+High+Powers%5BTitle%5D)+AND+%22AIAA+Journal%22%5BJournal%5D)">Performance of Quasi-Steady MPD Thrusters at High Powers.</a> AIAA Journal. 10 (2), 121-122 (1972).</li>
<li>Knudsen, B. M. The Kinetic Theory of Gases (London:Methuen). , 26-27 (1950).</li>
<li>Auweter-Kurtz, M., Krulle, G., Kurtz, H. The Investigation of Applied-Field MPD Thrusters on the International Space Station. 25th Electric Propulsion Conference, , IEPC-97-116 (1997).</li>
<li>Connolly, D., Sovie, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+background+pressure+on+magnetoplasmadynamic+thruster+operation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Spacecraft+and+Rockets%22%5BJournal%5D)">Effect of background pressure on magnetoplasmadynamic thruster operation.</a> Journal of Spacecraft and Rockets. 7 (3), 255-258 (1970).</li>
<li>Esker, D., Kroutil, J., Sedrick, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aEsker%2C+D+%22Cathode+Studies+of+a+Radiation+Cooled+MPD+Arc+Thruster%22">Cathode Studies of a Radiation Cooled MPD Arc Thruster</a>. , AIAA paper 1970-1083 (1970).</li>
<li>Myers, R. Plume characteristics of MPD thrusters - A preliminary examination. 25th Joint Propulsion Conference, , AIAA paper 89-2832 (1989).</li>
</ol>

著者が明らかに何もありません。

このプロトコルでは、点火、操作、および 100 kW クラス適用フィールド MPD スラスターの推力測定のプロセスについて説明します。最適なパフォーマンスのための MPD スラスターの設計で重要なポイントは、特定の目的に合わせた適切な構成を選ぶことです。先細末広陽極と MPD スラスターは、大きな動作範囲内の定常状態に機能できます。ただし、パフォーマンスは発散陽極とスラスターより低い可能性があります。ホロー陰極、特にマルチ チャンネルのホロー陰極はほとんどの面で伝統的な棒陰極に優れています。ホロー陰極のアプリケーションはスラスター性能の向上のために有益と推進剤供給モードの選択肢を提供します。ホロー陰極のコストを製造すると、固体正極と比較して比較的高いです。
それは 10 分以上動作するように設計されている場合、冷却構造流体回路がスラスターの操作に必要です。また、放射冷却は別選択です26、複雑なクーラント配管を避けることができます。ただし、これはスラスターの大型ラジアルを引き起こす可能性があります。さらに、熱パイプは、実際の宇宙ミッショ...

