Summary
Het doel van dit protocol is om het ontwerp van een 100 kW klasse toegepast-veld magnetoplasmadynamic boegschroef en relevante experimentele methoden.
Abstract
Toegepast-veld magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) zijn hybride Versnellers in die elektromagnetische en gas dynamische processen versnellen plasma voor weetje vaart; ze hebben aanzienlijke mogelijkheden voor toekomstige ruimte-toepassingen met de aanzienlijke voordelen van hoge specifieke stoot en stuwkracht dichtheid. In deze paper presenteren we een reeks van protocollen voor het ontwerpen en vervaardigen van een 100 kW-klasse van AF-MPD boegschroef met water koeling structuren, een 130 V maximale kwijting spanning, een 800 A maximale lozing huidige en een 0,25 T maximale sterkte van het magnetisch veld. Een holle tantaal wolfraam kathode fungeert als de alleen drijfgas inlaat voor de remming van de radiale kwijting, en het is axiaal gepositioneerd aan de achterzijde van de anode ter verlichting van de anode honger. Een cilindrische uiteenlopende koperen anode is aangewend om te verkleinen anode macht depositie, waar de lengte is teruggebracht tot het verlagen van de aansluitende muur-plasma-gebied. Experimenten gebruikt een vacuüm systeem dat een werkende vacuüm van 0,01 kan bereiken Pa voor een totale drijfgas massastroom stem lager dan 40 mg/s en een doel stuwkracht stand. De Boegschroef tests werden uitgevoerd voor het meten van de effecten van de werkende parameters zoals drijfgas debiet, de huidige kwijting en de sterkte van toegepaste magnetisch veld op de prestaties en kunnen de juiste analyse. De Boegschroef kan continu worden bediend voor belangrijke perioden met weinig erosie op het oppervlak van de holle kathode. Het maximumvermogen van de Boegschroef is 100 kW en de prestaties van deze watergekoelde configuratie is vergelijkbaar met die van de stuwraketten gemeld in de literatuur.
Introduction
MPD stuwraketten staan bekend om een stuwkracht van de relatief hoge dichtheid en een hoge specifieke stoot1,2,3. De typische stuwkracht efficiëntie1 van MPD stuwraketten is echter relatief laag is, vooral met drijfgassen van edelgassen4,5,6. Voor de meeste MPD thrusters, wordt een deel van de drijfgas stroom geïnjecteerd in de zaal van de geen kwijting van een spleet tussen de anode en kathode7,8 , met als gevolg dat een radiale component een aanzienlijk deel van de totale kwijting is. Om de stuwkracht te genereren, moeten radiale kinetische effecten echter worden omgezet in axiale kinetische beweging met een fysieke mondstuk of een magnetische mondstuk. Dienovereenkomstig, is een belangrijk kenmerk van de nieuwe ontwerp MPD boegschroef dat alle drijfgas is verstrekt door de kathode, die optreden kan voor de remming van de radiale aanzuivering worden overgebracht; op deze manier kan het aandeel van axiale energie worden verhoogd. Er is een toegevoegd effect dat de parameter Hall in het plasma rond de anode kan worden verhoogd door de daling van het aantal dichtheid rond de anode, die de hal versnelling component9kan versterken. Omdat de voortbeweging dicht bij de binnenzijde van de kathode waar grote hoeveelheden eerste elektronen in deze modus van injectie worden uitgestoten, kan het drijfgas ionisatie tarief sterk worden verhoogd. Bovendien is de lengte van de anode geminimaliseerd verlagen de aansluitende muur-plasma-gebied en het verminderen van de anode macht afzetting10,11. Zoals een uiteenlopende anode wordt toegepast, zal dit dalen van de hoek tussen de anode en de magnetische veldlijnen en afnemen van de anode macht depositie verdere12,13.
Ondanks de voordelen die hierboven om prestaties te verbeteren, kan volledige drijfgas levering door kathode injectie verhogen het risico van de anode honger die in "begin" verschijnselen14 resulteren kan. Om dit probleem te remmen, hebben we de kathode terug naar de basis van anode ingetrokken. De elektronen kunnen vervolgens voldoende diffuus in de radiale richting vóór het verlaten van de afrit van de anode, die fungeren zal voor het verlichten van de anode honger. Verder is een meerkanaals holle kathode aangenomen; vergeleken met de holle kathode van één kanaal, kan een meerkanaals holle kathode het elektron emissie areaal vergroten en de verdeling van de voortbeweging uniformere leveren. Met deze wijziging kunnen zowel de levensduur en de stabiliteit van de Boegschroef verhoogde15,16,17.
