Summary
L'obiettivo del presente protocollo è quello di introdurre il design di un 100 kW classe campo applicato magnetoplasmadynamic thruster e metodi sperimentali pertinenti.
Abstract
Campo applicato magnetoplasmadynamic thruster (thruster AF-MPD) sono gli acceleratori ibrido in cui elettromagnetica e processi dinamici gas accelerano al plasma ad alta velocità; hanno un notevole potenziale di applicazioni spaziali futuri con i vantaggi significativi di elevato impulso specifico e densità di Spinta. In questa carta, presentiamo una serie di protocolli per la progettazione e produzione di una classe 100 kW dell'elica di AF-MPD con raffreddamento ad acqua un 0.25 T massima resistenza del campo magnetico, una tensione di scarico massima 130 V, un 800 A massima corrente di Scarica e strutture. Un catodo di tungsteno cava tantalio funge da ingresso alla solo propellente per inibire la mandata radiale, e si è vincolato assialmente nella parte posteriore dell'anodo al fine di alleviare la fame di anodo. Un anodo di rame divergente cilindrico è impiegato per ridurre la deposizione di potenza anodo, dove la lunghezza è stata ridotta per diminuire l'area di collegamento al plasma a parete. Esperimenti utilizzate un vuoto sistema che può raggiungere un vuoto di lavoro di 0,01 Pa per un flusso di massa propellente totale tasso inferiore a 40 mg/s e una destinazione stand di Spinta. I test del propulsore sono stati effettuati per misurare gli effetti dei parametri di lavoro quali portate propellente, la corrente di Scarica e la forza del campo magnetico applicato sulle prestazioni e per consentire analisi appropriata. Il propulsore potrebbe essere ininterrottamente per lunghi periodi di tempo con piccola erosione sulla superficie del catodo cavo. La potenza massima del propulsore è 100 kW e le prestazioni di questa configurazione raffreddato ad acqua è paragonabile a quella dei propulsori segnalati nella letteratura.
Introduction
I propulsori MPD sono ben noti per una densità di Spinta relativamente elevata e un elevato impulso specifico1,2,3. Tuttavia, la Spinta tipica efficienza1 di propulsori MPD è relativamente basso, soprattutto con propellenti di gas nobili4,5,6. Per la maggior parte delle eliche di MPD, una parte del flusso del propellant è iniettata nella camera di scarico da una fessura tra anodo e catodo7,8 , con il risultato che un componente radiale è una percentuale significativa della scarica totale. Tuttavia, al fine di generare una Spinta, effetti cinetici radiali devono essere convertiti in movimento cinetico assiale con un ugello fisico o un ugello magnetico. Di conseguenza, una caratteristica fondamentale del nuovo propulsore MPD design è che tutti propellente è fornita attraverso il catodo, che può agire per inibire mandata radiale; in questo modo, si può aumentare la percentuale di energia assiale. C'è un effetto aggiuntivo in quanto il parametro Hall nel plasma intorno l'anodo può essere aumentato tramite la diminuzione di densità del numero intorno all'anodo, che può rafforzare la componente di accelerazione Padiglione9. Poiché il propellente è vicino alla superficie interna del catodo dove grandi quantità di elettroni iniziali vengono emessi in questa modalità di iniezione, il tasso di ionizzazione propellente può essere aumentato notevolmente. Inoltre, la lunghezza di anodo è stato ridotto al minimo per ridurre l'area di collegamento al plasma a parete e ridurre anodo potenza deposizione10,11. Come viene applicato un anodo divergente, ciò diminuirà l'angolo tra l'anodo e le linee del campo magnetico e diminuire anodo potenza deposizione ulteriori12,13.
Nonostante i vantaggi sopra per migliorare le prestazioni, il propellente completo tramite l'iniezione di catodo può aumentare il rischio di fame di anodo che possa provocare fenomeni di "onset"14. Per inibire questo comportamento, abbiamo abbiamo ritirato il catodo verso la base dell'anodo. Gli elettroni possono quindi diffondere sufficientemente in direzione radiale prima di lasciare l'uscita di anodo, che agirà per alleviare la fame di anodo. Ulteriormente, è adottato un catodo cavo multicanale; rispetto per il catodo cavo singolo canale, un catodo cavo multicanale può aumentare l'area di emissione di elettroni e rendere più uniforme la distribuzione del propellente. Con questa modifica, la durata e la stabilità del propulsore può essere aumentata di15,16,17.
