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Engineering

Un 100 KW clase campo aplicado Magnetoplasmadynamic hélice de proa

Published: December 22, 2018 doi: 10.3791/58510
Automatic Translation
1, 2, 1, 1, 3, 1, 3, 3, 4, 2
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

Summary

El objetivo de este protocolo es introducir el diseño de 100 kW clase campo aplicado magnetoplasmadynamic hélice de proa y métodos experimentales.

Abstract

Empujadores de magnetoplasmadynamic campo aplicado (propulsores de AF-MPD) son aceleradores híbridos que electromagnética y procesos dinámicos de gas plasma de acelerar a alta velocidad; tienen un considerable potencial para aplicaciones de espacio futuro con las ventajas significativas de alto impulso específico y densidad de empuje. En este trabajo, presentamos una serie de protocolos para diseñar y fabricar una clase de kW 100 de hélice de AF-MPD con refrigeración por agua de estructuras, una tensión de descarga máxima 130 V, un 800 A máxima de descarga actual y una fuerza máxima de 0.25 T de campo magnético. Un cátodo de tungsteno de tantalio hueco actúa como la entrada sólo propulsor para inhibir la descarga radial, y se coloca axialmente en la parte trasera del ánodo con el fin de aliviar el hambre de ánodo. Un ánodo de cobre divergente cilíndrico se emplea para disminuir la deposición de energía de ánodo, donde se ha reducido la longitud para disminuir el área de conexión de pared plasma. Experimentos utilizaron un vacío sistema que puede alcanzar un vacío de trabajo de 0.01 Pa para un flujo de masa de propelente total tasa inferior a 40 mg/s y un objetivo de empuje soporte. Las pruebas de la hélice se llevaron a cabo para medir los efectos de los parámetros de trabajo como propulsor de caudales, la descarga actual y la fuerza del campo magnético aplicado sobre el rendimiento y permitir análisis apropiado. La hélice podría ser funcionada continuamente por períodos considerables de tiempo con pequeña erosión en la superficie de cátodo hueco. La máxima potencia de la hélice es de 100 kW y el funcionamiento de esta configuración refrigerado por agua es comparable con la de empujadores divulgados en la literatura.

Introduction

Propulsores MPD son conocidos por una densidad relativamente alta de empuje y un alto impulso específico1,2,3. Sin embargo, el empuje típicos eficiencia1 de propulsores MPD es relativamente baja, especialmente con propulsores de gases nobles4,5,6. Para la mayoría de los propulsores MPD, una parte del flujo del propulsor se inyecta en la cámara de descarga de una hendidura entre el ánodo y el cátodo7,8 , con el resultado de que un componente radial es una proporción significativa de la descarga total. Sin embargo, para generar empuje, efectos cinéticos radial deban convertir en movimiento cinético axial con una boquilla de física o una tobera magnética. Por consiguiente, una característica clave de la nueva hélice MPD de diseño es que todos propulsor se suministra a través del cátodo, que puede actuar para inhibir la descarga radial; de esta manera, se puede aumentar la proporción de energía axial. Hay un efecto mayor que el parámetro de Hall en el plasma alrededor del ánodo puede incrementarse por la disminución de la densidad del número en el ánodo, que puede consolidar el pabellón aceleración componente9. Puesto que el propulsor está cerca de la superficie interna del cátodo donde se emiten grandes cantidades de electrones iniciales en este modo de la inyección, se puede aumentar grandemente la tarifa de la ionización propulsor. Además, la longitud del ánodo se ha minimizado para reducir la zona de conexión de pared plasma y reducir el ánodo poder deposición10,11. Como se aplica un ánodo divergente, esto disminuye el ángulo entre el ánodo y las líneas de campo magnético y disminuir ánodo poder deposición más12,13.