De ontworpen kracht van de Boegschroef is 100 kW en een koeling structuur is nodig met steady-state operatie. In de huidige laboratoriumexperimenten, is een efficiënte Waterkoeling structuur werkzaam. Om te beoordelen van de prestaties van de MPD boegschroef ontwerp, is het echter essentieel zijn voor het verkrijgen van de strekking. Met de toepassing van een hogedruk watersysteem op warmte, zal er sterke trillingen tijdens het gebruik van dergelijke koeling, die belangrijke interferentie creëren kan als wij de stuwkracht van de traditionele metingen gebruikt. Dienovereenkomstig, een doel stuwkracht stand wordt gebruikt voor het meten van de strekking.
MPD boegschroef
Zoals aangegeven in Figuur 1, bestaat de MPD-boegschroef van anode, de kathode en de isolator. De anode is gemaakt van koper met een cilindrische uiteenlopende mondstuk, de minimale binnendiameter waarvan 60 mm is. Er is een S-vormige koeling kanaal rond de binnenwand van de anode. De inlaat en de uitlaat van het kanaal zijn op de bovenkant van de anode, die worden gescheiden door een klankbord. Een slanke koper blok wordt gebruikt om verbinding te maken met de anode en de elektrische kabel. De kruising is aan de buitenkant van de anode.
Het materiaal van de kathode is tantaal wolfraam, met negen drijfgas kanalen. De buitendiameter van de kathode is 16 mm. Het koelen van de kathode wordt bereikt met een waterkoeling houder rond de kathode-basis. Er is een ringvormig kanaal in de houder. Het koude water wordt geïnjecteerd in de houder van de bodem en stroomt uit vanaf de bovenkant. Er is een holle kathode-connector aan de linkerkant van de kathode. De voortbeweging stroomt door het centrum van de verbindingslijn en in de holle kathode vergaderzaal; Er is een grote holte binnen de kathode base verbinden met negen smalle cilindervormige kanalen. De holte fungeert als een buffer te verhogen van de uniformiteit van de drijfgas verdeling in negen kanalen. De kathode is aangesloten op de elektrische kabel met een ringvormige koper blok, die rond de kathode-connector is geïnstalleerd.
Naast de hoofdtekst van de Boegschroef is een externe magnetische spoel ook nodig om te velden voor de mechanismen te genereren in de AF-MPD boegschroef; magnetische velden bieden een convergente-uiteenlopende magnetisch veld om te versnellen het plasma samen met het elektrisch veld. Het veld coil bestaat uit 288 bochten van circulaire koperen buizen, die als de doorgang voor zowel elektrische huidige en koeling water fungeren. De binnendiameter van de spoel is 150 mm, terwijl de buitendiameter 500 mm is. De hoogste veldsterkte in het midden is 0,25 T met stroom van 230 A.
Experiment systeem
Het experiment systeem bevat zes subsystemen. Het schema van de algehele indeling van het experimentele systeem is afgebeeld in Figuur 2; de indeling van de Boegschroef binnen de Vacuuemcel is afgebeeld in Figuur 3.
Ten eerste bestaat het vacuüm systeem, dat de nodige vacuüm omgeving voor de werking van de Boegschroef biedt, uit een vacuuemcel, twee mechanische pompen, een moleculaire pomp en vier cryogene pompen. De diameter van de kamer is 3 meter en de lengte is 5 m. De druk van de omgeving kan worden gehandhaafd onder 0.01 Pa wanneer het debiet van (argon) drijfgas niet meer dan 40 mg/s is.
Ten tweede, deze bronsysteem biedt een hoog voltage puls te ontsteken de Boegschroef, levert stroom voor de Boegschroef voor het versnellen van het plasma, en levert stroom voor de spoel magnetisch veld te houden van het externe magnetisch veld. De voedingsbron systeem bestaat uit een ontstekingsbron voor macht, een voedingsbron boegschroef, een voedingsbron spoel en kabels. De krachtbron van de ontsteking kan bieden 8 kV of 15 kV geen kwijting spanning. De krachtbron van de Boegschroef biedt een gelijkstroom tot 1000 A. De krachtbron van de spoel biedt een gelijkstroom tot 240 A.