La potenza progettata del propulsore è 100 kW e una struttura di raffreddamento è necessario con funzionamento nello stato stazionario. Negli esperimenti di laboratorio attuali, è impiegata una struttura efficiente raffreddamento ad acqua. Tuttavia, per valutare le prestazioni del progetto propulsore MPD, è fondamentale per ottenere la spinta. Con l'applicazione di un sistema di acqua ad alta pressione per trasferire il calore, ci saranno forti vibrazioni durante il funzionamento di questo tipo di raffreddamento, che possa creare interferenza significativa se abbiamo usato misure tradizionali assiali. Di conseguenza, uno stand di destinazione di Spinta è impiegato per misurare la spinta.
Propulsore MPD
Come illustrato nella Figura 1, il propulsore MPD è costituito da anodo, catodo e isolante. L'anodo è fatto di rame con un ugello divergente cilindrico, il cui diametro interno minimo è 60 mm. C'è un canale di raffreddamento a forma di S intorno alla parete interna dell'anodo. L'ingresso e l'uscita del canale sono in cima all'anodo, che sono separati da un deflettore. Un blocco di rame sottile è impiegato per collegare l'anodo e il cavo elettrico. La giunzione è sulla superficie esterna dell'anodo.
Il materiale del catodo è tungsteno di tantalio, con nove canali di propellente. Il diametro esterno del catodo è di 16 mm. Il raffreddamento del catodo è realizzato con un supporto di raffreddamento ad acqua intorno alla base del catodo. C'è un canale a forma di anello all'interno del supporto. L'acqua fredda viene iniettato il titolare dal basso e fuoriesce dalla parte superiore. C'è un catodo cavo connettore sul lato sinistro del catodo. Il propellente scorre attraverso il centro del connettore e nella camera del catodo cavo; C'è una grande cavità all'interno della base di catodo collegamento con nove stretti canali cilindrici. La cavità agisce come un buffer per aumentare l'uniformità della distribuzione del propellant in nove canali. Il catodo è collegato al cavo elettrico con un blocco di rame anulare, che è installato intorno al connettore del catodo.
Oltre al corpo principale del propulsore, un'esterna bobina magnetica è anche necessaria per generare campi per i meccanismi nel propulsore AF-MPD; campi magnetici forniscono un campo magnetico convergente-divergente per accelerare il plasma insieme al campo elettrico. La bobina di campo è composto da 288 giri circolari di tubi di rame, che agiscono come il passaggio per entrambi acqua corrente e raffreddamento elettrico. Il diametro interno della bobina è di 150 mm, mentre il diametro esterno è di 500 mm. il più alta intensità di campo al centro è 0.25 T con corrente di 230 A.
Sistema di esperimento
Il sistema di esperimento include sei sottosistemi. Il diagramma schematico del layout complessivo del sistema sperimentale è mostrato in Figura 2; il layout del propulsore all'interno della camera del vuoto è illustrato nella Figura 3.
In primo luogo, il sistema di vuoto, che fornisce l'ambiente vuoto necessario per il funzionamento del propulsore, è costituito da una camera a vuoto, due pompe meccaniche, una pompa molecolare e quattro pompe criogeniche. Il diametro della camera è di 3 m e la lunghezza è di 5 m. La pressione ambiente può essere mantenuta sotto 0,01 Pa quando la portata del propellente (argon) è non più di 40 mg/s.
In secondo luogo, questo sistema di origine fornisce un impulso di alta tensione per accendere il propulsore, fornisce l'alimentazione per il propulsore accelerare il plasma e fornisce l'alimentazione per la bobina di campo magnetico sostenere il campo magnetico esterno. Il sistema di sorgente di alimentazione è costituito da una fonte di energia di accensione, una fonte di alimentazione del propulsore, una fonte di alimentazione della bobina e cavi. La fonte di energia di accensione può fornire 8 kV o 15 kV tensione di scarico. La fonte di alimentazione del propulsore fornisce una corrente continua fino a 1000 A. La fonte di alimentazione bobina fornisce una corrente continua fino a 240 A.