MPD のスラスターは、比較的高推力密度の高い比推力1,2,3よく知られています。しかし、MPD スラスターの典型的な推力効率1は比較的低く、希ガス4,5,6の推進剤特に。ほとんどの MPD スラスターの燃料流れの一部は陽極および陰極7、8結果、径方向成分が総排出量のかなりの割合の間にスリットから放電管に注入されます。しかし、推力を生成するために半径方向の運動論的効果は物理的なノズルと磁気ノズル軸運動の動きに変換する必要があります。したがって、新しいデザイン MPD スラスターの重要な機能は全ての噴射剤が放射状放電を抑制する行動できます陰極を通じて供給されています。この方法で軸のエネルギーの割合を増加することができます。ホール加速コンポーネント9を強化することができます陽極の周り数密度の減少によるアノード周辺プラズマ ホール パラメーターを増やすことができますに追加効果があります。推進はどこ初期電子を大量に注入のこのモードで生成される陰極の内部の表面近くには、推進剤のイオン化率が大幅に増加することができます。さらに、壁プラズマの接続領域を減少させ、陽極電源堆積10,11を減らす陽極の長さが最小化されています。発散の陽極が適用されると、アノードと磁力線の間の角度を減少、陽極電源沈着さらに12,13を減少します。
パフォーマンスを改善するために上記の利点にもかかわらず陰極注入による完全な推進剤の供給は14「発症」現象になることができます陽極飢餓のリスクを増やすことができます。この現象を抑制するには、が、陰極陽極の基地に戻って撤回しました。電子が陽極飢餓を緩和するために動作するアノード出口を出る前にラジアル方向に十分に拡散します。さらに、マルチ チャンネルのホロー陰極を採用しています。単一チャネルのホロー陰極と比較して、マルチ チャンネル ホロー陰極は電子放出面積を増やすし、推進薬の配布をより均一にすることがことができます。この変更は、有効期間とスラスターの安定性の両方増加15,16,17することができます。
スラスターの設計された電源は 100 kW と冷却構造定常操作に必要です。現在の実験で効率的な水冷構造を採用します。ただし、MPD スラスター デザインのパフォーマンスを評価する推力を取得する重要です。熱を転送する高圧水システムのアプリケーション、伝統的な推力の測定値を使用する場合に重要な干渉を作成することがこのような冷却の操作中に強い振動があります。したがって、推力を測定する推力ターゲット スタンドを採用します。
MPD スラスター
図 1に示すように、MPD スラスターの陽極、陰極、絶縁体で構成されます。うち最小内径は 60 mm 円筒末広ノズルによる銅の陽極をしました。陽極の内壁の周りにある S 字形状冷却チャンネルがあります。入口とチャネルの出口である陽極上にバッフルで区切られています。細い銅ブロックを採用して、陽極と電線を接続します。接合部は、陽極の外側の表面には。
正極材料は、タンタル タングステン、9 燃料チャンネルです。陰極の外径が 16 mm です。陰極の冷却は水冷ホルダー陰極基地周辺で行われます。ホルダー内のリング状のチャネルがあります。冷たい水は、下上から流れ出るからホルダーに注入されます。陰極の左側にあるホローカソード コネクタがあります。推進センター コネクタとホロー陰極室に流れる9 狭い円筒状の経路と接続する陰極基地の中に大きな空洞があります。空洞は、9 つのチャンネルの推進剤分布の均一性を高めるためのバッファーとして機能します。陰極は陰極のコネクタ周りがインストールされている環状銅のブロックと電線に接続されます。
スラスター本体に加えて外部の磁場コイルは AF MPD スラスター; のメカニズムのためのフィールドを生成する必要も磁界電界とともにプラズマを加速する収束発散磁場を提供します。フィールド コイルは、両方電気現在、冷却水の通路として円形の銅パイプの 288 の回転で構成されます。コイルの内径は 150 mm、外径 500 mm です。中心部の最高の電界強度、電流 230 a. が 0.25 T
実験システム
実験システムには、六つのサブシステムが含まれています。実験システムの全体的なレイアウトの概略図を図 2に示します真空チャンバ内スラスターのレイアウトを図 3に示します。
まず、スラスター操作に必要な真空環境を提供する真空システムは、4 極低温ポンプ、1 つの分子ポンプ 2 つ機械ポンプ 1 真空チャンバーで構成されます。商工会議所の直径は 3 m、長さは 5 m。環境圧力は 0.01 の下で維持できる Pa (アルゴン) 燃料の流量がない以上 40 mg/秒。
第二に、スラスターを点火する高電圧パルス プラズマを加速するスラスターのパワーと外部磁場を維持するために磁場コイルの電源を提供しますこのソースのシステムを提供します。電源システムは、イグニッション電源、スラスターの電源、コイルの電源ケーブルで構成されています。イグニッション電源が 8 を提供できる kV または 15 kV 放電電圧。スラスターの電源は直流電流 1000 A までを提供しますコイル電源は、直流電流最大 240 a.
第三に、推進剤供給系統はスラスターの推進剤ガスを供給します。システムは、主にガス源を含んでいる、質量流量率コント ローラー ガス供給パイプライン。
4 番目のサブ システム スラスター、磁気コイル、電源の熱を交換する高圧冷水を提供する水冷却のシステムです。図 4に示すとおり、システムのポンプ グループ、水タンク、冷蔵庫、給水パイプラインやポンプのコント ローラーで構成されます。真空チャンバー内非伝導性パイプは、スラスターと磁気コイルの冷却水ターミナルを提供および陽極、陰極と地面の間で、電気絶縁を保証します。
集録/制御システムは、スラスター操作条件およびその他のシステムの動作を制御を測定信号を記録できます。3 コンピューターと対応するソフトウェア、データ集録カード、ケーブルから成り立っています。
図 5に示すように、ターゲットのスラスト スタンド プレート ターゲット、細いビーム、変位センサー、支持フレーム、軸可動プラットフォームおよび放射状の可動プラットフォームので構成されます。ターゲットは、ターゲットをプッシュするプラズマを傍受できます。ターゲットの変位は、推力18の評価を有効にするこの方法では、ターゲットの背後に配置センサーによって測定することができます。