Ten derde, het drijfgas levering systeem feeds gas drijfgas voor thrusters. Het systeem omvat voornamelijk de gas-bron, de massastroom tarief controller en gas leveren pijpleidingen.
De vierde sub-systeem is de waterkoeling systeem, waarmee cool hogedruk water om te wisselen van de hitte van de Boegschroef, magnetische spoel en voedingsbronnen. Zoals blijkt uit Figuur 4, bestaat het systeem uit pompen groep, watertank, koelkast, watervoorziening pijpleidingen en pompen controllers. De niet-geleidend buizen binnen de Vacuuemcel bieden een koeling water terminal voor de boegschroef en magnetische spoel, en zorgt ervoor dat elektrische isolatie tussen de anode, de kathode en de grond.
De verwerving en het controlesysteem kunnen opnemen de signalen meten boegschroef bediening voorwaarden en controle werking van andere systemen. Het is samengesteld uit drie computers en bijbehorende software, data-acquisitie kaart en kabels.
Zoals afgebeeld in Figuur 5, bestaat de doelgroep stuwkracht stand uit plaat doelgroep, slanke lichtbundel, verplaatsing sensor, hulpframe, axiale beweegbaar platform en radiale beweegbaar platform. Het doel kan onderscheppen de plasma die het doel duwt. De verplaatsing van de doelstelling kan worden gemeten door een sensor geplaatst achter het doel, op deze manier inschakelen van evaluatie van de stuwkracht18.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Voorbereiding voor experiment
- Installeren van de Boegschroef.
- Veeg de componenten van de Boegschroef voorzien van tag metnon-stof, gedrenkte doek met watervrij alcohol, in een schone kamer.
- Monteer de anode met de isolatie.
- Het samenbrengen van de kathode, de kathode houder en de aansluiting van de kathode.
- Voeg het deel van de kathode naar de anode deel.
- De middelste aansluiting in de assemblage installeren en corrigeren met schroeven (hoofd van de Inbusbout, M5 × 16).
- Stellen de spoel stoel op experiment platform met heftruck.
- Plaats het experiment platform op gids spoor van de Vacuuemcel.
- Het installeren van de Boegschroef op de spoel.
- Het koppelen van de anode en de kathode met bijbehorende elektrische kabels.
- Koppelen van de magnetische spoel met de krachtbron van de spoel.
- Join-up de Waterkoeling pijpen en drijfgas levering pijp met de Boegschroef.
- Join-up de Waterkoeling pijpen met de spoel.
- De beweegbare platform binnen de kamer en de moeilijke situatie die de hoofdtekst van de stuwdruk staan op installeren.
- Pas de positie van de radiale beweegbaar platform om het besturingselement lijnen van de boegschroef en de doelstelling van met elkaar samenvallen te maken.
- Kalibreer de stuwkracht stand.
- Laden van verschillende gewichten (10 g, 50 g, 100 g, 200 g), één voor één, op de kalibratie-apparaat en de corresponderende record uitgang van de stuwkracht stand.
- De gewichten één voor één uit het geheugen verwijderen.
- Herhaal het proces ten minste voor drie keer.
- Bereken de elastische coëfficiënt van de stand van de lijnen volgens de kalibratiegegevens.
- De Vacuuemcel evacueren.
- Sluit de deur van de kamer.
- Start de mechanische pompen.
- De moleculaire pompen starten wanneer de druk van de achtergrond in de kamer lager dan 5 is Pa.
- Starten van de cryogene pompen wanneer de druk van de achtergrond in de kamer lager dan 0,05 is Pa.
- Wachten op de druk om te bereiken 1 x 10-4 Pa.
2. ontsteking en stuwkracht meting Experiment
- Verwarm de Boegschroef als het is blootgesteld aan de lucht.
- Start de opname van het signaal.
- De drijfgas massastroom vastgesteldop 40 mg/s en houden leveren gedurende ten minste 20 minuten
- Inschakelen van de koeling watervoorziening.
- Stel de frequentie van de werken van koeling waterpompen bij 10 Hz.
- De stand van de stuwkracht verplaatsen naar de positie ver van de Boegschroef.
- Schakel de stroombron van de spoel met de huidige spoel van 90 A.
- Schakel de stroombron van de Boegschroef met de huidige geen kwijting van 240 A.