In terzo luogo, il sistema di alimentazione propellente feed propellente gas per eliche di manovra. Il sistema comprende principalmente la fonte di gas, il controller di tasso di flusso di massa e gas pipeline di alimentazione.
Il quarto sub-sistema è il sistema di raffreddamento ad acqua, che fornisce acqua fredda ad alta pressione per scambiare il calore del propulsore, bobina magnetica e fonti di energia. Come illustrato nella Figura 4, il sistema consiste di gruppo pompe, serbatoio acqua, Frigorifero, controller di pompe e condutture di alimentazione acqua. I tubi non conduttivi all'interno della camera del vuoto forniscono un terminale acqua raffreddamento per il propulsore e la bobina magnetica e assicura che isolamento elettrico tra l'anodo, catodo e la terra.
L'acquisizione e il sistema di controllo può registrare i segnali di misura condizioni di funzionamento del propulsore e il funzionamento di controllo di altri sistemi. Esso è composto di tre computer e corrispondente software, scheda di acquisizione dati e cavi.
Come illustrato nella Figura 5, lo stand di destinazione di Spinta è costituito da piastra destinazione, snello fascio, sensore di spostamento, telaio di supporto, piattaforma mobile assiale e radiale piattaforma mobile. La destinazione può intercettare il plasma che spinge il bersaglio. Lo spostamento del bersaglio può essere misurato da un sensore posizionato dietro l'obiettivo, in questo modo permettendo la valutazione della spinta18.
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Protocol
1. Preparazione per esperimento
- Installare l'elica.
- Pulire i componenti del panno polvere-stracci propulsore, imbevuto con alcool anidro, in una camera pulita.
- Montare l'anodo con l'isolante.
- Riunire il catodo, il titolare del catodo e il catodo connettore.
- Aggiungere la parte del catodo per la parte di anodo.
- Inserire il connettore centrale l'assemblaggio e fissarle con viti (vite testa a brugola, M5 × 16).
- Stabilire la sede della bobina sulla piattaforma di esperimento con carrello elevatore.
- Posizionare la piattaforma di esperimento su rotaia di guida della camera del vuoto.
- Installare l'elica sulla bobina.
- Collegare l'anodo e il catodo con cavi elettrici corrispondenti.
- Collegare la bobina magnetica con la fonte di alimentazione della bobina.
- Unire i tubi di raffreddamento ad acqua e tubo di alimentazione propellente con il propulsore.
- Si uniscono i tubi di raffreddamento ad acqua con la bobina.
- Installare la piattaforma mobile all'interno della camera e la correzione che il corpo principale di Spinta stare su di esso.
- Regolare la posizione della piattaforma mobile radiale per rendere le linee di controllo del propulsore e la destinazione coincidono con l'altro.
- Calibrare lo stand di Spinta.
- Caricare diversi pesi (10g, 50g, 100g, 200g), uno per uno, sul dispositivo di calibrazione e record la corrispondente uscita dello stand assiali.
- Scaricare i pesi uno per uno.
- Ripetere il processo per tre volte almeno.
- Calcolare il coefficiente elastico dello stand Spinta secondo i dati di calibrazione.
- Evacuare la camera a vuoto.
- Chiudere la porta della camera.
- Avviare le pompe meccaniche.
- Avviare le pompe molecolari, quando la pressione di fondo nella camera è inferiore a 5 PA.
- Avviare le pompe criogeniche, quando la pressione di fondo nella camera è inferiore a 0,05 PA.
- Attendere che la pressione raggiungere 1 x 10-4 PA.
2. accensione e Spinta misura esperimento
- Preriscaldare il propulsore se è stato esposto all'aria.
- Avviare la registrazione del segnale.
- Impostare la velocità di flusso di massa propellente a 40 mg/s e continuare a fornire per almeno 20 minuti
- Accendere l'alimentazione dell'acqua di raffreddamento.
- Impostare la frequenza di funzionamento delle pompe di acqua a 10 Hz di raffreddamento.
- Spostare lo stand di Spinta la posizione lontano del propulsore.
- Accendere la fonte di alimentazione della bobina con la corrente della bobina di 90 A.
