En 100 KW klassen brukes feltet Magnetoplasmadynamic Thruster

Summary

Målet med denne protokollen er å introdusere utformingen av en 100 kW klassen brukes feltet magnetoplasmadynamic thruster og relevante eksperimentelle metoder.

Abstract

Brukt-feltet magnetoplasmadynamic thrustere (AF-MPD thrustere) er hybrid gasspedalene der elektromagnetiske og gass dynamisk prosesser akselerere plasma til høy hastighet; de har betydelig potensial for fremtidige applikasjoner med betydelig fordelene av høy spesifikke impuls og kastet tetthet. I dette papiret presenterer vi en rekke protokoller for design og produksjon en 100 kW klasse AF-MPD thruster med vann-kjøling strukturer, en 130 V maksimal utslipp spenning, en 800 A maksimal utslipp gjeldende og 0,25 T maksimal styrke av magnetfelt. En hul Tantal tungsten katode fungerer som bare drivstoff innløp å hemme radial utslipp, og den plasseres aksialt på baksiden av anoden for å avlaste anode sult. En sylindrisk divergerende kobber anoden er ansatt å redusere anode makt deponering, hvor lengden er redusert til redusere vegg-plasma koble området. Eksperimenter benyttes et vakuum system som kan oppnå en arbeider vakuum 0,01 Pa for en total drivstoff masse flow rate lavere enn 40 mg/s og mål kastet stå. Thruster testene ble utført å måle effekten av parameterne arbeider som drivstoff strømningshastigheter, utslipp gjeldende og styrke anvendt magnetfelt på ytelsen og tillate riktig analyse. Thrusteren kan brukes kontinuerlig på betydelig perioder med lite erosjon på hul katoden overflaten. Maksimal kraft av thruster er 100 kW, og ytelsen til denne vannkjølt konfigurasjonen kan sammenlignes med at av thrustere rapportert i litteraturen.

Introduction

MPD thrustere er kjent for en relativt høy stakk tetthet og en høy spesifikke impuls^1,2,3. Men er den typiske stakk effektivitet¹ av MPD thrustere relativt lav, spesielt med drivstoff edelgassene^4,5,6. For de fleste MPD thrustere injiseres en del av drivstoff inn i utslipp kammeret fra en rift mellom anoden og katoden^7,8 , med resultatet at en radial komponent er en betydelig andel av samlede utslipp. Men for å generere stakk, må radial kinetic effekter konverteres til aksial kinetic bevegelse med en fysisk munnstykke eller en magnetisk dyse. Derfor er en viktig funksjon i den nye design MPD thrusteren at alle drivstoff leveres gjennom cathode, som kan fungere for å hemme avrundet utskrivning; på denne måten kan du øke andelen av aksial energi. Det er en ekstra effekt i at parameteren Hall i plasma rundt anoden kan økes ved reduksjon av antall tetthet rundt anoden, som kan styrke Hall akselerasjon komponent⁹. Siden drivstoff er nær indre overflaten av katoden hvor store mengder første elektroner er slippes ut i denne injeksjon, kan drivstoff ionisering hastigheten økes betraktelig. Videre er anode lengden minimert å redusere vegg-plasma koble området og redusere anode makt deponering^10,11. Som en avvikende anode brukes, vil dette redusere vinkelen mellom anoden og magnetfelt linjer og redusere anode makt deponering ytterligere^12,13.

Til tross for fordelene nevnt ovenfor for å forbedre ytelsen, kan komplett drivstoff tilførsel av katoden injeksjon øke risikoen for anode sult som kan resultere i “debut” fenomener¹⁴. For å hemme denne oppførselen, har vi trukket katoden tilbake til bunnen av anode. Elektronene kan deretter diffus tilstrekkelig i radial retning før avreise anode utgangen, som også blir for å avlaste anode sult. Videre, en flerkanals hul katode vedtatt; sammenlignet med én kanal hul katoden, kan en flerkanals hul katode øke elektron utslipp området og gjøre distribusjon av drivstoff mer ensartet. Med denne endringen, kan både levetid og stabilitet i thrusteren være økt^15,16,17.

Designet makt thrusteren er 100 kW og en avkjølende struktur er nødvendig med steady state operasjon. I de nåværende laboratorieforsøk, er en effektiv vannkjølt struktur ansatt. Men for å evaluere ytelsen til MPD thruster design, er det avgjørende å få stakk. Med anvendelse av et høytrykks vann system å overføre varme, vil det være sterk vibrasjon under drift av slike kjøling, som kan skape betydelige forstyrrelser hvis vi brukte tradisjonelle stakk målinger. Følgelig er en målet kastet står ansatt å måle stakk.

MPD Thruster

Som vist i figur 1, består MPD thruster av anoden og katoden isolator. Anoden er laget av kobber med en sylindrisk divergerende dyse, indre minimumsdiameteren som er 60 mm. Det er en S-formet kjøling kanal rundt den indre veggen i anoden. Innløp og utløp av kanalen er på anoden, som er atskilt med en forbløffe. En tynn kobber blokk er ansatt å koble anoden og strømkabelen. Krysset er på den ytre overflaten av anoden.