- Schakel de stroombron van de ontsteking.
- Houd de Boegschroef werken voor ten minste 5 minuten.
- Schakel de Boegschroef krachtbron en drijfgas levering.
- Stop de opname.
- Stuwkracht meting
- De stuwkracht stand naar de positie van 550 mm van de Boegschroef verplaatsen.
- Start de opname van het signaal.
- Start het drijfgas aanbod.
- De Boegschroef met 90 A coil huidige en 240 A kwijting huidige ontbranden.
- Verhoging van de huidige 150 A. Spoel
- Verhoging van de huidige tot 800 A. kwijting
- Verhoging van de huidige 230 A. Spoel
- Wanneer de output van de tribune van de strekking stabiel wordt uit de Boegschroef in te schakelen.
- Stop het drijfgas aanbod.
- Stop de opname.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
In het experiment, we geen kwijting huidige (Id) onder controle en drijfgas massa stromen rate(m) magnetisch veld (Ba) toegepast. In werking, we meten van de waarde van geen kwijting spanning (Vd) en stuwkracht (T), van welke base kunnen we andere prestatie parameters als vermogen (P), specifieke stoot (Isp) en stuwkracht van efficiëntie (η)1.
Een typische signaal van geen kwijting spanning wordt getoond in Figuur 6. Na de inleiding van de energiebron, zal er een open-circuit spanning tussen de anode en de kathode, waarvan de waarde ongeveer 230 V is. Deze open-circuit spanning is niet hoog genoeg is voor het uitsplitsen van de neutrale drijfgas in de vergaderzaal van de geen kwijting; We moeten een hoge frequentie geen kwijting spanning om te ontbranden de Boegschroef. Na-ontsteking, zal de spanning afnemen snel; dan is de spanning trends met een constante waarde na een periode van trilling.
Een typische stuwkracht meetresultaat is weergegeven in afbeelding 7. We beginnen met het opnemen van het signaal van de stuwkracht stand voordat de levering van de voortbeweging, die wordt behandeld als nul-stuwkracht punt. Zal er een zwakke stuwkracht na het begin van de levering van de voortbeweging. Boegschroef nagloeien, zal er een grote signaal met oscillaties, waarna de strekking trends op constante waarde. Toen we de Boegschroef uitschakelen. Zal er een nul-drift als gevolg van de thermische vervorming van het doel; de fout veroorzaakt door dit effect zal niet niet meer dan 1%.
Figuur 8 toont de invloed van geen kwijting de huidige, vereffend en drijfgas massastroom op stuwkracht voor boog macht tot 25 kW. We kiezen: Id = 200 A, Ba = 100 mT, ṁ = 40 mg/s, als Basisbediening voorwaarde; een reeks experimenten worden uitgevoerd om te vergelijken met de basisgegevens. Slechts één operatie parameter zal worden gewijzigd in elke contrast experiment: de huidige geen kwijting kan variëren van 160 A tot 360 A; de toegepaste veldsterkte kan gevarieerd worden van 34 mT aan 258 mT; de drijfgas massastroom kan variëren van 20 mg/s tot 80 mg/s. Voor het gemak van vergelijking normaliseren we deze drie bewerkingsparameters, zoals wordt weergegeven in de onderste x-axis in Figuur 8. Genormaliseerde bewerkingsparameters zijn 1.0, afvalcontainer dat de operatie voorwaarden zijn gelijk aan de basis. Naast de onder x-as zijn er drie meer x-axes op de top, die overeenkomen met de oorspronkelijke waarden van de drie parameters zijn, respectievelijk.
Figuur 9 toont de geen kwijting kenmerken tijdens een half uur van continu gebruik. Het kan worden gezien dat de trends van de Boegschroef een steady-state snel na ontsteking, en de spanning stabiel is in deze periode.
Figuur 10 presenteert foto's van de tantalium wolfraam kathode vóór en na tests. De totale runtime van de proeven was 10 h, met inbegrip van een half uur continue werking en korte tijd testen voor meer dan 90 begint. Het kan worden gezien dat de erosie gering en gedistribueerde gelijkmatig op de buitenkant van de kathode is. Volgens dit resultaat heeft de Boegschroef het potentieel om te werken voor een lange tijd.