<table><tbody><tr><td>極低温ポンプ</td><td>ブルックスオートメーション</td><td></td><td>ポンプ速度:10000L/s</td></tr><tr><td>変位センサー</td><td>パナソニック</td><td>HG-C1030</td><td>繰り返し精度:10&mu;m 直線性: &plusmn;0.1%のF.S.</td></tr><tr><td>質量流量コントローラー</td><td>ブルックス オートメーション</td><td></td><td>範囲:0-120mg/s</td></tr><tr><td>分子ポンプ</td><td>エリコン</td><td></td><td>ポンプ速度:2100L/s</td></tr><tr><td>可動式プラントフォーム</td><td>北京 Weina Guangke オートメーション機器有限公司</td><td></td><td>範囲:0-2000mm</td></tr><tr><td>のPlsatic水道管</td><td>Xingye Xingyeのfluoroplastics(Jiaxing)Co.、株式会社。</td><td></td><td>到達圧力:4.5MPa</td></tr><tr><td>推進剤アルゴン</td><td>北京Huanyu Hinghui Gas Technology Co.、Ltd.</td><td></td><td>純度:99.999%</td></tr><tr><td>冷蔵庫</td><td>北京九州通城技術有限公司</td><td></td><td>冷凍力:45kW</td></tr><tr><td>ウォーターポンプ</td><td>Liaocheng vanguard Motor Co.、Ltd.; 上海の人々のポンプ産業グループ製造業Co.、株式会社; Nanfang Pump Limited company</td><td></td><td>最大出力圧力: 遠心ポンプ:1MPa プランジャーポンプ:10MPa</td></tr></tbody></table>

100 kw 級適用フィールド ノズル形状スラスター

A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster

適用フィールド ノズル形状スラスター (AF MPD スラスター) は、電磁波のハイブリッド加速器とガス動的プロセス プラズマを高速に加速します。彼らは高比推力の大きな利点を持つ将来の宇宙アプリケーションのかなりの可能性があるし、推力密度。一連の設計および構造、130 V 最大放電電圧、800 A の最大放電電流と磁場の 0.25 T 最大強度を水冷 AF MPD スラスターの 100 kW クラスを製造するためのプロトコルを提案します。放射状の放電を抑制するだけの推進剤の入口として中空タンタル タングステン陰極、陽極の飢餓を軽減するために陽極の後方に軸配置されます。円筒発散銅陽極アノード電源蒸着、壁プラズマの接続領域を減少する長さが減ったところを減少に採用します。実験利用真空 0.01 の作業真空を達成することができますシステム総推進剤質量流量の Pa 率 40 mg より低い/s とターゲット スラスト スタンド。スラスター テストはパフォーマンスに及ぼす推進剤流量、放電電流、印加磁場強度など作業パラメーターを測定し、適切な分析を行った。スラスターは、中空陰極表面に少し侵食と時間の大幅な期間継続的に運営できます。スラスターの最大出力は 100 kW とこの水冷構成のパフォーマンスは文献で報告されたスラスターのそれと対等であります。

実験では, 我々 は放電電流 (Id) を制御、推進薬質量 rate(m) の流れし、磁場 (Ba)。操作で放電電圧 (Vd) の値を測定し、(T) の推力、ベースの選択我々 は、他のパフォーマンスを得ることができますからパラメーター力 (P)、特定の衝動 (Isp) のような推力効率 (η)1。
放電電圧の典型的な信号を図 6に示します。動力源の開始、時に、アノード ・ カソード、値は約 230 V 間の開回路電圧があります。この開回路電圧は放電管; ニュートラルの推進体を打破するために十分に高くないです。我々 は、スラスターを点火する高周波放電電圧を適用する必要があります。点火後、電圧が急速に減少します。振動の期間の後に定数値、電圧動向。
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-...