- Accendere la sorgente di potenza del propulsore con la corrente di Scarica di 240 A.
- Accendere la fonte di energia di accensione.
- Tenere l'elica lavora per almeno 5 minuti.
- Spegnere la fonte di alimentazione del propulsore e il propellente.
- Interrompere la registrazione.
- Misurazione di Spinta
- Spostare nella posizione 550 mm lo stand di spinta dal propulsore.
- Avviare la registrazione del segnale.
- Avviare il propellente.
- Accendere il propulsore con 90 A bobina corrente e corrente di Scarica di 240 A.
- Aumentare la bobina corrente a 150 A.
- Aumentare lo scarico corrente a 800 A.
- Aumentare la bobina corrente a 230 A.
- Spegnere il propulsore quando l'uscita di Spinta stand diventa stabile.
- Interrompere la fornitura di propellente.
- Interrompere la registrazione.
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Representative Results
Nell'esperimento, abbiamo il controllo corrente di Scarica (Id), Massa propellente flusso rate(m) e applicato il campo magnetico (Ba). Nell'operazione, misuriamo il valore di tensione di Scarica (Vd) e Spinta (T), da quale base possiamo ottenere altre prestazioni parametri come potenza (P), impulso specifico (Isp) e Spinta del rendimento (η)1.
Un tipico segnale di tensione di Scarica è illustrato nella Figura 6. All'inizio della fonte di alimentazione, ci sarà una tensione di circuito aperto tra l'anodo e il catodo, il cui valore è di circa 230 V. Questa tensione a circuito aperto non è sufficiente per abbattere il propellente neutro nella camera di scarico; Abbiamo bisogno di applicare una tensione di scarico ad alta frequenza per accendere il propulsore. Dopo l'accensione, la tensione diminuirà rapidamente; quindi le tendenze di tensione ad un valore costante dopo un periodo di oscillazione.
Un risultato di misurazione tipici Spinta è illustrato nella Figura 7. Abbiamo iniziare a registrare il segnale dello stand prima dell'inizio della fornitura del propellant, che viene considerato come punto zero-reggispinta assiali. Ci sarà una Spinta debole dopo l'inizio fornitura del propellente. Dopo l'accensione del propulsore, ci sarà un grande segnale con oscillazioni, dopo di che la Spinta tendenze a valore costante. Spegnere il propulsore. Ci sarà una deriva di zero a causa della deformazione termica del target; l'errore causato da questo effetto sarà non più di 1%.
Figura 8 Mostra l'influenza della corrente di dispersione, campo applicato e portata di massa del propellente Spinta per l'arco di potenza fino a 25 kW. Abbiamo scelto: Id = 200 A, Ba = 100 mT, ṁ = 40 mg/s, come una condizione di funzionamento di base; una serie di esperimenti vengono condotti per confrontare con i dati di base. Sola operazione parametro viene modificato in ogni esperimento di contrasto: la corrente di Scarica può essere variata da 160 A 360 A; la forza di campo applicato può essere variata da 34 mT a 258 mT; portata massica di propellente può essere variata da 20 mg/s a 80 mg/s. Per la comodità di confronto, abbiamo normalizzare questi parametri di funzionamento di tre, come illustrato nell'asse x inferiore nella Figura 8. Quando i parametri di funzionamento normalizzate sono 1.0, significa che le condizioni di funzionamento sono gli stessi come quella di base. Insieme con l'asse x di fondo, ci sono tre ulteriori assi x in alto a sinistra, che corrispondono ai valori originali dei tre parametri, rispettivamente.
Figura 9 Mostra le caratteristiche di scarico durante una mezz'ora di funzionamento continuo. Si vede che le tendenze di propulsore a uno stato di costante velocemente dopo l'accensione e la tensione è stabile durante questo periodo.
Figura 10 presenta fotografie del catodo di tungsteno di tantalio, prima e dopo il test. Il tempo di esecuzione totale dei test era 10 h, tra cui una mezz'ora funzionamento continuo e breve tempo test per più di 90 inizia. Si vede che l'erosione è lieve e distribuito uniformemente sulla superficie esterna del catodo. Secondo questo risultato, il propulsore ha il potenziale per operare per lungo tempo.
