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 impuls1,2,3. Den typiska dragkraft effektivitet1 av MPD drivraketer är dock relativt låg, särskilt med drivmedel ädelgaser4,5,6. För de flesta MPD drivraketer injiceras en del av drivmedel flödet i ansvarsfrihet kammaren från en skåra mellan anod och katod7,8 , 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 nedfall10,11. Som en avvikande anod appliceras, kommer detta minska vinkeln mellan anoden och magnetiska fältlinjer och minska anod power nedfall ytterligare12,13.
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 ökad15,16,17.
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 gaffeltruck.
- Placera experiment plattformen på styrskenan i en vakuumkammare.
- Installera bogpropellern på spolen.
- Länk anoden och katoden med motsvarande elektriska kablar.
- Länka den magnetisk spolen med spole strömkällan.
- Gå upp vätskekylaggregat rören och drivgas framledningen med bogpropellern.
- Gå upp water-cooling rören med spolen.
- Installera den rörliga plattformen inne i kammaren och fixa huvuddelen av dragkraft stå på den.
- Justera positionen för radiellt rörliga plattformen att göra kontroll linjer av bogpropellern och målet sammanfaller med varandra.
- Kalibrera dragkraft stativet.
- Ladda olika vikter (10 g, 50 g, 100 g, 200 g), en efter en, på kalibrering enheten och post motsvarande utgång av dragkraft stand.
- Lasta vikterna en efter en.
- Upprepa processen för tre gånger minst.
- Beräkna den elastiska koefficienten av dragkraft står enligt kalibreringsdata.
- Evakuera vakuumkammare.
- Stäng dörren till kammaren.
- Starta de mekaniska pumparna.
- Starta de molekylära pumparna när bakgrunden trycket i kammaren är lägre än 5 Pa.
- Starta de kryogena pumparna när bakgrunden trycket i kammaren är lägre än 0,05 Pa.
- Vänta för att trycket skall nå 1 x 10-4 Pa.
2. Tänd- och dragkraft mätning Experiment
- Värm bogpropellern om det har utsatts för luften.
- Börja spela in signalen.
- Massflödet av drivmedel vid 40 mg/s som hålla levererar under minst 20 minuter
- Slå på kylning vattenförsörjningen.
- Ställa in fungerande frekvens av kyla bevattnar pumpar vid 10 Hz.
- Flytta dragkraft stativet till position långt ifrån bogpropellern.
- Slå på spolen strömkällan med spole strömmen av 90 A.
- Inkoppling bogpropeller strömkällan med ansvarsfrihet strömmen av 240 A.
- Slå på tändningen strömkällan.
- Hålla den bogpropeller som arbetar i minst 5 minuter.
- Stänga av bogpropeller strömkälla och drivgas leverans.
- Stoppa inspelningen.
- Thrust mätning
- Flytta dragkraft stativet till position 550 mm från bogpropellern.
- Börja spela in signalen.
- Starta drivmedel leverans.
- Antända bogpropellern med 90 A spole nuvarande och 240 A ansvarsfrihet nuvarande.
- Öka spolen som är aktuella till 150 A.
- Öka ansvarsfriheten som är aktuella till 800 A.
- Öka spolen som är aktuella till 230 A.
- Stäng av bogpropellern när produktionen av dragkraft stativ blir stabil.
- Stoppa drivmedel leverans.
- Stoppa inspelningen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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. Vid initiering av strömkällan, kommer det att finnas en öppen krets spänning mellan anoden och katoden, vars värde är cirka 230 V. Detta öppen krets spänning är inte tillräckligt hög för att bryta ner det neutrala drivmedlet i ansvarsfrihet kammaren. Vi måste tillämpa en hög frekvens ansvarsfrihet spänning för att antända bogpropellern. Efter glödgning minskar spänningen snabbt; sedan spänning trenderna till ett konstant värde efter en period av svängningen.
En typisk dragkraft mätresultatet visas i figur 7. Vi börja spela in signalen av dragkraft stå innan leverans av drivmedel, som behandlas som noll-dragkraft punkt. Det blir en svag dragkraft efter början leverans av drivmedel. Efter propeller tändningen, kommer det att finnas en stor signal med svängningar, varefter framstöten trender till stadig värde. Sedan vi stänga bogpropellern. Det blir en noll-drift på grund av termisk deformation av målet. felet orsakas av denna effekt kommer att vara mer än 1%.
