Methodenartikel

Ein 100 KW-Klasse angewendet-Feld Magnetoplasmadynamic Thruster

DOI:

10.3791/58510

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22. Dezember 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Key Laboratory of Spacecraft Design Optimization & Dynamic Simulation Technologies of Ministry of Education, School of Astronautics, Beihang University, 2Key Laboratory of Spacecraft Design Optimization & Dynamic Simulation Technologies of Ministry of Education, School of Space and Environment, Beihang University, 3Beijng Institute of Control Engineering, 4School of Aerospace Engineering and Geodesy, University of Stuttgart

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Das Ziel dieses Protokolls ist einzuführen das Design einer 100 kW-Klasse angewendet-Feld magnetoplasmadynamic Thruster und experimentellen Methoden.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Angewendet-Feld magnetoplasmadynamic Triebwerke (AF-MPD-Triebwerke) sind Hybrid-Beschleuniger in der elektromagnetischen und Gas dynamische Prozesse beschleunigen Plasma Hochgeschwindigkeits; Sie haben großes Potenzial für zukünftige Raumfahrtanwendungen mit den wesentlichen Vorteilen des hohen spezifischen Impuls und Dichte Schub. In diesem Papier stellen wir eine Reihe von Protokollen für Design und Fertigung einer 100 kW-Klasse des AF-MPD Thruster mit Wasserkühlung, Strukturen, eine 130 V maximale Entladespannung, eine 800 A maximale-Entladestrom und eine 0,25 T maximale Stärke des Magnetfeldes. Eine hohle Tantal-Wolfram-Kathode fungiert als nur Treibmittel Zulauf, die radiale Entlastung zu hemmen, und es ist axial auf der Rückseite der Anode positioniert, um die Anode Hunger zu lindern. Eine zylindrische abweichende Kupfer-Anode wird eingesetzt, um die Anode macht Ablagerung zu verringern, wo die Länge reduziert wurde, um Wand-Plasma verbindenden Bereich zu verringern. Experimenten verwendet ein Vakuum System, das Vakuum arbeiten von 0,01 erreichen Pa für eine totale Treibmittel Massenfluss bewerten niedriger als 40 mg/s und ein Ziel Schub Stand. Die Thruster Tests erfolgten um die Auswirkungen der Arbeitsparameter wie Treibmittel Flussraten, Entladestrom und die Stärke des angelegten Magnetfeldes auf die Leistung zu messen und entsprechende Analysen ermöglichen. Der Thruster konnte kontinuierlich über längere Zeiträume hinweg mit wenig Erosion an der Oberfläche hohl Kathode betrieben werden. Die maximale Leistung des Thruster beträgt 100 kW und die Leistung dieser wassergekühlte Konfiguration ist vergleichbar mit der Triebwerke in der Literatur beschrieben.

Einleitung

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MPD-Triebwerke sind bekannt für eine relativ hohe Schubkraft Dichte und einen hohen spezifischen Impuls1,2,3. Die typischen Schub Effizienz1 von MPD-Triebwerke ist jedoch relativ gering, vor allem mit Treibmitteln Edelgase4,5,6. Für die meisten MPD-Triebwerke wird ein Teil der Treibladung in Auslaßkammer aus einem Schlitz zwischen Anode und Kathode7,8 , mit dem Ergebnis injiziert, eine radiale Komponente ist ein Großteil der Tiefentladung. Um Schub zu erzeugen, müssen jedoch radial kinetische Effekte in axialer kinetische Bewegung mit einer physischen Düse oder eine magnetische Düse umgewandelt werden. Dementsprechend ist ein wesentliches Merkmal des neuen Design MPD Thruster, dass alle Treibmittel über der Kathode zugeführt wird, dienen kann, um radiale Entlastung zu hemmen; auf diese Weise kann der Anteil der axiale Energie erhöht werden. Es gibt ein zusätzlicher Effekt, dass der Hall-Parameter in das Plasma in der Anode durch die Abnahme der Dichte um die Anode erhöht werden kann die Halle Beschleunigung Komponente9stärken können. Da das Treibmittel nah an der inneren Oberfläche der Kathode wo entstehen große Mengen an ersten Elektronen in diesem Modus der Injektion ist, können die Treibmittel Ionisation sehr stark erhöht werden. Darüber hinaus wurde die Anode Länge zur Wand-Plasma verbindenden Bereich zu verringern und Reduzierung von Anode macht Ablagerung10,11minimiert. Wie eine abweichende Anode anliegt, wird dies den Winkel zwischen der Anode und der magnetischen Feldlinien zu verringern und verringern Anode macht Ablagerung weiteren12,13.

