100千瓦级外加磁场磁等离子体动力推进器

摘要

本实验方案旨在介绍一种百千瓦级应用场磁等离子体动力推进器的设计及其相关实验方法。

摘要

应用场磁等离子体动力推进器（AF-MPD 推进器）是一种混合型加速器，通过电磁过程与气体动力学过程共同将等离子体加速至高速，因其具备高比冲和高推力密度的显著优势，在未来空间任务中具有广阔的应用前景。本文介绍了一套设计与制造百千瓦级水冷式 AF-MPD 推进器的系列方案，其最大放电电压为 130 V，最大放电电流为 800 A，外加磁场最大强度可达 0.25 T。采用空心钽钨阴极作为唯一的推进剂入口，以抑制径向放电，并将其沿轴向置于阳极后部，以缓解阳极饥饿现象。阳极采用圆柱形发散式铜结构，通过缩短其长度以减少壁面与等离子体的接触面积，从而降低阳极功率沉积。实验中使用真空系统，可在总推进剂质量流量低于 40 mg/s 的条件下实现 0.01 Pa 的工作真空度，并配备目标推力台架。推进器测试旨在测量推进剂流量、放电电流以及外加磁场强度等工作参数对性能的影响，以便进行合理分析。该推进器可长时间连续运行，且空心阴极表面几乎无侵蚀现象。推进器最大功率可达 100 kW，其水冷构型的性能与文献报道的同类推进器相当。

引言

磁等离子体动力（MPD）推进器以其相对较高的推力密度和高比冲而著称^1,2,3。然而，MPD推进器的典型推进效率¹相对较低，尤其是在使用惰性气体作为推进剂时^4,5,6。对于大多数MPD推进器，部分推进剂流通过阳极与阴极之间的狭缝注入放电室^7,8，导致径向分量在总放电中占显著比例。然而，为了产生推力，必须通过物理喷管或磁喷管将径向动能转化为轴向动能。因此，新型设计的MPD推进器的一个关键特征是所有推进剂均通过阴极供给，这有助于抑制径向放电，从而提高轴向能量的比例。此外，由于推进剂注入方式使得阳极附近区域的粒子数密度降低，阳极周围等离子体中的霍尔参数得以增大，从而增强霍尔加速分量⁹。由于推进剂靠近阴极内表面，而该处在此种注入模式下会发射大量初始电子，因此推进剂的电离率可显著提高。此外，阳极长度已尽可能缩短，以减小壁面与等离子体的接触面积，降低阳极上的功率沉积....

方案

1. 实验准备

1. 安装推进器。
   1. 在洁净室内，用浸有无水乙醇的无尘布擦拭推进器的各个部件。
   2. 将阳极与绝缘体组装在一起。
   3. 将阴极、阴极支架和阴极连接器组合起来。
   4. 将阴极部分与阳极部分装配在一起。
   5. 将中间连接件装入组件中，并用螺钉（六角圆柱头螺钉，M5×16）固定。
   6. 使用叉车将线圈座安装到实验平台上。
   7. 将实验平台放置在真空室的导轨上。
   8. 将推进器安装到线圈上。
   9. 将阳极和阴极分别与对应的电缆连接。
   10. 将磁线圈与线圈电源连接。
   11. 将冷却水管和推进剂供应管连接至推进器。
   12. 将冷却水管与线圈连接。
   13. 在真空室内安装可移动平台，并将推力架主体固定在该平台上。
   14. 调节径向可移动平台的位置，使推进器的控制线与目标重合。
2. 校准推力架。
   1. 依次在校准装置上加载不同质量的砝码（10 g、50 g、100 g、200 g），并记录推力架相应的输出值。
   2. 依次卸下砝码。
   3. 至少重复该过程三次。
   4. 根据校准数据计算推力架的弹性系数。
3. 抽空真空室。....

结果

在实验中，我们控制放电电流（Id）、推进剂质量流量（m）和施加的磁场（Ba）。在运行过程中，测量放电电压（Vd）和推力（T）的数值，基于这些基础数据可获得其他性能参数，如功率（P）、比冲（Isp）和推力效率（η）¹。

典型的放电电压信号如图6所示。当电源启动后，阳极与阴极之间会出现约230 V的开路电压。该开路电压不足以击穿放电室内中的中性推进剂；因此需要施加高频放电电压以点燃推进器。点燃后，电压会迅速下降，经过一段时间的振荡后趋于稳定值。

典型的推力测量结果如图7所示。在开始供应推进剂之前，我们即开始记录推力台架的信号，并将其视为零推力点。开始供应推进剂后将出现微弱.......

讨论

本方案描述了100 kW级应用场磁等离子体推进器（MPD）的点火、运行及推力测量过程。设计MPD推进器以实现最佳性能的关键在于根据具体目标选择合适的构型。具有收敛-扩散阳极的MPD推进器可在较宽的工作范围内实现稳态运行，但其性能可能低于采用扩散型阳极的推进器。在大多数方面，空心阴极（尤其是多通道空心阴极）优于传统的杆状阴极。采用空心阴极有助于提升推进器性能，并为推进剂供给方式提供更多选择。与实心阴极相比，空心阴极的制造成本相对较高。

如果推进器设计为工作超过10分钟，则必须采用流体回路冷却结构。或者，也可选择辐射冷却²⁶，该方式可避免复杂的冷却剂管路。然而，这可能导致推进器的径向尺寸较大。此外，在实际空间任务中应用时，热管也是一种可行的选择。

外部磁场对于AF-MPD推进器是必不可少的。该磁场可由本方案中所述的传统螺线管线圈或永磁体提供。此外，超导体也是一种潜在的选择，其能够提供比传统线圈更强的磁场，且质量也小于传统螺线管线圈。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
低温泵	Brooks Automation		抽气速率：10000L/s
位移传感器	Panasonic	HG-C1030	重复精度：10μm 线性度：±0.1% F.S.
质量流量控制器	Brooks Automation		量程：0-120mg/s
分子泵	Oerlikon		抽气速率：2100L/s
可移动平台	北京伟纳广科自动化设备有限公司		行程范围：0-2000mm
塑料水管	兴业兴烨氟塑料（嘉兴）有限公司		极限压力：4.5MPa
推进剂氩气	北京环宇兴辉气体科技有限公司		纯度：99.999%
制冷机	北京九州同诚科技有限公司		制冷功率：45kW
水泵	聊城先锋电机有限公司； 上海人民泵业集团制造有限公司； 南方泵业股份有限公司		最大输出压力： 离心泵：1MPa 柱塞泵：10MPa