A pesar de las ventajas señaladas para mejorar el rendimiento, suministro completo propulsor de inyección de cátodo puede aumentar el riesgo de inanición de ánodo que puede dar lugar a fenómenos de "Inicio"14. Para inhibir este comportamiento, hemos retirado el cátodo a la base del ánodo. Los electrones entonces pueden difundir suficientemente en la dirección radial antes de salir de la salida del ánodo, que actúa para aliviar el hambre de ánodo. Además, se adopta un cátodo hueco multicanal; Comparado con el cátodo hueco de canal único, un cátodo hueco multicanal puede aumentar el área de emisión de electrones y hacer más uniforme la distribución del propulsor. Con esta modificación, la vida y la estabilidad de la hélice pueden ser mayor de15,16,17.

El poder de diseño de la hélice es de 100 kW y una estructura de refrigeración es necesario con la operación de estado estacionario. En los presentes experimentos de laboratorio, se emplea una estructura eficiente de la refrigeración por agua. Sin embargo, para evaluar el funcionamiento del diseño de hélice MPD, es fundamental para obtener el empuje. Con la aplicación de un sistema de agua de alta presión para transferir calor, habrá fuertes vibraciones durante el funcionamiento de tal enfriamiento, que puede crear interferencia significativa si utilizamos las medidas tradicionales de empuje. En consecuencia, un soporte objetivo de empuje se emplea para medir la fuerza de empuje.

Hélice de MPD

Como se muestra en la figura 1, consiste en la hélice de MPD de ánodo, cátodo y aislante. El ánodo está hecho de cobre con una boquilla divergente cilíndrica, el diámetro interno mínimo de los cuales es de 60 mm. Hay un canal de refrigeración en forma de S alrededor de la pared interna del ánodo. La entrada y salida del canal están en la parte superior el ánodo, que están separadas por un deflector. Un bloque de cobre delgado se emplea para conectar el ánodo y el cable eléctrico. El cruce está en la superficie del ánodo.

El material del cátodo es tungsteno de tantalio, con nueve canales propulsores. El diámetro exterior del cátodo es de 16 mm. El enfriamiento del cátodo se obtiene con un soporte de refrigeración por agua alrededor de la base de cátodo. Hay un canal en forma de anillo dentro del titular. El agua se inyecta en el soporte de la parte inferior y sale por la parte superior. Hay un conector de cátodo hueco en el lado izquierdo del cátodo. El propulsor atraviesa el centro del conector y en la cámara del cátodo hueco; hay una gran cavidad dentro de la base de cátodo con nueve canales cilíndricos estrechos. La cavidad actúa como un amortiguador para aumentar la uniformidad de la distribución del propulsor en nueve canales. El cátodo está conectado con el cable eléctrico con un bloque de cobre anular, que se instala alrededor del conector del cátodo.

Además el cuerpo principal de la hélice, una bobina magnética externa también es necesaria generar campos para los mecanismos en la hélice de AF-MPD; campos magnéticos proporcionan un campo magnético convergente-divergente para acelerar el plasma junto con el campo eléctrico. La bobina de campo consta de 288 vueltas circulares tubos de cobre, que actúan como el paso de ambos eléctricos actuales y enfriamiento de agua. El diámetro interno de la bobina es 150 mm, mientras que el diámetro externo es de 500 mm. La mayor intensidad de campo en el centro es de 0.25 T a de corriente de 230 A.

Experimento sistema

El sistema de experimento incluye seis subsistemas. El diagrama esquemático de la disposición general del sistema experimental se muestra en la figura 2; el diseño de la hélice dentro de la cámara de vacío se muestra en la figura 3.

En primer lugar, el sistema de vacío, que proporciona el entorno vacío necesario para el funcionamiento de la hélice de proa, consiste en una cámara de vacío, dos bombas mecánicas, una bomba molecular y cuatro bombas criogénicas. El diámetro de la cámara es de 3 m y la longitud es 5 m. La presión del ambiente puede ser mantenida bajo 0.01 Pa cuando el flujo de propelente (argón) es no más de 40 mg/s.

En segundo lugar, este sistema de fuente proporciona un pulso de alto voltaje para encender la hélice proporciona la energía de la hélice acelerar el plasma y proporciona la energía para la bobina de campo magnético mantener el campo magnético externo. El sistema de fuente de alimentación consta de una fuente de energía de ignición, una fuente de alimentación de la hélice de proa, una fuente de alimentación de la bobina y cables. La fuente de alimentación de ignición puede proporcionar 8 kV o 15 kV tensión de descarga. La fuente de alimentación de la hélice proporciona una corriente continua hasta 1000 A. La fuente de alimentación de la bobina proporciona una corriente continua hasta 240 A.

