Ein 100 KW-Klasse angewendet-Feld Magnetoplasmadynamic Thruster
22. Dezember 2018
Das Ziel dieses Protokolls ist einzuführen das Design einer 100 kW-Klasse angewendet-Feld magnetoplasmadynamic Thruster und experimentellen Methoden.
Ziel dieses Protokolls ist es, die Konstruktion eines magnetoplasmadynamischen Schubsders der Klasse 100 Kilowatt und der relativ experimentierten Methode einzuführen. Magnetoplasmadynamischer Schubstrahler, also MPD-Strahler, ist ein typischer elektrischer Beschleuniger. Es ist bekannt für hohe spezifische Impulse und eine hohe Schubdichte und wird als Hauptanwärter für unseren Hauptantrieb in unseren zukünftigen Hochleistungs-Weltraummissionen behandelt.
In diesem Artikel werden wir ein Design eines 100-Kilowatt-Klasse-MPD-Schubsers mit angewandtem Feld, die notwendigen Experimentiersysteme für ein relatives Schubdüsenexperiment und die Arbeitsschritte zum Abschluss dieses Experiments vorstellen. Thruster-Design. Der Schub besteht hauptsächlich aus Anode, Kathode und Isolator.
Die Anode besteht aus Kupfer mit einer Zylinder-Divergenz, deren minimaler Innendurchmesser 60 Millimeter beträgt. Die Kathode besteht aus Tantal-Wolfram mit neun Treibmittelkanälen, deren Außendurchmesser 16 Millimeter beträgt. Auf der linken Seite befindet sich ein hohler Kathodenstecker.
Das Treibmittel fließt durch die Mitte des Steckers und erreicht die Hohlkathode. Es gibt einen großen Hohlraum in der Kathodenbasis, der mit neun zylindrischen Kanälen verbunden ist. Der Hohlraum dient als Puffer, um die Homogenität der Treibmittelverteilung in neun Kanälen zu erhöhen.
Die Kathode ist mit einem ringförmigen Kupferblock verbunden, der um den Kathodenstecker herum installiert ist. Neben dem Hauptkörper des Schubsers ist auch eine externe Magnetspule für die Arbeit des MPD-Düsens notwendig. Die Spule besteht aus 288 Umdrehungen Kreis Kupferrohre, die als Durchgang für elektrischen Strom und Kühlwasser fungieren.
Der Innendurchmesser der Spule beträgt 150 Millimeter, der Außendurchmesser 500 Millimeter. Die höchste Feldstärke im Zentrum ist 0,25 Telsa. Experimentiersystem.
Das Experimentsystem bietet die notwendigen Bedingungen für das Experiment, das hauptsächlich sechs Teilsysteme umfasst. Erstens bietet das Vakuumsystem die notwendige Vakuumumgebung für den Schub. Und der Durchmesser der Kammer beträgt drei Meter, während die Länge zwei Meter beträgt.
Der Umgebungsdruck kann unter 0,01 Pascal bleiben. Zweitens, Stromquellensystem. Das Stromquellensystem besteht aus Zündstromquelle, Schubstromquelle, Spulenstromquelle und Kabeln.
Die Zündstromquelle kann acht Kilovolt- oder 15-Kilovolt-Entladungsspannung liefern. Die Schubstromquelle liefert einen Gleichstrom von bis zu 1.000 Ampere. Die Spulenstromquelle liefert einen Gleichstrom von bis zu 240 Ampere.
Das dritte ist das Treibgasversorgungssystem, das Gastreibstoff für Schubdüsen speist. Dieses System umfasst hauptsächlich Gasquellen, Massenstromregler und Gasversorgungsleitungen. Das vierte ist das Wasserkühlsystem, das Hochdruckwasser liefert, um die zusätzliche Wärme des Schubsers, der Magnetspule und der Stromquellen auszutauschen.
Dann ist Das Erfassungs- und Steuerungssystem, das die Signale von Schubbetriebsbedingungen aufzeichnen und andere Systeme steuern kann. Das letzte ist das Zielschubmesssystem, mit dem der Schub gemessen werden kann. Der Zielschubständer besteht hauptsächlich aus Plattenziel, Schlankstrahl, Verdrängungssensor, Stützrahmen, axial beweglicher Plattform und funkbeweglicher Plattform.
Das Plasma kann vom Ziel abgefangen werden, und das Ziel wird durch das Plasma geschoben. Die Verschiebung des Ziels kann durch den hinter dem Ziel platzierten Sensor gemessen werden. Auf diese Weise können wir den Schub bewerten.
Vorbereitung auf das Experiment. Installieren Sie den Schub. Wischen Sie die Komponenten des Schubsers mit Alkohol in einem Reinraum ab.