Trotz der Vorteile, die oben erwähnt werden, um Leistung zu verbessern kann komplette Treibmittel Versorgung durch Kathode Injektion das Risiko von Anode Hunger erhöhen die "Ausbruch" Phänomene14führen kann. Um dieses Verhalten zu verhindern, haben wir die Kathode zurück zur Basis der Anode eingefahren. Die Elektronen können dann ausreichend diffundieren in radialer Richtung vor dem Verlassen der Anode Ausfahrt, die fungieren wird, um Anode Hunger zu lindern. Darüber hinaus ist eine Multichannel-hohle Kathode angenommen; im Vergleich zu der hohle Einkanal-Kathode, kann eine Mehrkanal-hohle Kathode vergrößert den Elektron Emission und die Verteilung der das Treibmittel gleichmäßiger. Mit dieser Änderung kann die Lebensdauer und die Stabilität des Thruster erhöhte15,16,17.

Gestaltete der Thruster ist 100 kW und eine Kühlung Struktur ist bei stationären Betrieb. In den heutigen Laborversuchen ist eine effiziente Wasserkühlung Struktur beschäftigt. Jedoch um die Leistung der MPD Thruster Konstruktion zu bewerten, ist es wichtig, den Schub zu erhalten. Mit der Anwendung eines Hochdruck-Wasser-Systems zur Wärmeübertragung werden starke Vibrationen während des Betriebs des solche Kühlung, was erhebliche Störungen führen kann, wenn wir traditionelle Schub Messungen verwendet. Dementsprechend wird ein Ziel Schub Stand eingesetzt, um den Schub zu messen.

MPD-Thruster

Wie in Abbildung 1dargestellt, besteht der MPD-Thruster aus Anode, Kathode und Isolator. Die Anode besteht aus Kupfer mit einer zylindrischen divergente Düse der minimalen Innendurchmesser von denen 60 mm ist. Es gibt eine s-förmige Kühlkanal um die Innenwand der Anode. Den Einlass und Auslass des Kanals sind auf der Oberseite der Anode, die durch eine Trennwand getrennt sind. Ein schlanke Kupfer Block wird eingesetzt, um die Anode und elektrische Kabel zu verbinden. Die Ausfahrt ist auf der äußeren Oberfläche der Anode.

Das Kathodenmaterial wird Tantal Wolfram, mit neun Treibmittel Kanäle. Der Außendurchmesser der Kathode beträgt 16 mm. Die Kühlung der Kathode wird mit einer Wasserkühlung Halterung um die Kathode Basis erreicht. Es ist ein ringförmiger Kanal in der Halterung. Das kalte Wasser wird in die Halterung von unten und von oben strömt injiziert. Es gibt einen hohlen Kathode-Anschluss auf der linken Seite der Kathode. Das Treibmittel fließt durch die Mitte des Steckers und in die hohlen Kathodenkammer; Es gibt ein großen Hohlraum im Inneren der Kathode-Basis mit neun schmalen zylindrischen Kanälen zu verbinden. Der Hohlraum wirkt als Puffer, um die Einheitlichkeit der Treibsatz Verteilung in neun Kanäle zu erhöhen. Die Kathode ist mit das Stromkabel mit einem ringförmigen Kupfer Block verbunden, um die Kathode-Connector installiert ist.

Neben den Hauptteil des Thruster muss eine externe magnetische Spule auch Felder für die Mechanismen in der AF-MPD-Thruster erzeugen; magnetische Felder bieten ein konvergent-divergente Magnetfeld um das Plasma zusammen mit dem elektrischen Feld zu beschleunigen. Die Erregerspule besteht aus 288 Umdrehungen des kreisförmigen Kupferrohre, die fungieren als die Passage für beide elektrische aktuelle und kühlen Wasser. Der innere Durchmesser der Spule beträgt 150 mm, während der äußere Durchmesser 500 mm ist. Die höchsten Feldstärke in der Mitte ist 0,25 T mit Strom von 230 A.

Experiment-System

Das Experiment-System umfasst sechs Subsysteme. Abbildung 2zeigt die schematische Darstellung des das Gesamtlayout des experimentellen Systems; Das Layout der Thruster innerhalb der Vakuumkammer ist in Abbildung 3dargestellt.

Erstens besteht die Vakuum-System, die sorgt für die nötige Vakuum Umgebung für den Thruster-Betrieb, eine Vakuumkammer, zwei mechanische Pumpen, ein Molekularpumpe und vier kryogenen Pumpen. Der Durchmesser der Kammer beträgt 3 m und die Länge beträgt 5 m. Der Druck der Umgebung erhalten Sie unter 0,01 Pa wenn die Durchflussmenge (Argon) Treibstoff nicht mehr als 40 mg/s beträgt.