En tercer lugar, el sistema de abastecimiento propulsor alimenta propulsor de gas para propulsión. El sistema incluye principalmente la fuente del gas, el controlador de tasa de flujo másico y gas tuberías.

El cuarto subsistema es el sistema de refrigeración por agua, que proporciona agua fría alta presión para intercambiar el calor de la hélice de proa, bobina magnética y fuentes de energía. Como se muestra en la figura 4, el sistema consiste en grupo de bombas, tanque de agua, nevera, controladores de bombas y tuberías de suministro de agua. Las tuberías no llevando a cabo dentro de la cámara de vacío proporcionan un enfriamiento terminal de agua para la hélice de proa y la bobina magnética y asegura eso aislamiento eléctrico entre el ánodo y el cátodo el suelo.

La adquisición y sistema de control pueden grabar las señales de medición de condiciones de funcionamiento de la hélice y control operación de otros sistemas. Se compone de tres ordenadores y software correspondiente, tarjeta de adquisición de datos y cables.

Como se muestra en la figura 5, el soporte objetivo de empuje consiste en blanco placa, viga esbelta, sensor de desplazamiento, marco de soporte, plataforma móvil axial y radial plataforma movible. El objetivo puede interceptar el plasma que lo empuja el destino. El desplazamiento del objetivo puede medirse por un sensor colocado detrás del objetivo, de esta manera permitir la evaluación del empuje18.

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Protocol

1. Preparación para el experimento

  1. Instalar a la hélice.
    1. Limpie los componentes de la hélice condiferentes polvo empapado, con alcohol anhidro, en una sala limpia.
    2. Montar el ánodo con el aislador.
    3. Reunir el cátodo, el alojamiento del cátodo y el conector de cátodo.
    4. Añadir la parte del cátodo a la parte del ánodo.
    5. Instale el conector del medio en el conjunto y fijar con los tornillos (tornillos de cabeza hueca hexagonal, M5 × 16).
    6. Establecer el asiento de la bobina en la plataforma de experiencia con carretilla elevadora.
    7. Coloque la plataforma de experimento en el carril de guía de la cámara de vacío.
    8. Instale a la hélice en la bobina.
    9. Enlace el ánodo y el cátodo con cables eléctricos correspondientes.
    10. Enlace de la bobina magnética con la fuente de alimentación de la bobina.
    11. Unirse a los tubos de refrigeración por agua y tubo de alimentación propulsor con la hélice.
    12. Une las tuberías de agua de refrigeración con la bobina.
    13. Instalar la plataforma movible dentro de la cámara y fijar que el cuerpo principal de empuje soporte en él.
    14. Ajustar la posición de la plataforma móvil radial para hacer las líneas de control de la hélice y el objetivo coinciden entre sí.
  2. Calibrar la posición de empuje.
    1. Carga de diferentes pesos (10 g, 50 g, 100 g, 200 g), uno por uno, en el dispositivo de calibración y el registro la correspondiente salida de la base de empuje.
    2. Descargar los pesos uno a uno.
    3. Repita el proceso tres veces al menos.
    4. Calcular el coeficiente elástico de la base de empuje, según los datos de calibración.
  3. Evacuar la cámara de vacío.
    1. Cierre la puerta de la cámara.
    2. Comienzan las bombas mecánicas.
    3. Iniciar las bombas moleculares cuando la presión de fondo en la cámara es inferior a 5 PA.
    4. Inicio bombas criogénicas cuando la presión de fondo en la cámara es inferior a 0.05 PA.
    5. Espere a que la presión llegar a 1 x 10-4 PA.