Figur 8 visar påverkan av ansvarsfrihet nuvarande, tillämpad området och drivgas massflöde på dragkraft för arc makt upp till 25 kW. Vi väljer: Id = 200 A, Ba = 100 mT, ṁ = 40 mg/s, som en grundläggande drift villkor; en serie experiment genomförs för att jämföra med grundläggande data. Endast en drift parameter kommer att ändras i varje kontrast experiment: ansvarsfrihet nuvarande kan varieras från 160 A till 360 A; Tillämpad fältstyrkan kan varieras från 34 mT till 258 mT; massflödet av drivmedel kan varieras från 20 mg/s till 80 mg/s. För att underlätta jämförelse normalisera vi dessa tre driftparametrar, som visas i nedersta x-axeln i figur 8. När normaliserade driftparametrar är 1.0, innebär det drift villkor är samma som den grundläggande. Tillsammans med botten x-axeln finns det tre mer x-axes på toppen, som motsvarar de ursprungliga värdena av de tre parametrarna, respektive.
Figur 9 visar ansvarsfrihet egenskaper under en halvtimme av kontinuerlig drift. Det kan ses att de bogpropeller trenderna till steady-state snabbt efter glödgning, och spänningen är stabil under denna period.
Figur 10 visar fotografier av tantal volfram katoden före och efter tester. Den totala körningstiden för testerna var 10 h, inklusive en halvtimmes kontinuerlig drift och kort tid testning för mer än 90 starter. Det kan ses att erosionen är liten och distribuerade jämnt på den yttre ytan av katoden. Enligt detta resultat har bogpropellern potential att verka under lång tid.
Efter kontinuerlig drift testerna utforskade vi prestanda för bogpropellern i effektområdet på 50-100 kW. Dragkraften mättes med målet dragkraft stativet, och resultaten visas i figur 11. Bästa prestanda erhålls på 99,5 kW, där huvudinriktningen är 3052 mN, specifik impuls är 4359 s och dragkraft effektivitet är 67%. Dessutom beräknades en teoretisk dragkraft värde enligt ekv 1 (Mikellides12 ), att jämföra med uppmätta kraften värden; den största skillnaden mellan dem var 11,6%.
(1)
(en är katod radie elektrod längd förhållandet; R är elektroden RADIUS-förhållande; A är atomvikt i atommassenheten och 
är joniseringen faktor12.)
Effekten av bogpropeller optimering
Resultatvärdena av dragkraft som svar på variant av systemparametrar visas i figur 8, där det kan ses att påverkan av drivmedel massflöde på inriktningen är liknande till det av tillämpad området. Som gas dynamisk acceleration19 är känslig för ṁ, kan slutsatsen dras att komponenten gas dynamisk acceleration förbättras i vår bogpropeller. Dessutom fältet ansvarsfrihet nuvarande och tillämpad påverka elektromagnetiska accelerationen i flera olika mekanismer och deras inflytande bör vara uppenbart1. I vårt experiment är huvudinriktningen betydligt känsligare för en ökning av ansvarsfrihet nuvarande förhållande som i tillämpad fältet som visas i figur 8. En aspekt av detta beteende kan bero på att stärka gas dynamiska effekter från öka axial ansvarsfrihet nuvarande på grund av det specifika drivmedel supply-läget genom katoden. Ytterligare, i figur 11visas den MPD bogpropellern når en högsta dragkraft verkningsgrad på 67%, vilket är jämförbart med MPD drivraketer överlägsen effektivitet med drivgas alkalimetall20. Således ses effekterna av designändringar att avsevärt förbättra prestanda för MPD bogpropeller.
Dessutom, trots att det inte finns någon anod regionen drivmedel leverans, hade vår bogpropeller stabil drift en urladdning ström av 800 A och drivgas leverans om 70 mg/s. En jämförelse av MPD bogpropeller SX321 med drivgas delleveranser från anoden nådde en debut regim en urladdning ström av 500 A och drivgas leverans om 60 mg/s. baserat på stabiliteten i en MPD bogpropeller med kritiska värdet jag2/ṁ 22, den nuvarande bogpropellern är något överlägsen SX3.