このプロトコルの目標は、100 のデザインを紹介する、kW クラス適用フィールド ノズル形状スラスターと関連する実験手法。

100 KW 級適用フィールド ノズル形状スラスター

Applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) are hybrid accelerators in which electromagnetic and gas dynamic processes accelerate ...

このプロトコルの目的は、100キロワット級の応用磁場磁気プラズマ力学的スラスターと相対実験法の設計を導入することです。磁気プラズマの力学的スラスター、すなわちMPDスラスターは、典型的な電気加速器である。これは、高い比インパルスと高いスラスター密度でよく知られており、将来の高出力宇宙ミッションにおける私たちの主な推進力の主要な候補として扱われます。本稿では、100キロワット級の応用フィールドMPDスラスターの設計、相対スラスタ実験を行うために必要な実験システム、およびこの実験を終える作業手順を紹介します。スラスター設計。スラスターは主にアノード、カソードおよび絶縁体から成っている。アノードは、シリンダー発散ノズルを備えた銅で作られており、最小内径は60ミリメートルです。陰極はタンタルタングステンで造られる9つの推進剤チャネル、外径は16ミリメートルである。左側に中空のカソードコネクタがあります。推進剤はコネクタの中央を流れ、中空のカソードに到達します。陰極ベース内には、9つの円筒形のチャネルと接続する大きな空洞があります。この空洞は、9つのチャネルにおける推進剤分布の均一性を高めるための緩衝剤として機能する。陰極は、カソードコネクタの周囲に取り付けられている環状銅ブロックで電気ケーブルに接続されています。スラスター本体のほかに、MPDスラスターの動作にも外部磁気コイルが必要です。コイルは、電流と冷却水の両方の通路として機能する288ターン円銅管で構成されています。コイルの内径は150ミリメートル、外径は500ミリメートルです。中央の最も高いフィールド強度は0.25 telsaです。実験システム。実験システムは、主に6つのサブシステムを含む実験に必要な条件を提供します。まず、真空システムはスラスターに必要な真空環境を提供します。そして、部屋の直径は3メートル、長さは2メートルです。環境圧力は0.01パスカルの下で維持することができます。第二に、電源システム。電源システムは、点火電源、スラスター電源、コイル電源、ケーブルで構成されています。点火電源は8キロボルトまたは15キロボルトの放電電圧を提供することができます。スラスター電源は、最大1,000アンペレの直流電流を供給します。コイル電源は、最大240アンペアの直流電流を供給します。3つ目は推進剤供給システムで、スラスター用のガス推進剤を供給します。このシステムは主にガス源、マスフローレートコントローラおよびガス供給パイプラインを含んでいる。4つ目は水冷システムで、スラスター、磁気コイル、電源の余分な熱を交換するための高圧水を供給します。その後、スラスターの動作条件の信号を記録し、他のシステムを制御することができる取得および制御システムです。最後の1つは、推力を測定するために使用することができるターゲット推力測定システムです。ターゲットスラストスタンドは、主にプレートターゲット、細いビーム、変位センサー、支持フレーム、軸方向可動プラットフォーム、および無線可動プラットフォームで構成されています。プラズマはターゲットによってインターセプトされ、ターゲットはプラズマによって押されます。ターゲットの変位は、ターゲットの後ろに配置されたセンサーによって測定することができます。このようにして、推力を評価することができます。実験の準備。スラスターを取り付ける。スラスターの部品をクリーンルームでアルコールで拭きます。絶縁体でアノードを組み立てます。カソード、カソードホルダー、カソードコネクタを一緒に持って来てください。陰極部分をアノード部品に追加します。中央コネクタを組み立てに取り付け、ネジで固定します。フォークリフトで実験プラットフォーム上のコイルシートを確立します。真空チャンバのガイドレールに実験プラットフォームを置きます。コイルにスラスターを取り付けアノードとカソードを対応する電気ケーブルでリンクします。