Na de tests van continue werking verkenden we de prestaties van de Boegschroef in het vermogensbereik van 50-100 kW. De strekking werd gemeten met de doelgroep stuwkracht-standaard, en de resultaten worden weergegeven in Figuur 11meting. De beste prestaties wordt verkregen op 99,5 kW, waar de strekking is 3052 mN, specifieke stoot is 4359 s en stuwkracht efficiëntie is 67%. Daarnaast werd een stuwkracht van de theoretische waarde berekend, zoals Eq. 1 (Mikellides12 ), te vergelijken met de stuwkracht van de gemeten waarden; het grootste verschil tussen hen was 11,6%.
(1)
(een is kathode straal tot elektrode lengte verhouding; R is elektrode RADIUS-verhouding; A is de atoommassa in atomaire massa-eenheid en 
is de ionisatie factor12.)
Effect van boegschroef optimalisatie
De resultaatwaarden van de stuwdruk in reactie op variatie van systeemparameters is afgebeeld in Figuur 8, waar het kan worden gezien dat de invloed van drijfgas massastroom op de strekking vergelijkbaar met die van het veld vereffend is. Als gas dynamische acceleratie19 gevoelig voor ṁ is, kan worden geconcludeerd dat de gas dynamische acceleratie component is verbeterd in onze boegschroef. Bovendien, het verlenen van kwijting-gebied van huidige en toegepaste invloed op de elektromagnetische versnelling in verscheidene verschillende mechanismen en hun invloed moet duidelijk1. In onze experimenten is de strekking aanzienlijk gevoeliger zijn voor een toename van kwijting huidige ten opzichte van die van het veld vereffend, zoals weergegeven in Figuur 8. Één aspect van dit probleem kan worden veroorzaakt door versterking van de dynamische effecten van gas van axiale kwijting huidige vanwege de specifieke drijfgas Voedinginstelling verhogen door middel van de kathode. Verder, zoals weergegeven in Figuur 11, de MPD-boegschroef bereikt een hoogste efficiëntie van de stuwkracht van 67%, die vergelijkbaar is met de superieure efficiëntie van MPD thrusters met drijfgas Alkalimetaal20. Dus, zijn de gevolgen van de wijzigingen in het ontwerp gezien aanzienlijk te verbeteren de prestaties van MPD boegschroef.
Bovendien, ondanks het feit dat er geen anode regio drijfgas levering, had onze boegschroef stabiele werking op een stroom van de geen kwijting van 800 A en drijfgas levering tarief van 70 mg/s. Ter vergelijking: de MPD-boegschroef SX321 met gedeeltelijke drijfgas aanbod uit de anode, bereikt een begin regime op een geen kwijting stroom van 500 A en drijfgas levering tarief van 60 mg/s. op basis van de stabiliteit van een boegschroef MPD met kritische waarde ik2/ṁ 22, de huidige boegschroef is lichtjes superieur aan SX3.
Doel-strekking meetfouten
Met de doelgroep stuwkracht meting is het nodig om te voorkomen dat de overschatting van de strekking bij de hoogste prestaties werking. We nemen hier aan dat de botsing tussen het doel en de zware deeltjes in het plasma volkomen elastisch is. Dus wordt de helft van de gemeten stuwdruk beschouwd als de ware strekking. Bovendien, in de stroom van drijfgas naar het doel, wij gaan ervan uit dat het plasma volledig wordt beperkt door het magnetisch veld. We kozen de magnetische veldlijnen dat het buitenste bereik van de anode als de grens van magnetische mondstuk passeren. Ervan uitgaande dat de plasma-deeltjes zijn uniform verdeeld in het mondstuk, zoals aangegeven in Figuur 12, kunnen we het bereik van het plasma op de doel-vliegtuig, die 704 mm in diameter. De relatie tussen de stuwkracht van de gemeten en de echte strekking kan dan worden uitgedrukt als:
(2)
waar F is de gemeten strekking door de doelgroep en de T is de ware stuwkracht.
Verder, als gevolg van het gedrag van de barrière van de doelstelling van drijfgas deeltjes terug in de bedwelmingsruimte geen kwijting kunnen stromen. Ervan uitgaande dat alle deeltjes worden vrijgegeven uit het midden van het doel, zoals afgebeeld in Figuur 13, en dat de distributies van rug-flow deeltjes de cosinus wet23, vervolgens het aandeel van reentry deeltjes gehoorzamen met Eq. 3 kunnen worden geëvalueerd. Als de back-flow deeltjes gelijkmatig in alle richtingen van de ruimte verdelen, zal het aandeel met Eq. 4 worden uitgedrukt. De variaties van de verhoudingen met de doel-boegschroef afstand z, onder twee distributie aannames, zijn vermeld in Figuur 14. In de stuwkracht meting was de afstand van de target-boegschroef 550mm; Dus, het percentage van reentry deeltjes was berekend niet meer dan 0,3%.