Målet dragkraft mätfel
Med målet dragkraft mätning är det nödvändigt att undvika överskattning av dragkraften vid den högsta prestanda-driften. Här antar vi att kollisionen mellan målet och de tunga partiklarna i plasma är perfekt elastisk. Således tas halvan av uppmätta kraften som den sanna dragkraften. Dessutom i flödet av drivmedel till målet antar vi att plasma helt begränsas av magnetfältet. Vi valde de magnetfält linjerna som passerar den yttre rad anoden som gräns av magnetiska munstycke. Antar att plasma partiklarna är jämnt fördelat i munstycket, som visas i figur 12, kan vi få spänna av plasma på målet planet, som är 704 mm i diameter. Då förhållandet mellan den uppmätta kraften och sanna dragkraft kan uttryckas som:
(2)
där F är den uppmätta kraften av målet och T är sanna dragkraft.
Vidare, på grund av beteendet barriär med målet, drivmedel partiklar kan flöda tillbaka in i ansvarsfrihet kammaren. Antar att alla partiklar frigörs från mitten av målet, som visas i figur 13, och att fördelningen av back-flow partiklar lyda cosinus lag23, då andelen reentry partiklar kan utvärderas med ekv 3. Om rygg-flow partiklarna distribuera jämnt i alla riktningar utrymme, kommer andelen uttryckas med Eq. 4. Variationer i proportionerna med målet-bogpropeller avstånd z, under två distribution antaganden, visas i figur 14. I dragkraft mätning var target-bogpropeller avståndet 550mm; Således, beräknades andelen reentry partiklar vara högst 0,3%.
Bakgrunden trycket kan också påverka den uppmätta kraften prestandan. När bogpropellern når högsta prestanda, bakgrunden trycket i systemet kan upprätthållas på 0,2 Pa med massflödet av 70 mg/s. Den uppmätta kraften kan dock vara högre än det faktiska värdet på grund av påverkan av detta höga tryck20,24,25,. För att eliminera denna möjliga inflytande pumpens varvtal av vakuum systemet bör ökas, och detta är en planerad uppgradering.
Målet är tillverkad av elektriskt ledande material, och det är isolerad från marken under dragkraft mätning. Det finns dock ett utflöde som är aktuella i plymen som kan interagera med målet och påverkar beteendet för MPD bogpropeller mätning15. Detta kan vara en faktor som påverkar omfattningen av dragkraft effektivitet och förtjänar ytterligare övervägande.
(3)
(4)
Figur 1 . Schematisk bild av den AF-MPD bogpropellern
Huvuddelen av den MPD bogpropellern ingår anod (koppar), katoden (tantal tungsten), isolator (bornitrid), katod innehavaren (koppar) och katod-kontakt (koppar). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 . Schematisk bild av experiment system
Blå linjer i vatten kylsystem: högtryck kallvatten; röda linjer i vatten kylsystem: uppvärmt vatten. Gröna linjer i förvärvet och kontroll system: signaler av driftparametrar; bruna linjerna i förvärvet och kontrollsystem: signaler kontroll instruktioner. Blå linjer i kraftsystemet Källa: kablar ansluter till anoden av bogpropeller och magnetspolen; röd linje i kraftsystemet Källa: kablar ansluter till katoden av bogpropeller och magnetspolen. Blå parallelltrapets i mitten: stråle av bogpropellern. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 . Experimentet layout inuti vakuumkammare
Bogpropellern är placerad inuti magnetfältet spolen. Spolen är bakom målet dragkraft stativet; Således, vyn bogpropeller är blockerat av målet från visuell vinkel i figuren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 . Vattenkylningssystem
(en) pumpar grupp, vattentank och kylskåp (placeras utanför laboratoriet). (b), högt tryck metall rör levererar kyla vatten (utanför vakuum kammaren). (c) lederna och isolerande rör leverera kylvatten för elektroder och magnetisk spole (inuti vakuumkammare). (d) pumpar domänkontrollanter Ange flödet klassar av vattenpumpar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 . Mål metod dragkraft monter