Zum anderen bietet dieses Quellsystem ein Hochspannungsimpuls entzünden den Thruster liefert Strom für das Bugstrahlruder, das Plasma zu beschleunigen, und liefert Strom für die Spule Magnetfeld, das äußere Magnetfeld aufrecht zu erhalten. Die Power-Source-System besteht aus einer Zündquelle macht, ein Thruster Stromquelle, eine Spule Stromquelle und Kabel. Die Zündquelle macht bieten 8 kV oder 15 kV Entladespannung. Die Thruster Stromquelle liefert einen Gleichstrom bis zu 1000 A. Die Spule Stromquelle liefert einen Gleichstrom bis zu 240 A.

Drittens: das Treibmittel Versorgungssystem feeds Gas Treibgas für Triebwerke. Das System umfasst vor allem die Gasquelle, mass Flow Rate Controller und Gas liefern Rohrleitungen.

Die vierte Sub-System ist der Wasserkühlung, bietet cool Hochdruck-Wasserstrahl um den Wärmeaustausch der Thruster, Magnetspule und Stromquellen. Wie in Abbildung 4dargestellt, besteht das System aus Pumpen Gruppe, Wassertank, Kühlschrank, Wasserversorgung Rohrleitungen und Pumpen-Steuerungen. Die nichtleitenden Rohre innerhalb der Vakuumkammer bieten einen kühlende Wasser-Terminal für die Thruster und Magnetspule und sorgt dafür, dass elektrische Isolierung zwischen der Anode, Kathode und den Boden.

Die Übernahme und Steuerung können die Signale messen Thruster Betriebsbedingungen und Steuerbetrieb anderer Systeme aufnehmen. Es besteht aus drei Computer und entsprechende Software, Übernahme Datenkarte und Kabel.

Wie in Abbildung 5gezeigt, besteht der Ziel Schub Stand Platte Ziel, schlanken Strahl, Wegsensor, Tragrahmen, axial bewegliche Plattform und radial bewegliche Plattform. Das Ziel kann das Plasma abfangen drückt das Ziel. Die Verschiebung des Ziels kann über einen Sensor platziert hinter dem Ziel, auf diese Weise ermöglicht die Bewertung der Schubkraft18gemessen werden.

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Protokoll

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1. Vorbereitung auf experiment

  1. Installieren Sie das Bugstrahlruder.
    1. Wischen Sie die Komponenten der Thruster Withnon Staub Tuch, getränkt mit wasserfreiem Alkohol in einem Reinraum.
    2. Montieren Sie die Anode mit dem Isolator.
    3. Die Kathode, Kathode Halter und Kathode Stecker zusammenbringen.
    4. Die Anode Teil den Kathode Teil hinzufügen.
    5. Installieren Sie den mittleren Stecker in der Assemblage und befestigen Sie sie mit Schrauben (Hexagon Socket Head Schraube, M5 × 16).
    6. Die Spule Sitz im Experiment Plattform mit Gabelstapler zu etablieren.
    7. Legen Sie die Experiment-Plattform auf Führungsschiene der Vakuumkammer.
    8. Installieren Sie die Thruster auf der Spule.
    9. Die Anode und Kathode mit entsprechenden elektrischen Leitungen zu verbinden.
    10. Die Magnetspule mit der Spule Stromquelle zu verbinden.
    11. Die Wasserkühlung Rohre und Treibmittel Zuleitung mit der Thruster zusammenschließen.
    12. Verbinden Sie sich die Wasserkühlung Rohre mit der Spule.
    13. Die bewegliche Plattform innerhalb der Kammer und befestigen Sie der Hauptteil des Schubes stehen darauf zu installieren.
    14. Passen Sie die Position der radialen bewegliche Plattform, die Steuerleitungen des Thrusters zu machen und das Ziel miteinander übereinstimmen.
  2. Kalibrieren Sie den Schub Stand.
    1. Laden Sie verschiedene Gewichte (10 g, 50 g, 100 g, 200 g), eins nach dem anderen auf die Kalibriervorrichtung und Aufzeichnung der entsprechenden Ausgabe des Standes Schub.
    2. Entladen Sie die Gewichte eins nach dem anderen.
    3. Wiederholen Sie den Vorgang mindestens dreimal.
    4. Berechnung der elastischen Koeffizient der Schub stehen nach der Kalibrierdaten.
  3. Die Vakuumkammer zu evakuieren.
    1. Schließen Sie die Tür der Kammer.
    2. Starten Sie die mechanischen Pumpen.
    3. Die molekularen Pumpen zu starten, wenn der Hintergrund-Druck in der Kammer niedriger als 5 ist PA.
    4. Die kryogenen Pumpen zu starten, wenn der Hintergrund-Druck in der Kammer geringer als 0,05 ist PA.
    5. Warten Sie, bis des Drucks, 1 x 10-4 PA zu erreichen