De achtergrond druk kan ook invloed hebben op de prestaties gemeten stuwkracht. Wanneer de Boegschroef de hoogste prestaties bereikt, de achtergrond druk in het systeem kan worden gehandhaafd op 0,2 Pa met de massastroom van 70 mg/s. De gemeten strekking kan echter hoger dan de werkelijke waarde zijn vanwege de invloed van deze hoge achtergrond druk20,24,25,. Te elimineren deze mogelijke invloed het toerental van de pomp van het vacuümsysteem moet worden verhoogd, en dit is een geplande upgrade.
De doelgroep bestaat uit elektrisch geleidend materiaal, en het is geïsoleerd van de grond tijdens strekking meting. Er is echter een uitstroom huidige in de rookpluim die kan communiceren met de doelgroep en het beïnvloeden van het gedrag van de MPD boegschroef meting15. Dit kan een factor die de omvang van de efficiëntie van de stuwkracht en verdient nadere overweging.
(3)
(4)
Figuur 1 . Schematisch diagram van de AF-MPD boegschroef
De hoofdmacht van de MPD-boegschroef omvat anode (koper), kathode (tantaal wolfraam), isolator (boornitride), kathode houder (koper) en kathode-connector (koper). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2 . Schematisch diagram van experiment systeem
Blauwe lijnen in water koeling systeem: hogedruk Koudwater; rode lijnen in water koelsysteem: water verwarmd. Groene lijnen in acquisitie en controle systeem: signalen van bewerkingsparameters; bruin lijnen in acquisitie en controle systeem: signalen van controle instructies. Blauwe lijnen in voedingsbron systeem: draden aansluiten op de anode van boegschroef en magnetische spoel; rode lijn in de voedingsbron systeem: draden aansluiten op de kathode van boegschroef en magnetische spoel. Blauwe trapezium in het midden: bundel van de Boegschroef. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3 . Experiment indeling binnen de Vacuuemcel
De Boegschroef bevindt zich binnen de spoel magnetisch veld. De spoel is achter het doel stuwkracht stand; Dus, de Boegschroef-weergave wordt belemmerd door het doel van de visuele hoek in de figuur. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4 . Waterkoeling systeem
(een) groep van pompen, waterreservoir en koelkast (geplaatst buiten het laboratorium). (b) hogedruk metalen leidingen leveren het koelen van water (buiten de Vacuuemcel). (c) gewrichten en isolerende buizen koelwater voor elektroden en magnetische spoel (binnen de Vacuuemcel) leveren. (d) pompen domeincontrollers instellen het debiet van de waterpompen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5 . Doel methode stuwkracht stand
De centrale lijn van de boegschroef en de doelgroep zijn samenvallen met elkaar. De axiale positie van het doel kan worden aangepast met de beweegbare platform. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6 . Typische kwijting spanning voor de Boegschroef
Kwijting van de stroom van 240 A, veld Vereffend voor 258 mT, drijfgas massastroom van 40 mg/s. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7 . Typische stuwkracht meting signaal
Kwijting van de stroom van 240 A, veld Vereffend voor 258 mT, drijfgas massastroom van 40 mg/s. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8 . Invloed van de huidige, toegepaste veld geen kwijting en drijfgas massastroom op stuwkracht, met boog power tot 25 kW. Abscis onderaan vertegenwoordigt de genormaliseerde bewerkingsparameters met inbegrip van:
Id (kwijting huidige), Ba (toegepaste magnetische veldsterkte) en ṁ (drijfgas massastroom) met Id = 200 A, Ba = 100 mT, ṁ = 40 mg/s geselecteerd als Basisbediening voorwaarden, overeenkomt met de waarde van 1 op de onderste abscis. Abscissas op de top komen overeen met de oorspronkelijke waarden van de drie parameters. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 9 . Continu gebruik huidige en spanning voor arc kracht van 36 kW
Drie ononderbroken lijnen zijn output signalen voor de spanning van de geen kwijting, geen kwijting huidige en berekende boog macht, respectievelijk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 10 . Eerste kathode verschijning en kathode na operatie voor totaal 10 uur.