In seguito i test di funzionamento continuo, abbiamo esplorato le prestazioni del propulsore nella gamma di potere di 50-100 kW. La Spinta è stata misurata con il supporto di destinazione di spinta e la misurazione risultati sono mostrati nella Figura 11. Le prestazioni migliori si ottengono a 99,5 kW, dove la Spinta è 3052 mN, impulso specifico è 4359 s e Spinta efficienza è del 67%. Inoltre, è stato calcolato un valore di Spinta teorica, come in EQ. 1 (Mikellides12 ), da confrontare con i valori di Spinta misurata; la differenza più grande tra di loro era 11,6%.
(1)
(una è raggio catodico al rapporto di lunghezza elettrodo; R è il rapporto di raggio elettrodo; A è il peso atomico in unità di massa atomica e 
è l'ionizzazione fattore12.)
Effetto di ottimizzazione elica
I valori risultanti di spinta in risposta alla variazione dei parametri di sistema è illustrato nella Figura 8, dove si vede che l'influenza della portata massica di propellente sulla spinta è simile a quello del campo applicato. Come gas accelerazione dinamica19 è sensibile al ṁ, si può concludere che la componente di accelerazione dinamica del gas è stata migliorata in nostro propulsore. Inoltre, il campo di corrente e applicata di scarico influenza l'accelerazione elettromagnetica in vari meccanismi e loro influenza dovrebbe essere evidente1. Nei nostri esperimenti, la Spinta è significativamente più sensibile ad un aumento di scarico attuale rispetto a quello del campo applicato, come illustrato nella Figura 8. Uno degli aspetti di questo comportamento può essere dovuto rafforzare gli effetti dinamici di gas dall'aumento assiale scarico attuale grazie alla modalità di propellente specifico di approvvigionamento attraverso il catodo. Inoltre, come illustrato nella Figura 11, il propulsore MPD raggiunge una massima efficienza di spinta del 67%, che è paragonabile all'efficienza superiore di propulsori MPD con propellente di metalli alcalini20. Così, gli effetti delle modifiche di progettazione sono visti per migliorare significativamente le prestazioni del propulsore MPD.
Inoltre, nonostante il fatto che non c'è nessun rifornimento di propellente regione anodo, il nostro propulsore aveva un funzionamento stabile a una corrente di Scarica di 800 A e il propellente frequenza di 70 mg/s. In confronto, il propulsore MPD SX321 con il propellente parziale dall'anodo, raggiunto un regime di inizio ad una corrente di Scarica di 500 A e il propellente tasso di 60 mg/s. basato sulla stabilità di un propulsore MPD con valore critico ho2/ṁ 22, il propulsore presente è leggermente superiore a SX3.
Destinazione di Spinta errori di misura
Con la misura di destinazione di Spinta, è necessario evitare la sopravvalutazione della spinta alla operazione di prestazioni più elevato. Qui assumiamo che la collisione tra la destinazione e le particelle pesanti nel plasma è perfettamente elastica. Così, la metà della spinta misurata è presa come la vera spinta. Inoltre, nel flusso del propellente alla destinazione, diamo per scontato che il plasma è completamente vincolato dal campo magnetico. Abbiamo scelto le linee di campo magnetico che passano attraverso la fascia esterna dell'anodo come limite del ugello magnetico. Supponendo che le particelle di plasma sono distribuite uniformemente nell'ugello, come mostrato nella Figura 12, possiamo ottenere la gamma di plasma presso il piano di destinazione, che è 704 mm di diametro. Quindi il rapporto tra la spinta misurata e la vera spinta può essere espressa come:
(2)
dove F è la spinta misurata dal bersaglio e T è la vera spinta.
Inoltre, a causa del comportamento di barriera del target, propellente particelle possono fluire nuovamente dentro la camera di scarico. Supponendo che tutte le particelle vengono rilasciate dal centro del bersaglio, come mostrato nella Figura 13, e che le distribuzioni di particelle di riflusso obbediscano il coseno legge23, quindi la percentuale di particelle di rientro può essere valutato con EQ. 3. Se le particelle di riflusso distribuiscono uniformemente in tutte le direzioni dello spazio, la proporzione sarà espresso con EQ. 4. Le variazioni delle proporzioni con la destinazione-propulsore distanza z, sotto due ipotesi di distribuzione, sono elencate nella Figura 14. Nella misurazione di Spinta, la distanza di destinazione-propulsore era 550mm; così, la percentuale di particelle di rientro è stata calcolata per essere non più di 0,3%.