Linjen central i bogpropellern och målet är sammanfallande med varandra. Målet axiella position kan justeras med rörliga plattformen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 . Typiska ansvarsfrihet spänning för bogpropellern
Urladdning ström av 240 A, tillämpad området av 258 mT, drivgas massflödet av 40 mg/s. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 7 . Typiska dragkraft mätsignal
Urladdning ström av 240 A, tillämpad området av 258 mT, drivgas massflödet av 40 mg/s. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 8 . Påverkan av ansvarsfrihet nuvarande, tillämpad fält och drivgas massflöde på dragkraft, med arc driva upp till 25 kW. Abskissan längst representerar de normaliserade driftparametrar inklusive:
ID (urladdning aktuella), Ba (tillämpad magnetisk fältstyrka) och ṁ (drivgas massflödet) med Id = 200 A, Ba = 100 mT, ṁ = 40 mg/s valt som grundläggande drift villkor, motsvarar värdet 1 på botten abskissan. Abscissas på toppen motsvarar de ursprungliga värdena av de tre parametrarna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9 . Kontinuerlig drift nuvarande och spänning för arc kraften i 36 kW
Tre heldragna linjer är utsignaler för spänning urladdning, ansvarsfrihet nuvarande och beräknat arc makt, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10 . Inledande katod utseende och katoden efter operation för totalt 10 timmar.
Till vänster i figuren visar bilden av tantal volfram ihåliga katod innan de genomgick ansvarsfrihet; till höger visas katoden efter totalt 10 timmar under urladdning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 11 . Prestanda av bogpropellern i effektområdet på 50-100 kW
Punkter med stjärna symboler är värden av dragkraft som beräknas av dragkraft formeln12. Andra symboler är värden av framstöt mätt med målet dragkraft stativ. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 12 . Schematisk av storleken på målet jämfört med geometri av magnetfältet
De streckade linjerna representerar magnetiska fältlinjerna genom den yttre rad anoden. Det magnetiska fältet inom streckade linjer kan bilda en smal magnetiska munstycke i rymden. Diametern på munstycket är 704 mm vid målet planet, som är 550 mm från bogpropellern i experimentet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 13 . Schematisk av tillbaka flöde partikel dynamics
Utstrålade pilarna från målet representerar rebound partiklar från mitten av målet. Här antar vi att alla partiklar rebound från den centrala punkten i målet. Detta antagande kommer att överskatta beräkningen av andelen reentry partiklar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 14 . Procentandel av återflödet drivgas in ansvarsfrihet kammare
Raden med symboler av rutor representerar andelen reentry partiklar utifrån antagandet att backflöde partiklarna lyda en cosinus-distribution. Raden med diamond symboler representerar som från en enhetlig fördelning. X-axeln är avståndet mellan målet och avfarten anod. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 överlägsen traditionell rod katod i de flesta aspekter. Tillämpningen av ihåliga katoden är fördelaktigt för att förbättra bogpropeller prestanda, och det innehåller alternativ för drivmedel leverans lägen. Tillverkning av kostnaden för en ihålig katod är relativt hög jämfört med en fast katod.
En flytande krets kyla struktur är nödvändigt för driften av bogpropellern om avsikten är att arbeta för mer än 10 minuter. Alternativt, strålning kylning är ett annat val26, som kan undvika komplexa kylvätska rörledningar. Detta kan dock orsaka en stor radiell storlek av bogpropellern. En heat pipe kan dessutom vara ett annat val när anställd i faktiska rymduppdrag.
Ett yttre magnetfält är oumbärlig för den AF-MPD bogpropellern. Fältet kan tillhandahållas av en traditionell magnetspolen, som beskrivs i protokollet, eller en permanent magnet. Supraledning är dessutom en tänkbar kandidat, vilket kan ge mycket starkare magnetfält än traditionella spole och den massa som är också mindre än traditionella magnetspolen.