Katoden materiale er Tantal tungsten, med ni drivstoff kanaler. Den ytre diameteren av katoden er 16 mm. Kjøling av katoden oppnås med en vannkjølt holder rundt katoden basen. Det er en ringformede kanal i abonnenten. Kaldt vann injiseres inn i holderen nederst og strømmer ut fra toppen. Det er en hule katoden kontakt på venstre side av katoden. Drivstoff renner gjennom sentrum av kontakten og inn i hul katoden kammeret; Det er et stort hulrom innenfor katoden grunnflaten forbinder med ni trange sylindriske kanaler. Hulrommet fungerer som en buffer øke sıtt drivstoff distribusjon i ni kanaler. Katoden er koblet til strømkabelen med en Ringformet kobber blokk, som installeres rundt katoden koblingen.

I tillegg til hoveddelen av thrusteren er en ekstern magnetisk spole også nødvendig å generere felt for mekanismer i AF-MPD thruster; magnetfelt gir et konvergent-divergerende magnetfelt for å akselerere plasma elektriske feltet. Feltet spolen består av 288 svinger av sirkulære kobber rør som passasje for både elektrisk strøm og kjøling vann. Den indre diameteren på spolen er 150 mm, mens den ytre diameteren er 500 mm. Høyeste feltstyrken i midten er 0,25 T med strøm av 230 A.

Eksperimentet System

Eksperimentet systemet inkluderer seks delsystemer. Skjematisk diagram av layouten for eksperimentell systemet er vist i figur 2; utformingen av thruster inne i vakuum kammeret er vist i Figur 3.

Første består vakuum systemet, som gir nødvendig vakuum miljøet for thruster operasjonen, av et vakuum kammer, to mekaniske pumper, en molekylære pumpen og fire kryogene pumper. Diameteren på kammeret er 3 m er 5 m. Miljø trykket kan opprettholdes under 0.01 Pa når inntakets (argon) drivstoff er mer enn 40 mg/s.

Andre gir kildesystemet en høy spenning puls å tenne thruster, gir strøm til thruster å akselerere plasma og gir strøm til magnetfelt spolen å opprettholde det eksterne magnetfeltet. Strømkilde system består av en tenning strømkilde, en thruster strømkilde, en coil strømkilde og kabler. Tenningen strømkilden kan gi 8 kV eller 15 kV utslipp spenning. Strømkilden thruster gir en likespenning opp til 1000 A. Strømkilden coil gir en likespenning opptil 240 A.

Tredje, drivstoff levering systemet strømmer gass drivstoff thrustere. Systemet omfatter hovedsakelig gasskilde, masse flow rate kontrolleren og gass leverer rørledninger.

Fjerde sub systemet er kjølesystem, som gir kjølig høytrykks vann for å utveksle varmen thruster, magnetisk spole og strømkilder. Som vist i Figur 4, består systemet av pumper gruppen, vanntank, kjøleskap, vannforsyning rør og pumper kontrollere. Ikke-ledende rørene inne i vakuum kammeret gir en avkjølende vann terminal for thruster og magnetisk spole, og sikrer at elektrisk isolasjon blant anoden og katoden bakken.

Oppkjøp og kontrollsystem kan registrere signalene måle thruster operasjonen forhold og kontroll drift av andre systemer. Det består av tre datamaskiner og tilhørende programvare, oppkjøp datakort og kabler.

Som vist i figur 5, består målet kastet står av platen mål, slanke strålen, forskyvning sensor, støtte rammen, aksial bevegelig plattform og radial bevegelig plattform. Målet kan snappe plasma som presser målet. Forskyvning av målet kan måles av en sensor plassert bak målet, på denne måten slik at evaluering av thrust¹⁸.

Protocol

1. Forberedelse for eksperimentet Installere thrusteren. Tørk komponentene i den thruster withnon-støv kluten fuktet med vannfri alkohol, i et rent rom. Samle anoden med isolator. Samle katoden, katoden holderen og katoden kontakten. Legge til delen katoden delen anode. Installere midt forbinde i forsamlingen og fikse dem med skruer (sekskant socket skrue, M5 × 16). Opprette coil setet på eksperimentet plattform med gaffeltruck. …

Representative Results

I forsøket, vi kontrollere utslipp gjeldende (Id), drivstoff mass flow rate(m) og brukt magnetfelt (Ba). I drift, vi måler verdien av utslipp spenning (Vd) og kastet (T), fra hvilke base vi kan få andre ytelse som strøm (P), spesifikke impuls (Isp) og kastet effektivitet (η)1. Et typisk signal utslipp spenning er vist i figur 6. Ved innvielsen av strømforsyningen, vil d…

Discussion

Denne protokollen beskriver prosessene av tenningen, drift og stakk måling av en 100 kW klassen brukes feltet MPD thruster. Det sentrale punktet i utformingen av en MPD thruster for optimal ytelse er å velge riktig konfigurasjon etter målsetting. MPD thrustere med konvergent-divergerende anode kan fungere stabil i mange store operasjon. Ytelsen kan imidlertid være lavere enn thruster med avvikende anode. Hul katoden, spesielt flerkanals hul katoden, er bedre enn en tradisjonell rod katode i de fleste aspekter. Anvend…

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