2. encendido y experimento de medición de empuje

  1. Precaliente la hélice si ha estado expuesto al aire.
    1. Iniciar la grabación de la señal.
    2. La tasa de flujo de masa de propelente en 40 mg/s y mantener el suministro durante al menos 20 minutos
    3. Encienda el suministro de agua de enfriamiento.
    4. Ajustar la frecuencia de trabajo de enfriamiento bombas de agua de 10 Hz.
    5. Mueva el soporte de empuje en la posición lejos de la hélice.
    6. Encienda la fuente de alimentación de la bobina la corriente de la bobina de 90 A.
    7. Encienda la fuente de alimentación de la hélice con la corriente de descarga de 240 A.
    8. Encienda la fuente de alimentación de encendido.
    9. Mantenga la hélice de trabajo durante al menos 5 minutos.
    10. Apague la fuente de alimentación de la hélice y la fuente propelente.
    11. Detener la grabación.
  2. Medición de empuje
    1. Mueva el soporte de empuje a la posición de 550 mm de la hélice.
    2. Iniciar la grabación de la señal.
    3. Iniciar el suministro de propulsor.
    4. Encender la hélice con 90 A coil actual y 240 A descarga actual.
    5. Aumento de la bobina de corriente de 150 A.
    6. Aumento de la descarga actual a 800 A.
    7. Aumento de la bobina de corriente a 230 A.
    8. Apague la hélice cuando la salida de empuje soporte estable.
    9. Pare la fuente del propulsor.
    10. Detener la grabación.

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Representative Results

En el experimento, podemos controlar la corriente de descarga (Id), masa propelente fluir rate(m) y aplicado campo magnético (Ba). En la operación, medimos el valor de la tensión de descarga (Vd) y empuje (T), de que base podemos obtener otro rendimiento parámetros como la potencia (P), impulso específico (Isp) y empuje de eficiencia (η)1.

Una señal típica de tensión de descarga se muestra en la figura 6. Sobre la iniciación de la fuente de alimentación, habrá una tensión de circuito abierto entre el ánodo y el cátodo, cuyo valor es de 230 V. Este voltaje de circuito abierto no es lo suficientemente alta como para romper el propulsor neutral en la cámara de descarga; tenemos que aplicar una tensión de descarga de alta frecuencia para encender el propulsor. Después de la ignición, la tensión disminuirá rápidamente; entonces las tendencias de tensión a un valor constante después de un período de oscilación.

El resultado de la medición de un empuje típico se muestra en la figura 7. Comenzamos a grabar la señal de la base de empuje antes de iniciar el suministro del propulsor, que es tratado como punto cero-empuje. Habrá un débil empuje después del principio de la fuente del propulsor. Después de la ignición del propulsor, habrá una señal grande con oscilaciones, después de lo cual el empuje tendencias a valor constante. Luego apagamos la hélice. Habrá una deriva de cero debido a la deformación térmica de la blanco; el error causado por este efecto será no más del 1%.

La figura 8 muestra la influencia de la corriente de descarga, campo aplicado y caudal de masa de empuje para arco propulsor de potencia a 25 kW. Elegimos: Id = 200 A, Ba = 100 mT, ṁ = 40 mg/s, como una condición de operación básica; se llevan a cabo una serie de experimentos para comparar con los datos básicos. Parámetro de la solo operación se cambiará en cada experimento de contraste: se puede variar la corriente de descarga de 160 A 360 A; se puede variar la fuerza del campo aplicado de 34 mT a 258 mT; la tasa de flujo de masa de propelente puede variar de 20 mg/s a 80 mg/s. Para la conveniencia de comparación, normalizan estos parámetros de tres operación, como se muestra en el eje x de la parte inferior en la figura 8. Parámetros de operación normalizado son 1.0, indica que las condiciones de funcionamiento son los mismos que el básico. Junto con el eje x de la parte inferior, hay tres Axes más en la parte superior, que corresponden a los valores originales de los tres parámetros, respectivamente.

La figura 9 muestra las características de la descarga durante una media hora de operación continua. Se puede ver que las tendencias de la hélice a un estado de constante rápidamente después de la ignición y el voltaje es estable durante este período.