2. Zündung und Schub-Messung-Experiment

  1. Heizen Sie den Thruster, wenn es der Luft ausgesetzt war.
    1. Die Aufnahme des Signals.
    2. Die Treibladung Massenstrom auf 40 mg/s festgelegt und halten für mindestens 20 Minuten liefern
    3. Schalten Sie die Kühlwasserversorgung.
    4. Die Arbeitsfrequenz der Kühlung Wasserpumpen bei 10 Hz eingestellt.
    5. Bewegen Sie die Schub-Stand in die Position weit von der Thruster.
    6. Hilfsenergie einschalten der Spule mit der Spulenstrom von 90 A.
    7. Hilfsenergie einschalten der Thruster mit dem Entladestrom von 240 A.
    8. Hilfsenergie einschalten der Zündung.
    9. Halten Sie den Thruster für mindestens 5 Minuten arbeiten.
    10. Schalten Sie die Thruster Stromquelle und Treibmittel Lieferung.
    11. Beenden Sie die Aufnahme.
  2. Schub-Messung
    1. Verschieben Sie die Schub-Stand aus der Thruster zur Position 550 mm.
    2. Die Aufnahme des Signals.
    3. Starten Sie die Treibladung Versorgung.
    4. Entzünden des Thrusters mit 90 A Spulenstrom und 240 A Entladestrom.
    5. Erhöhung der Spulenstrom bis 150 A.
    6. Erhöhung der Entladestrom bis 800 A.
    7. Erhöhung der Spulenstrom bis 230 A.
    8. Der Thruster schalten Sie aus, wenn der Ausgang der Schub Stand stabil wird.
    9. Die Treibladung Versorgung zu stoppen.
    10. Beenden Sie die Aufnahme.

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Ergebnisse

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Im Experiment wir Steuern Entladestrom (Id), Treibmittel Masse fließen rate(m) und Magnetfeld (Ba) angewendet. In Betrieb wir messen den Wert der Entladungsspannung (Vd) und Schub (T), von welcher Basis wir andere Leistung bekommen können Parameter wie Leistung (P), spezifische Impuls (Isp) und Effizienz (η)1Schub.

Ein typisches Signal der Entladespannung ist in Abbildung 6da...

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Diskussion

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Dieses Protokoll beschreibt die Prozesse der Schub Messung eine 100 kW-Klasse angewendet Feld MPD Thruster, Zündung und Betrieb. Der springende Punkt bei der Gestaltung einer MPD-Thruster für optimale Leistung ist die Wahl der richtigen Konfiguration entsprechend der spezifischen Zielsetzung. MPD-Triebwerke mit konvergent-divergente Anode können Steady State in einem großen Betriebsbereich funktionieren. Jedoch möglicherweise die Leistung niedriger als das Bugstrahlruder mit divergierenden Anode. Die hohle Kathode, vor a...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

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Diese Arbeit wurde von der grundlegenden Research Program (Nr. unterstützt. JCKY2017601C). Wir freuen uns über die Unterstützung von Thomas M. York, emeritierter Professor an der Ohio State University.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
KryopumpenBrooks AutomationSaugvermögen: 10000L/s
WegsensorPanasonicHG-C1030Wiederholgenauigkeit: 10μ m
Linearität: ± 0,1 % F.S.
MassendurchflussreglerBrooks AutomationBereich: 0-120mg/s
MolekularpumpeOerlikonSaugvermögen: 2100L/s
Bewegliche AnlageformBeijing Weina Guangke Automation Equipment Co., Ltd.Bereich: 0-2000 mm
plsatic WasserleitungenXingye Xingye Fluorkunststoffe (Jiaxing) Co., Ltd.Ultimativer Druck: 4,5 MPa
Treibstoff ArgonBeijing Huanyu Hinghui Gas Technology Co., Ltd.Reinheit: 99,999%
KühlschrankBeijing Jiuzhou Tongcheng Technology Co., Ltd.Kälteleistung: 45 kW
WasserpumpenLiaocheng Vanguard Motor Co., Ltd.;
Shanghai People Pump Industry Group Manufacturing Co., Ltd.;
Nanfang Pump Limited Unternehmen		Maximaler Ausgangsdruck:
Kreiselpumpe: 1 MPa
Kolbenpumpe: 10 MPa

Referenzen

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Schlagwörter

MPD TriebwerksdesignWasserk hlsystemHohlkathodezylindrische AnodeVakuumkammerMagnetspuleSchubmessungTreibstoffflussEntladestrom

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