La pressione di fondo può anche influenzare le prestazioni di Spinta misurata. Quando il propulsore raggiunge le massime prestazioni, la pressione di fondo nel sistema può essere gestita a 0,2 Pa con la portata di massa di 70 mg/s. Tuttavia, la spinta misurata può essere supera al valore effettivo a causa dell'influenza di questo sfondo alta pressione20,24,25,. Per eliminare questa possibile influenza dovrebbe essere aumentata la velocità della pompa del vuoto, e questo è un aggiornamento pianificato.
Il target è costituito da materiale conduttivo elettrico, ed è isolato da terra durante la misurazione di Spinta. Tuttavia, c'è un'uscita corrente nel pennacchio che può interagire con il target e influenzano il comportamento per il propulsore MPD misura15. Questo può essere un fattore che influenza la grandezza della spinta efficienza ed è degno di ulteriore considerazione.
(3)
(4)
Figura 1 . Diagramma schematico del propulsore AF-MPD
Il corpo principale del propulsore MPD comprende anodo (rame), catodo (tungsteno tantalio), isolante (nitruro di boro), titolare del catodo (rame) e connettore di catodo (rame). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 . Schema del sistema di esperimento di
Linee nel sistema di raffreddamento ad acqua blu: acqua fredda ad alta pressione; linee rosse in acqua sistema di raffreddamento: acqua riscaldata. Green lines nel sistema di acquisizione e controllo: i segnali dei parametri di funzionamento; colore marrone di linee nel sistema di acquisizione e controllo: segnali di istruzioni di controllo. Linee blu nel sistema di fonte di energia: cavi di collegamento verso l'anodo del propulsore e bobina magnetica; linea rossa nel sistema di fonte di energia: fili di collegamento al catodo del propulsore e bobina magnetica. Trapezio blu nel mezzo: larghezza del propulsore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 . Layout di esperimento dentro la camera a vuoto
Il propulsore è posizionato all'interno della bobina di campo magnetico. La bobina è dietro lo stand di destinazione di Spinta; così, la vista del propulsore è ostacolata dalla destinazione dall'angolo visuale nella figura. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 . Raffreddamento ad acqua
(a) gruppo di pompe, serbatoio acqua e frigorifero (collocati di fuori del laboratorio). (b) il metallo ad alta pressione tubi fornendo il raffreddamento dell'acqua (di fuori della camera del vuoto). (c) giunti e tubi isolanti, fornitura di acqua di raffreddamento per elettrodi e bobina magnetica (all'interno della camera del vuoto). (d) controller di pompe impostare la portata delle pompe dell'acqua. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5 . Destinazione metodo Spinta stand
La linea centrale del propulsore e la destinazione sono coincidenti con a vicenda. La posizione assiale del bersaglio può essere regolata con la piattaforma mobile. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6 . Tensione di Scarica tipici per l'elica di
Scarica di corrente di 240 A, campo applicato di 258 mT, portata di massa del propellente di 40 mg/s. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7 . Spinta tipico segnale di misurazione
Scarica di corrente di 240 A, campo applicato di 258 mT, portata di massa del propellente di 40 mg/s. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8 . Influenza del campo di corrente, applicata di scarico e portata di massa propellente sulla spinta, con arco di potenza fino a 25 kW. Ascissa in basso rappresenta i parametri di funzionamento normalizzato tra cui:
ID (corrente di Scarica), Ba (resistenza del campo magnetico applicato) e ṁ (tasso di flusso di massa propellente) con Id = 200 A, Ba = 100 mT, ṁ = 40 mg/s selezionato come condizioni di funzionamento di base, corrispondente al valore di 1 sull'ascissa inferiore. Ascisse sono in alto a sinistra corrisponda ai valori originali dei tre parametri. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9 . Funzionamento continuo corrente e tensione per potere arco di 36 kW
Tre linee continue sono segnali di uscita per lo scarico di tensione, potenza di scarica ad arco corrente e calcolato, rispettivamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 10 . Aspetto iniziale catodo e catodo dopo operazione totale 10 ore.