Figura 10 presenta fotografías del cátodo del tungsteno de tantalio antes y después de las pruebas. El tiempo total de ejecución de las pruebas fue h 10, incluyendo la operación continua de una media hora y pruebas para más de 90 empieza a corto plazo. Puede verse que la erosión es ligera y distribuidos uniformemente en la superficie exterior del cátodo. Según este resultado, la hélice tiene el potencial para funcionar durante mucho tiempo.

Tras las pruebas de funcionamiento continuo, se analizó el rendimiento de la hélice en el rango de potencia de 50 a 100 kW. El empuje se midió con el soporte de destino del empuje y la medición de resultados se muestran en la figura 11. El mejor rendimiento se obtiene en 99.5 kW, donde la fuerza de empuje es 3052 mN, impulso específico es 4359 s y eficiencia de empuje es del 67%. Además, se calculó un valor de empuje teórico, como en la ecuación 1 (Mikellides12 ), para comparar con los valores medidos de empuje; la diferencia más grande entre ellos fue 11.6%.

Equation 1(1)

(una es radio de cátodo a la relación de la longitud del electrodo; R es cociente del radio del electrodo; A es el peso atómico en unidad de masa atómica y Equation 2 es la ionización factor12.)

Efecto de la optimización de la hélice

Los valores resultantes de empuje en respuesta a la variación de parámetros del sistema se muestra en la figura 8, donde se puede ver que la influencia del caudal de masa propelente en el empuje es similar a la del campo aplicado. Como de la aceleración dinámica de gas19 es sensible a ṁ, puede concluirse que se ha mejorado el componente de la aceleración dinámica de gas en nuestra proa. Por otra parte, el descarga actual y aplicada campo afecta a la aceleración electromagnética de varios diversos mecanismos y su influencia debe ser evidente1. En nuestros experimentos, la idea es significativamente más sensible a un aumento de corriente en comparación con la del campo aplicado, como se muestra en la figura 8. Uno de los aspectos de este comportamiento puede deberse a reforzar efectos dinámicos de gas de aumento actual por el modo específico de abastecimiento propulsor axial descarga con el cátodo. Además, como se muestra en la figura 11, la hélice de MPD alcanza una mayor eficiencia de empuje de 67%, que es comparable a la eficacia superior de propulsores MPD con propulsor de metal alcalino20. Así, se observan los efectos de los cambios de diseño para mejorar significativamente el rendimiento de la hélice de MPD.

Además, a pesar de que no existe ninguna fuente propulsor de la región del ánodo, nuestra hélice tenía operación estable a una corriente de descarga de 800 A y tasa de abastecimiento propulsor de 70 mg/s. En comparación, la hélice MPD SX321 con suministro parcial de propulsor del ánodo, alcanzado un régimen de inicio a una corriente de 500 A y tasa de abastecimiento propulsor de 60 mg/s. basado en la estabilidad de una hélice de MPD con valor crítico2/ṁ 22, la hélice actual es ligeramente superior a la SX3.

Errores de medición de empuje blanco

Con la medición del objetivo de empuje, es necesario para evitar la sobreestimación de la orientación en la operación de rendimiento más alto. Aquí asumimos que la colisión entre el objetivo y las partículas pesadas en el plasma es perfectamente elástica. Así, se toma la mitad del empuje medido como el verdadero empuje. Por otra parte, en el flujo de propelente al objetivo, asumimos que el plasma es totalmente limitado por el campo magnético. Elegimos las líneas de campo magnético que pasan a través del ánodo exterior como límite de boquilla magnética. Suponiendo que las partículas del plasma se distribuyen uniformemente en la boquilla, como se muestra en la figura 12, podemos obtener la gama de plasma en el plano objetivo, que es 704 mm de diámetro. Entonces la relación entre el empuje medido y el verdadero impulso se puede expresar como:

Equation 3(2)

donde F es el empuje medido por el destino y T es el verdadero empuje.