Montieren Sie die Anode mit dem Isolator. Bringen Sie Kathode, Kathodenhalter und Kathodenverbinder zusammen. Fügen Sie das Kathodenteil zum Anodenteil hinzu.
Installieren Sie den mittleren Stecker in die Assemblage und befestigen Sie ihn mit Schrauben. Stellen Sie den Spulensitz auf der Experimentierplattform mit Gabelstapler auf. Platzieren Sie die Experimentierplattform auf der Führungsschiene der Vakuumkammer.
Installieren Sie den Schubstrahler auf der Spule. Verbinden Sie Anode und Kathode mit entsprechenden elektrischen Kabeln. Verknüpfen Sie die Magnetspule mit der Spulenstromquelle.
Verbinden Sie die Wasserkühlrohre und Treibmittelversorgungsrohre mit Schubdüsen. Verbinden Sie die Wasserkühlrohre mit der Spule. Installieren Sie die bewegliche Plattform in der Kammer und fixieren Sie den Hauptkörper des Schubständers darauf.
Passen Sie die Position der beweglichen Plattform an, um die Mittellinie des Schubsers und das Ziel miteinander zuzulassen. Dann arbeiten wir am Schubständer zusammen. Laden Sie zunächst unterschiedliche Gewichte auf das Kollaborationsgerät und zeichnen Sie die entsprechende Ausgabe des Schubständers auf.
Wiederholen Sie den Vorgang mindestens dreimal. Dann können wir den elastischen Koeffizienten des Schubständers entsprechend den Kalibrierdaten berechnen. Vakuumieren Sie die Vakuumkammer.
Schließen Sie die Tür der Kammer. Starten Sie die mechanischen Pumpen. Starten Sie die molekularen Pumpen, wenn der Hintergrunddruck in der Kammer niedriger als fünf Pascal ist.
Starten Sie die kryogenen Pumpen, wenn der Hintergrunddruck in der Kammer unter 0,05 Pascal liegt. Warten Sie, bis der Druck 10 bis zur Leistung von minus vier Pascal erreicht. Zünd- und Schubmessexperiment.
Wir müssen den Schub vorheizen, wenn der Schubder der Luft ausgesetzt wurde. Starten Sie die Aufzeichnung des Signals. Stellen Sie die Treibgasmassendurchflussrate auf 40 Milligramm ein und liefern Sie mindestens 20 Minuten.
Schalten Sie die Kühlwasserversorgung ein. Stellen Sie die Arbeitsfrequenz von Anoden- und Kathodenwasserkühlpumpen auf 10 Hertz ein. Bewegen Sie den Schubständer in die Position weit weg vom Schub.
Schalten Sie die Spulenstromquelle mit dem Spulenstrom von 90 Ampere ein. Schalten Sie die Schubstromquelle mit dem Entladungsstrom von 240 Ampere ein. Schalten Sie die Zündstromquelle ein.
Halten Sie den Schubfürst mindestens fünf Minuten am Werk. Schalten Sie die Schubstromquelle und die Treibstoffversorgung aus. Beenden Sie die Neucodierung.
Nach der Vorwärmung können wir die Schubmessung durchführen. Bewegen Sie den Schubständer 550 Millimeter vom Schuber in die Position. Starten Sie die Aufzeichnung des Signals.
Starten Sie die Treibmittelversorgung. Zünden Sie den Schuber mit 90 AmpereSpulenstrom und 240 Ampere-Entladungsstrom. Erhöhen Sie den Spulenstrom auf 90 Ampere.
Anschließend erhöhen Sie den Entladungsstrom auf 800 Ampere. Erhöhen Sie dann den Spulenstrom auf 230 Ampere. Schalten Sie den Schubausstoß aus, wenn die Leistung des Schubständers stabil wird.
Stoppen Sie die Treibstoffversorgung. Beenden Sie die Neucodierung. Repräsentative Ergebnisse.
In den Experimenten steuern wir den Entladungsstrom, die Treibgasmassendurchflussrate und das angelegte Magnetfeld. Dann messen wir den Wert von Entladungsspannung und Schub, auf deren Grundlage wir andere Leistungsparameter wie Leistung, spezifische Impuls- und Schubeffizienz erhalten können. In dieser Abbildung wird ein typisches Signal der Entladungsspannung dargestellt.
Nach dem Einschalten der Stromquelle wird eine Hohe spannung am Schubmotor verwendet, um das neutrale Treibmittel abzubauen. Nach der Zündung zeigt sich die Spannung auf einen konstanten Wert und bleibt im Grunde konstant. Dann können wir sagen, dass die Zündung erfolgreich ist.
In dieser Abbildung wird ein typisches Schubmessergebnis dargestellt. Wir beginnen, das Signal des Schubsständers vor dem Treibmittel zu erfassen, das als Nullschubpunkt behandelt wird. Nach der Versorgung des Treibmittels wird es einen leichten Schub geben.