磁気コイルをコイル電源とリンクします。スラスターで水冷管と推進剤供給パイプを結合します。コイルと水冷管を結合します。チャンバー内に可動プラットフォームを設置し、その上にスラストスタンドの本体を固定します。移動可能なプラットフォームの位置を調整して、スラスターの中心線とターゲットが互いに譲歩するようにします。その後、推力スタンドをコラボレーションします。まず、コラボレーション装置に異なる重みをロードし、スラストスタンドの対応する出力を記録します。このプロセスを少なくとも 3 回繰り返します。その後、校正データに従って推力スタンドの弾性係数を計算することができます。真空チャンバーを真空にします。チャンバーのドアを閉めます。機械ポンプを起動します。チャンバー内のバックグラウンド圧力が5パスカルより低い場合は、分子ポンプを起動します。チャンバーのバックグラウンド圧力が0.05パスカルより低い場合は、極低温ポンプを起動します。圧力がマイナス4パスカルの力に10に達するのを待ちます。点火と推力測定実験。スラスターが空気にさらされている場合は、スラスターを予熱する必要があります。信号の記録を開始します。推進剤の質量流量を40ミリグラムに設定し、少なくとも20分間供給し続けます。冷却水供給のスイッチを入れます。陽極とカソード水冷ポンプの動作周波数を10ヘルツに設定します。スラスターから遠い位置にスラストスタンドを移動します。コイル電流90アンペアでコイル電源をオンにします。240アンペアの放電電流でスラスター電源をオンにします。イグニッション電源をオンにします。スラスターを少なくとも5分間働かせます。スラスター電源と推進剤の供給をオフにします。再コーディングを停止します。予熱後、推力測定を行うことができる。スラスターから550ミリメートルの位置にスラストスタンドを移動します。信号の記録を開始します。推進剤供給を開始します。90アンペアコイル電流と240アンペレ放電電流でスラスターを点火します。コイル電流を90アンペアに増やします。その後、放電電流を800アンペアに増やします。その後、コイル電流を230アンペアに増やします。スラストスタンドの出力が安定したらスラスターをオフにします。推進剤の供給を停止します。再コーディングを停止します。代表結果。実験では、放電電流、推進剤質量流量、磁場の印加を制御します。次に、放電電圧と推力の値を、電力、比インパルス、推力効率などの他のパフォーマンスパラメータを得ることができる値を測定します。放電電圧の典型的な信号をこの図に示します。電源をオンにした後、スラスターに高電圧を使用して中性推進剤を分解します。点火後、電圧は一定の値に変化し、基本的には一定に保たれます。その後、点火が成功したと言うことができます。典型的な推力測定結果をこの図に示す。推進剤供給前にスラスタースタンドの信号を記録し始め、これはゼロスラストポイントとして扱われます。推進剤を供給した後、わずかな推力があるでしょう。発火後、大きな振動が発生します。その後、推力は安定した値に傾向があります。ターゲットの熱変形によるドリフトはゼロで、その値は50ミリニュートンです。ドリフトによる誤差は1%以下である30分の継続作業中の放電特性を示しています。発火後急速に安定状態にスラスターの動向を集め、この期間中の電圧は非常に安定しています。実験前後のタンタルタングステン中空カソードの外観変化を示す図。実験時間の合計は10時間以上です。カソードの外面に均一に分配するわずかな浸食を見つけることができます, これは、スラスターが10時間よりもはるかに長い時間のために動作する可能性を持っています.継続作業試験の後、50~100キロワットのパワーレンジでスラスターの性能を検討しました。最高の性能は99.5キロワットで得られ、推力は3,052ミリニュートンである。比インパルスは4、359秒、推力効率は67%であり、スラスターが最高の性能に達すると、バックグラウンド圧力は0.2パスカルであることに注目に値する。測定された性能は、高圧の影響により実際の値よりも高くなる場合があります。テスターはタンタルタングステンからなされ、操作抵抗を示す。ガスパワーは100キロワットで、推力は3,050ミリニュートン、比インパルスは4、300秒、効率は67%

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