Además, debido al comportamiento de la barrera de la meta, propulsor de partículas pueden fluir hacia la cámara de descarga. Suponiendo que todas las partículas se lanzan desde el centro del blanco, como se muestra en la figura 13, y que las distribuciones de partículas reflujo obedecen el coseno ley23, entonces la proporción de partículas de reingreso puede ser evaluado con la ecuación 3. Si el reflujo de partículas se distribuyen uniformemente en todas las direcciones del espacio, la proporción se expresará con 4 EQ. Las variaciones de las proporciones con el destino-hélice distancia z, bajo dos supuestos de distribución, se muestran en la figura 14. En la medida de empuje, la distancia de destino-hélice era 550mm; así, se calculó la proporción de partículas de reingreso en no más de 0,3%.

La presión de fondo también puede influir en el rendimiento de empuje medido. Cuando la hélice alcanza el más alto rendimiento, se puede mantener la presión de fondo en el sistema en 0,2 Pa con la tasa de flujo de masa de 70 mg/s. Sin embargo, el empuje medido puede ser mayor que el valor real debido a la influencia de este fondo alta presión20,24,25,. Para eliminar esta posible influencia debe aumentarse la velocidad de la bomba de vacío, y esta es una actualización planificada.

El destino está hecho de material conductor eléctrico, y está aislado de la tierra durante la medición del empuje. Sin embargo, hay una salida de la pluma que puede interactuar con el objetivo y que influyen en el comportamiento para el MPD hélice medida15. Esto puede ser un factor que influye en la magnitud de la eficacia de empuje y es digno de consideración.

Equation 4(3)

Equation 5(4)

Figure 1
Figura 1 . Diagrama esquemático de la hélice de AF-MPD
El cuerpo principal de la hélice de MPD incluye ánodo (cobre), cátodo (tántalo, tungsteno), aislante (nitruro de boro), alojamiento del cátodo (cobre) y conector de cátodo (cobre). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2 . Diagrama esquemático del experimento de sistema
Azul líneas en sistema de enfriamiento de agua: agua fría a alta presión; líneas rojas en agua sistema de enfriamiento: agua caliente. Verde líneas en sistema de adquisición y control: las señales de los parámetros de operación; marrón de líneas en sistema de adquisición y control: señales de instrucciones de control. Azul líneas en sistema de fuente de alimentación: los cables de conexión al ánodo de hélice y bobina magnética; línea roja en el sistema de fuente de alimentación: los cables de conexión al cátodo de hélice y bobina magnética. Trapezoide de azul en el centro: haz de la hélice.  Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 . Diseño de experimento dentro de la cámara de vacío
La hélice se coloca dentro de la bobina de campo magnético. La bobina está detrás el soporte blanco de empuje; así, el punto de vista de la hélice es obstruida por el objetivo de ángulo visual en la figura. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4 . Sistema de enfriamiento de agua
(un) grupo de bombas, tanque de agua y nevera (colocado fuera del laboratorio). (b) metal de alta presión tubos de abastecimiento el sistema de refrigeración de agua (fuera de la cámara de vacío). (c) empalmes y aislamiento tuberías de suministro de agua de enfriamiento para electrodos y bobina magnética (dentro de la cámara de vacío). (d) controladores de bombas fijar el caudal de las bombas de agua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5 . Soporte de empuje de método de destino
La línea central de la hélice y el objetivo son coincidentes entre sí. La posición axial de la blanco se puede ajustar con la plataforma móvil. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6 . Tensión de descarga típico para la hélice de
Descarga de corriente de 240 A, campo de 258 metros, caudal de masa de 40 mg propulsor/s. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7 . Señal de medición típico empuje
Descarga de corriente de 240 A, campo de 258 metros, caudal de masa de 40 mg propulsor/s. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8 . Influencia de descarga actual, aplicada campo y flujo másico propulsor de empuje, con arco de potencia a 25 kW. Abscisa en la parte inferior representa los parámetros de operación normalizado incluyendo:
ID (descarga actuales), Ba (fuerza del campo magnético aplicada) y ṁ (propulsor caudal de masa) con Id = 200 A, Ba = 100 mT, ṁ = 40 mg/s seleccionado como condiciones de la operación básica, correspondiente al valor de 1 en la abscisa de la parte inferior. Abscisas en la parte superior corresponden a los valores originales de los tres parámetros. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 9
Figura 9 . Operación continua de corriente y voltaje para potencia de arco de 36 kW
Tres líneas sólidas son señales de salida de tensión de descarga, descarga energía de arco actuales y calculado, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 10
Figura 10 . Aspecto inicial del cátodo y cátodo después de la operación total 10 horas.
El lado izquierdo de la figura muestra la imagen de cátodo hueco de tantalio tungsteno antes de someterse a la descarga; el lado derecho muestra el cátodo después de un total de 10 horas en descarga. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 11
Figura 11 . Rendimiento de la hélice en el rango de potencia de 50-100 kW
Puntos con símbolos de estrellas son valores de empuje calculado por la fórmula del empuje12. Otros símbolos son los valores de medida con el objetivo de empuje soporte de empuje. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 12
Figura 12 . Esquema del tamaño de la blanco en comparación con la geometría del campo magnético
Las líneas punteadas representan las líneas de campo magnético a través del ánodo externo. El campo magnético dentro de las líneas de puntos pueden formar una delgada boquilla magnética en el espacio. El diámetro de la boquilla es de 704 mm en el plano objetivo, que es de 550 mm de la hélice en el experimento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 13
Figura 13 . Esquema de la dinámica de la partícula de flujo trasero 
Las flechas irradiadas del destino representan partículas rebote desde el centro del blanco. Aquí asumimos que todas las partículas rebotan desde el punto central del blanco. Esta suposición sobrestiman el cálculo de la proporción de partículas de reingreso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 14
Figura 14 . Porcentaje de reflujo propulsor en la cámara de descarga
La línea con símbolos de cuadrados representa la proporción de partículas de reingreso basado en la suposición de que las partículas de reflujo obedecen una distribución de coseno. La línea con símbolos de diamante representa una distribución uniforme. La abscisa es la distancia entre el objetivo y la salida del ánodo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Este protocolo describe los procesos de encendido, funcionamiento y medición de empuje de una hélice de MPD 100 de kW clase aplica campo. El punto clave en el diseño de una hélice MPD para un rendimiento óptimo es elegir la configuración adecuada según el objetivo específico. Propulsores MPD con ánodo convergente divergente pueden funcionar estado estable en un rango de operación amplio. Sin embargo, el rendimiento puede ser inferior a la hélice con el ánodo divergente. Cátodo hueco, especialmente el cátodo hueco multicanal, es superior a un cátodo de barra tradicional en muchos aspectos. Aplicación de cátodo hueco es beneficioso para mejorar el rendimiento de la hélice, y ofrece opciones para los modos de suministro de propulsor. Coste de un cátodo hueco de fabricación es relativamente alto en comparación con un cátodo sólido.