För att hålla dragkraft mätning experimentet, bakgrunden trycket bör vara lägre än 0,013-0,13 Pa1. Annars, driften av bogpropellern kan påverkas. Dessutom, enligt forskning27, finns utflöde strömmar i plymer av MPD bogpropellrar och längst strömmen når positionen 90 cm från bogpropellern i axiell riktning. Öka storleken på kammaren är alltså fördelaktigt för att minska påverkan av anläggningen på bogpropellern.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av grundläggande forskningsprogrammet (nr. JCKY2017601C). Vi uppskattar att hjälpa Thomas M. York, Professor Emeritus vid 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
- 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).
- Arakawa, Y., et al. Electromagnetic Effects in an Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster. Journal of Propulsion & Power. 8 (1), 98-102 (1992).
- Myers, R., Lapointe, M., Mantenieks, M. MPD thruster Technology. Conference on Advanced SEI Technologies, , AIAA paper 91-3568 (1991).
- Myers, R. Applied-field MPD thruster performance with hydrogen and argon propellants. Journal of Propulsion & Power. 9 (5), 781-784 (1993).
- 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).
- Lapointe, M., Strzempkowski, E., Pencil, E. High Power MPD Thruster Performance Measurements. AIAA paper 2004-3467, , (2004).
- Tahara, H., Kagaya, Y., Yoshikawa, T. Performance and Acceleration Process of Quasisteady Magnetoplasmadynamic Arcjets with Applied Magnetic Fields. Journal of Propulsion and Power. 13 (5), 651-658 (1997).
- Tahara, H., Kagaya, K., Yoshikawai, T. Effects of Applied Magnetic Fields on Performance of a Quasisteady Magnetoplasmadynamic Arc. Journal of Propulsion and Power. 11 (2), 337-342 (1995).
- Li, Z., et al. Increasing the Effective Voltage in Applied-Field MPD Thrusters. Journal of Physics D Applied Physics. 51, 085201 (2018).
- Myers, R., Mantenieks, M., Sovey, J. Geometric Effects in Applied-field MPD Thrusters. 21st International Electric Propulsion Conference, , AIAA paper 1990-2669 (1990).
- Myers, R. Geometric Scaling of Applied-Field Magnetoplasmadynamic Thrusters. Journal of Propulsion and Power. 11 (2), 343-350 (1995).
- Mikelides, P. Applied-Field Magnetoplasmadynamic Thrusters, Part 2: Analytic Expressions for Thrust and Voltage. Journal of Propulsion and Power. 16 (5), 894-901 (2000).
- 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).
- 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).
- Blackstock, A. W., et al. Experiments Using a 25-kW Hollow Cathode Lithium Vapor MPD Arcjet. AIAA Journal. 8 (5), 886-894 (1970).
- Krulle, G. Characteristics and local analysis of MPD thruster operation. AIAA Electric Propulsion and Plasmadynamics Conference. AIAA paper, , AIAA paper 1967-672 (1967).
- 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).
- Wang, B., et al. Target thrust measurement for applied-field magnetoplasmadynamic thruster. Measurement Science & Technology. 29, 075302 (2018).
- Tikhonov, V. B., Semenikhin, S. A., Brophy, J. R., Polk, J. E. The Experimental Performance of the 100-kW Li MPDT with External Magnetic. , IEPC-95-105 (1995).
- Burkhart, J. A., et al. Low environmental pressure MPD arc tests. , AIAA paper 67-685 (1967).
- 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).
- Malliaris, A. C., et al. Performance of Quasi-Steady MPD Thrusters at High Powers. AIAA Journal. 10 (2), 121-122 (1972).
- Knudsen, B. M. The Kinetic Theory of Gases (London:Methuen). , 26-27 (1950).
- 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).
- Connolly, D., Sovie, R. Effect of background pressure on magnetoplasmadynamic thruster operation. Journal of Spacecraft and Rockets. 7 (3), 255-258 (1970).
- Esker, D., Kroutil, J., Sedrick, A. Cathode Studies of a Radiation Cooled MPD Arc Thruster. , AIAA paper 1970-1083 (1970).
- Myers, R. Plume characteristics of MPD thrusters - A preliminary examination. 25th Joint Propulsion Conference, , AIAA paper 89-2832 (1989).