Nach der Zündung wird es eine große Schwingung geben. Dann neigt der Schub zu einem stetigen Wert. Aufgrund der thermischen Verformung des Ziels, deren Wert 50 Millinewton beträgt, wird es eine Nulldrift geben.
Der durch die Drift verursachte Fehler beträgt nicht mehr als 1%Die Abbildung zeigt die Entladeeigenschaften während der halbstündigen Weiterarbeit. Wir konfundisieren, dass der Schubschnellzustand nach der Zündung schnell stabilisiert wird, und die Spannung ist während dieser Zeit sehr stabil. Diese Abbildung zeigt die Erscheinungsveränderungen der Tantal-Wolfram-Hohlkathode vor und nach Experimenten.
Die gesamte Versuchszeit beträgt mehr als 10 Stunden. Auf der Außenfläche der Kathode finden wir eine leichte Erosion, die sich gleichmäßig verteilt, was bedeutet, dass der Schubstrahler das Potenzial hat, viel länger als 10 Stunden zu arbeiten. Nach dem Weiterarbeitstest haben wir die Leistung des Schubtriebwerks im Leistungsbereich von 50 bis 100 Kilowatt untersucht.
Die beste Leistung wird mit 99,5 Kilowatt erzielt, während der Schub 3, 052 Millinewton beträgt. Spezifischer Impuls ist 4, 359 Sekunden, und Schubeffizienz ist 67%Es ist bemerkenswert, dass, wenn der Schub die beste Leistung erreicht, der Hintergrunddruck 0,2 Pascal ist. Die gemessene Leistung kann aufgrund des Hohen Drucks höher als der tatsächliche Wert sein.
Der Tester besteht aus Tantal-Wolfram und zeigt die Operationsbeständigkeit. Die Gasleistung beträgt 100 Kilowatt mit einem Schub von 3.050 Millinewton, dem spezifischen Impuls von 4, 300 Sekunden und dem Wirkungsgrad von 67%
Sehen Sie sich das vollständige Transkript an und erhalten Sie Zugang zu Tausenden wissenschaftlicher Videos
Übersicht
In diesem Artikel wird die Konstruktion eines 100-Kilowatt-Applied-Field-Magnetoplasmadynamic-(MPD)-Antriebs und die dazugehörigen experimentellen Methoden vorgestellt. MPD-Antriebe zeichnen sich durch ihren hohen spezifischen Impuls und ihre hohe Leistungsdichte aus und eignen sich daher für zukünftige Raumfahrtmissionen mit hohem Energiebedarf.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Luft- und Raumfahrttechnik
- Antriebssysteme
- Elektrischer Antrieb
Hintergrund
- Magnetoplasmadynamische Triebwerke sind elektrische Beschleuniger.
- Sie zeichnen sich durch ihre Effizienz im Bereich der Raumfahrtantriebe aus.
- Ein hoher spezifischer Impuls ist entscheidend für Langzeitmissionen.
- Die Entwicklung effektiver Triebwerke ist wesentlich, um die Erforschung des Weltraums voranzutreiben.
Zweck der Studie
- Eine Konstruktion für einen MPD-Triebwerk der 100-Kilowatt-Klasse vorzustellen.
- Die für die Prüfung des Triebwerks erforderlichen experimentellen Systeme darzulegen.
- Die Betriebsschritte zur Durchführung der Experimente zu beschreiben.
Verwendete Methoden
- Konstruktion der Triebwerkskomponenten, einschließlich Anode, Kathode und Isolator.
- Einrichtung experimenteller Systeme zur Prüfung des Triebwerks.
- Durchführung von Experimenten zur Bewertung der Triebwerksleistung.
- Analyse der Ergebnisse zur Optimierung von Konstruktion und Betrieb.
Hauptergebnisse
- Die Konstruktion des Triebwerks wurde erfolgreich entwickelt.
- Experimentelle Aufbauten wurden eingerichtet, um das Triebwerk zu testen.
- Erste Tests zeigten das Potenzial des Triebwerks für einen hohen Wirkungsgrad.
- Die Ergebnisse deuten auf vielversprechende Anwendungen für zukünftige Weltraummissionen hin.
Schlussfolgerungen
- Der MPD-Triebwerk der 100-Kilowatt-Klasse zeigt erhebliches Potenzial.
- Weitere Experimente werden das Verständnis und die Leistung verbessern.