De linkerkant van de figuur toont het beeld van tantaal wolfraam holle kathoden voor het ondergaan van aanzuivering worden overgebracht; de rechterzijde bevat de kathode na een totaal van 10 uur onder geen kwijting. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 11 . Prestaties van de Boegschroef in het vermogensbereik van 50-100 kW
Punten met ster symbolen zijn waarden berekend door stuwkracht formule12stuwkracht. Andere symbolen zijn waarden stuwkracht gemeten met de doelgroep stuwkracht stand. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 12 . Schematische van grootte van de doelstelling ten opzichte van de geometrie van het magnetisch veld
De stippellijnen vertegenwoordigen magnetische veldlijnen door het buitenste bereik van de anode. Het magnetisch veld binnen de stippellijnen kan vormen een slanke magnetische mondstuk in de ruimte. De diameter van de verstuiver is 704 mm op het doel-vliegtuig, die is van 550 mm van de Boegschroef in het experiment. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 13 . Schematische van terug stroom deeltje dynamiek
De gestraalde pijlen van het doel staan rebound deeltjes uit het midden van het doel. We nemen hier aan dat alle deeltjes rebound vanaf het centrale punt van het doel. Deze aanname zal de berekening van het aandeel van reentry deeltjes overschatten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 14 . Percentage van terugvoer drijfgas in de geen kwijting-kamer
De lijn met symbolen van vierkanten geeft het aandeel van reentry deeltjes gebaseerd op de veronderstelling dat de terugvoer deeltjes een cosinus-distributie gehoorzamen. De lijn met diamant symbolen vertegenwoordigt die uit een uniforme verdeling. De abscis is de afstand tussen het doel en de uitgang van de anode. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dit protocol beschrijft de processen van ontsteking, bewerking en stuwkracht meting van een boegschroef 100 kW klasse toegepast veld MPD. Het belangrijkste punt in het ontwerpen van een MPD-boegschroef voor optimale prestaties is het kiezen van de juiste configuratie volgens de specifieke doelstelling. MPD thrusters met convergente-uiteenlopende anode kunnen functioneren steady-state in een groot werkbereik. De prestaties kan echter lager is dan de Boegschroef met uiteenlopende anode. De holle kathode, met name de multichannel holle kathode, is superieur aan een traditionele staaf kathode in de meeste aspecten. Toepassing van de holle kathode is gunstig voor het verbeteren van de Boegschroef, en het bevat de keuzemogelijkheden voor drijfgas levering modi. Productie kosten van een holle kathode is relatief hoog in vergelijking met een vaste kathode.
Een vloeistof circuit koeling structuur is noodzakelijk voor de werking van de Boegschroef als het is ontworpen om te werken voor meer dan 10 minuten. Als alternatief, straling koeling is een andere keuze26, die complexe koelvloeistof leidingen kunt vermijden. Dit kan echter een grote radiale omvang van de Boegschroef veroorzaken. Bovendien kunnen een heat pipe een andere keuze wanneer werkzaam in werkelijke ruimtemissie.
Een extern magnetisch veld is onmisbaar voor het AF-MPD boegschroef. Het veld kan worden geboden door een traditionele solenoïde spoel, zoals beschreven in het protocol, of een permanente magneet. Supergeleiding is bovendien een potentiële kandidaat, die veel sterker magnetisch veld dan traditionele spoel en de massa die daarvan ook minder dan de traditionele solenoïde spoel is kan bieden.
Om de stuwkracht meting experiment, de achtergrond druk moet lager zijn dan 0.013-0.13 Pa1. Anders kan de werking van de Boegschroef worden beïnvloed. Bovendien, volgens onderzoek27, er zijn uitstroom stromingen in de pluimen van MPD thrusters en de verste huidige kunt bereiken de positie 90 cm vanaf de Boegschroef in axiale richting. Verhoging van de grootte van de kamer is dus gunstig voor het verminderen van de invloed van de faciliteit op de Boegschroef.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd gesteund door de fundamentele Research Program (nr. JCKY2017601C). Wij waarderen het helpen van Thomas M. York, Professor-Emeritus aan de Universiteit van de staat van Ohio.
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).