Un circuito fluido de estructura de la refrigeración es necesario para el funcionamiento de la hélice si está diseñado para funcionar durante más de 10 minutos. Por otra parte, radiación de enfriamiento es otra opción26, que puede evitar la tubería de refrigerante complejo. Sin embargo, esto puede causar un gran tamaño radial de la hélice. Además, una pipa de calor puede ser otra opción al empleado en misión espacial real.

Un campo magnético externo es indispensable para la hélice de AF-MPD. El campo se puede proporcionar por una bobina tradicional, como se describe en el protocolo, o un imán permanente. Además, la superconductividad es un candidato potencial, que puede proporcionar mucho campo magnético más fuerte que la tradicional bobina y la masa de la cual es también menor que la tradicional bobina.

Para el experimento de medición de empuje, la presión de fondo debe ser inferior a 0.013 0.13 Pa1. De lo contrario, puede influenciar el funcionamiento de la hélice. Además, según investigación27, hay corrientes de salida en los penachos de los propulsores de la MPD y la corriente de campo puede llegar a la posición de 90 cm de la hélice en dirección axial. Por lo tanto, aumentando el tamaño de la cámara es beneficioso para disminuir la influencia de la instalación de la hélice.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue financiado por el programa de Investigación Fundamental (no. JCKY2017601C). Agradecemos la ayuda de Thomas M. York, profesor emérito de la Universidad Estatal de 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

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References

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