- Diese Forschung leistet einen Beitrag zu Fortschritten in der Technologie der elektrischen Antriebe.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Dieses Protokoll beschreibt detailliert die Konstruktion und Prüfung eines Magnetoplasmadynamischen Antriebs mit angelegtem Feld (applied-field magnetoplasmadynamic thruster) im 100-kW-Bereich, einem elektrischen Hochleistungsantriebssystem mit Potenzial für Langzeit-Raummissionen. Die Arbeit unterstützt die frühe Validierung von Antriebskonzepten, die zukünftige Tiefraumexploration durch hohe spezifische Impulse und Schubdichte ermöglichen könnten. Solche Systeme sind für die Forschungs- und Entwicklungsabläufe in der Luft- und Raumfahrt relevant, die auf die Weiterentwicklung elektrischer Antriebstechnologien für missionserhebliche Anwendungen ausgerichtet sind.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung der Energieumwandlungseffizienz in Plasma-Beschleunigungssystemen unter kontrollierten Vakuum- und Leistungsbedingungen.
- Operationaler Wert: Bietet eine reproduzierbare Versuchsanlage zur Bewertung der Triebwerksleistung über verschiedene Entladestromstärken, Treibstoffströme und magnetische Feldstärken hinweg.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die standardisierte Messung von Schub, Entladungsspannung und spezifischem Impuls als quantitative Größen zur Leistungsbeurteilung.
- Operativer Wert: Unterstützt eine assayähnliche Bereitschaft durch einen kalibrierten Schubstand und ein Vakuumumfeld für konsistente experimentelle Bedingungen.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Zeigt eine betriebliche Stabilität über längere Betriebszeiten (>10 Stunden) mit minimaler Kathodenerosion, was auf eine ausreichende Haltbarkeit für missionsrelevante Betriebszyklen hinweist.
- Operationaler Wert: Ermöglicht eine risikoadjustierte Bewertung der Einsatzbereitschaft des Triebwerks für die Integration in Raumfahrzeug-Antriebssysteme durch Leistungskartierung im Leistungsbereich von 50–100 kW.
Pipeline- und Workflow-Integration
Diese Arbeit verortet das Treibwerksdesign und den Testprotokollansatz innerhalb der kontinuierlichen Entwicklung elektrischer Antriebssysteme – von der frühen Entdeckung bis zur präklinischen Validierung – und unterstützt damit die Überprüfung von Hypothesen, die Leistungsabschätzung sowie die Minderung translationsrelevanter Risiken.
- Entdeckungsbasierte Biologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung zu Plasmabeschleunigungsmechanismen, indem Variablen wie Entladestrom und angelegtes Magnetfeld isoliert werden.
- Screening: Ermöglicht die Bereitschaft für Tests durch standardisierte Schubmessung und Vakuumbedingungen zur reproduzierbaren Leistungsbewertung.
- Analytik: Liefert quantitative Messgrößen wie Schub (3.052 mN), spezifischen Impuls (4.359 s) und Effizienz (67 %), um verschiedene Betriebsbedingungen zu vergleichen.
- Translationale Forschung: Verbindet frühe Tests mit der präklinischen Weiterentwicklung, indem kontinuierlicher Betrieb und Leistungsstabilität unter bedeutsamen Missionsprofilen nachgewiesen werden.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft einen wiederverwendbaren experimentellen Rahmen zur Bewertung leistungsstarker elektrischer Triebwerke über verschiedene Designvarianten und Treibstofftypen hinweg.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Vorhersagegenauigkeit der Triebwerksleistung durch Messung des stationären Schubs und der Spannungsstabilität nach der Zündung.
- Operativer Wert: Standardisierung durch wassergekühlte Komponenten, Vakuumtauglichkeit und kalibrierten Schubprüfstand für wiederholbare Tests.
- Strategischer Wert: Unterstützt Go/No-Go-Entscheidungen zur Hochskalierung von Triebwerken, indem Leistungsschwellen bei einem Betrieb von 99,5 kW definiert werden.
- Portfoliowirkung: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung von Konzepten der elektrischen Schubantriebe basierend auf nachgewiesener Effizienz und Erosionsbeständigkeit.
Durchführungsüberlegungen
- Notwendige Fachkenntnisse in Hochspannungssystemen, Vakuumtechnik und Plasmadiagnostik.
- Zu den messtechnischen Anforderungen gehören Vakuumkammern (Erreichung von 0,01 Pa), Stromversorgungen (bis zu 1.000 A Entladestrom, 240 A Spulenstrom) und Schubmesseinrichtungen.
- Die Standardisierung zwischen verschiedenen Teams erfordert eine Abstimmung der Teams für Antrieb, thermisches Management und Diagnostik zur integrierten Prüfung.
- Anpassungsüberlegungen umfassen die Modifizierung von Treibstoffkanälen, der Geometrie der Magnetspulen sowie der Kühlmassenströme für unterschiedliche Treibstoffe oder Leistungsstufen.
- Praktische Einschränkungen beinhalten den Einfluss des Umgebungsdrucks auf die Schubmessung und thermische Drift in Sensoren für die Zielposition (bis zu 50 mN Nullpunktsdrift).
