100千瓦级外加磁场磁等离子体动力推进器

本实验方案的目的是介绍一种百千瓦级应用磁场磁等离子体动力推进器的设计及其相关实验方法。磁等离子体动力推进器（即 MPD 推进器）是一种典型的电推进加速器，以其高比冲和高推力密度著称，被视为未来高功率空间任务主推进系统的主要候选方案之一。

本文将介绍一种百千瓦级应用场磁等离子体动力（MPD）推进器的设计方案、开展该推进器相关实验所需的实验系统以及完成实验的操作步骤。推进器设计：推进器主要由阳极、阴极和绝缘体组成。

阳极由铜制成，带有圆柱形发散喷嘴，其最小内径为60毫米。阴极由钽钨合金制成，带有九个推进剂通道，其外径为16毫米。左侧有一个空心阴极连接器。

推进剂流经连接器的中心并进入空心阴极。阴极基部内部有一个与九个圆柱形通道相连的大空腔。该空腔起到缓冲作用，以提高推进剂在九个通道中分布的均匀性。

阴极通过一个环形铜块与电缆连接，该铜块安装在阴极接头周围。除了推力器主体外，外置磁线圈对于磁等离子体动力（MPD）推力器的工作也是必需的。该线圈由288匝圆形铜管组成，同时作为电流和冷却水的通道。

线圈的内径为150毫米，外径为500毫米。中心区域的最高磁场强度为0.25特斯拉。实验系统。

实验系统为实验提供必要的条件，主要包括六个子系统。首先，真空系统为推进器提供所需的真空环境，真空室的直径为三米，长度为两米。

环境压力可维持在0.01帕斯卡以下。其次为电源系统。电源系统由点火电源、推进器电源、线圈电源以及电缆组成。

点火电源可提供8千伏或15千伏的放电电压。推进器电源可提供最高达1,000安培的直流电流。线圈电源可提供最高达240安培的直流电流。

第三个是推进剂供给系统，用于为推进器提供气体推进剂。该系统主要包括气源、质量流量控制器和气体供给管路。第四个是水冷系统，用于提供高压水，以带走推进器、磁线圈和电源产生的多余热量。

然后是采集与控制系统，该系统可用于记录推进器工作状态的信号并控制其他系统。最后一个是目标推力测量系统，可用于测量推力。目标推力支架主要由平板靶、细长梁、位移传感器、支撑架、轴向移动平台和径向移动平台组成。

等离子体可被靶材拦截，靶材会受到等离子体的推动。通过放置在靶材后方的传感器可测量靶材的位移。通过此方法，我们能够评估推力。

实验准备。安装推进器。在洁净室内用酒精擦拭推进器的各个部件。

将阳极与绝缘体组装在一起。将阴极、阴极支架和阴极连接器组合起来。将阴极部件与阳极部件合并。

将中间连接件安装到组件中，并用螺丝固定。使用叉车将线圈座安装到实验平台上。将实验平台放置在真空腔体的导轨上。

将推进器安装到线圈上。使用相应的电缆连接阳极和阴极。将磁线圈与线圈电源连接。

将水冷管道和推进剂供应管与推进器连接。将水冷管道与线圈连接。在腔室内安装可移动平台，并将推力架主体固定在平台上。

调整可移动平台的位置，使推进器的中心线与目标中心线重合。然后对推力架进行校准。首先，在校准装置上加载不同的重量，并记录推力架相应的输出值。

至少重复此过程三次，然后可根据校准数据计算推力支架的弹性系数。对真空室抽真空。

关闭腔室的门。启动机械泵。当腔室内的本底压力低于五帕斯卡时，启动分子泵。

当腔室背景压力低于0.05帕时，启动低温泵。等待压力降至10的负4次方帕。点火与推力测量实验。

如果推进器暴露在空气中，则需要对其进行预热。开始记录信号。将推进剂质量流量设定为 40 毫克，并持续供应至少 20 分钟。

开启冷却水供应，将阳极和阴极冷却水泵的工作频率设置为 10 赫兹。将推力支架移至远离推力器的位置。

打开线圈电源，设置线圈电流为90安培。打开推进器电源，设置放电电流为240安培。打开点火电源。

使推进器持续工作至少五分钟。关闭推进器的电源和推进剂供应。停止记录。

预热完成后，即可进行推力测量。将推力架移动至距推进器 550 毫米的位置，开始记录信号。

启动推进剂供应。以90安培的线圈电流和240安培的放电电流点燃推进器。将线圈电流增加至90安培。

随后，将放电电流增加至800安培。然后将线圈电流增加至230安培。当推力台输出稳定后，关闭推进器。

停止推进剂供应。停止记录。代表性结果。

在实验中，我们控制放电电流、推进剂质量流量和施加的磁场。然后测量放电电压和推力的数值，据此可获得功率、比冲和推力效率等其他性能参数。本图展示了放电电压的典型信号。

开启电源后，将在推进器上施加高电压以电离中性推进剂。点火后，电压趋于恒定值并基本保持不变，此时可认为点火成功。

本图展示了一次典型的推力测量结果。我们在推进剂供应之前开始记录推力台的信号，该信号被视为零推力点。供应推进剂后会出现轻微的推力。

点火后会产生较大的振荡，随后推力趋于稳定值。由于靶材受热变形，会出现零点漂移，其值为50毫牛。

由漂移引起的误差不超过1%。该图显示了半小时连续工作期间的放电特性。我们发现，推进器在点火后迅速趋于稳定状态，且在此期间电压非常稳定。该图显示了实验前后钽钨空心阴极外观的变化。

整个实验时间超过10小时。我们发现阴极外表面有轻微且均匀分布的侵蚀现象，这表明推进器具备运行时间远超10小时的潜力。在连续工作测试之后，我们研究了推进器在50至100千瓦功率范围内的性能。

最佳性能在 99.5 千瓦时获得，此时推力为 3,052 毫牛。比冲为 4,359 秒，推力效率为 67%。值得注意的是，当推进器达到最佳性能时，背景压力为 0.2 帕斯卡。由于高压的影响，测得的性能可能高于实际值。

该测试器由钽钨制成，展示了其工作阻力。气体功率为100千瓦，推力为3,050毫牛顿，比冲为4,300秒，效率为67%。