Il lato sinistro della figura mostra l'immagine del catodo cavo di tungsteno di tantalio prima in fase di scarico; il lato destro Mostra il catodo dopo un totale di 10 ore sotto lo scarico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 11 . Le prestazioni del propulsore nella gamma di potere di 50-100 kW
Punti con i simboli di stelle sono valori di Spinta calcolato dalla formula di Spinta12. Altri simboli sono valori di Spinta misurata con il supporto di destinazione di Spinta. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 12 . Schematica della dimensione del bersaglio rispetto alla geometria del campo magnetico
Le linee tratteggiate rappresentano le linee di campo magnetico attraverso la fascia esterna dell'anodo. Il campo magnetico all'interno delle linee tratteggiate possono formare un sottile ugello magnetico nello spazio. Il diametro dell'ugello è 704 mm sul piano di destinazione, che è di 550 mm dal propulsore nell'esperimento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 13 . Schematica delle dinamiche delle particelle di flusso posteriore
Le frecce irradiate dalla destinazione rappresentano particelle di rimbalzo dal centro del bersaglio. Qui diamo per scontato che tutte le particelle di rimbalzo dal punto centrale del bersaglio. Questa ipotesi sarà sopravvalutare il calcolo della percentuale di particelle di rientro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 14 . Percentuale di propellente di riflusso nella camera di scarico
La riga con i simboli delle piazze rappresenta la percentuale di particelle di rientro basato sul presupposto che le particelle di riflusso obbediscano a una distribuzione di coseno. La linea con simboli del diamante che rappresenta da una distribuzione uniforme. L'ascissa è la distanza tra il bersaglio e l'uscita di anodo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Questo protocollo descrive i processi di accensione, il funzionamento e misura di spinta di un propulsore MPD campo di 100 kW classe applicato. Il punto chiave nella progettazione di un propulsore MPD per ottenere prestazioni ottimali è la scelta della configurazione corretta secondo l'obiettivo specifico. I propulsori MPD con anodo convergente-divergente possono funzionare allo steady-state in una gamma vasta operazione. Tuttavia, le prestazioni potrebbero essere inferiori del propulsore con anodo divergente. Il catodo cavo, soprattutto il catodo cavo multicanale, è superiore a un catodo di asta tradizionale in molti aspetti. Applicazione del catodo cavo è utile per migliorare le prestazioni del propulsore, e consente di scegliere la modalità il propellente. Costo di un catodo cavo di produzione è relativamente alta rispetto con un catodo solido.
Un circuito del fluido di raffreddamento struttura è necessario per il funzionamento del propulsore se è progettato per funzionare per più di 10 minuti. In alternativa, radiazioni raffreddamento è un'altra scelta26, che può evitare tubazioni refrigerante complesse. Tuttavia, ciò potrebbe causare una grande dimensione radiale del propulsore. Inoltre, un tubo di calore può essere un'altra scelta quando impiegato in missione nello spazio reale.
Un campo magnetico esterno è indispensabile per il propulsore di AF-MPD. Il campo può essere fornito da una bobina del solenoide tradizionale, come descritto nel protocollo, o un magnete permanente. Inoltre, la superconduttività è un candidato potenziale, in grado di fornire molto più forte campo magnetico rispetto tradizionale bobina e la massa che di cui è anche meno di bobina magnetica tradizionale.
Per contenere l'esperimento di misurazione di Spinta, la pressione di sfondo deve essere inferiore a 0,013-0,13 Pa1. In caso contrario, può essere influenzato il funzionamento del propulsore. Inoltre, secondo ricerca27, ci sono correnti di deflusso nei pennacchi di propulsori MPD e la corrente più lontana può raggiungere la posizione 90 cm dall'elica in senso assiale. Così, aumentando la dimensione della camera è vantaggioso per diminuire l'influenza della struttura sul propulsore.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato dal programma di ricerca fondamentale (No. JCKY2017601C). Ti ringraziamo per l'aiuto di Thomas M. York, professore emerito presso la Ohio State University.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
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