Un 100 KW clase campo aplicado Magnetoplasmadynamic hélice de proa
22 de diciembre de 2018
El objetivo de este protocolo es introducir el diseño de 100 kW clase campo aplicado magnetoplasmadynamic hélice de proa y métodos experimentales.
El objetivo de este protocolo es introducir el diseño de un propulsor magnetoplasmadinámico de campo aplicado de 100 kilovatios y el método experimentado relativo. El propulsor magnetoplasmadinámico, es decir, el propulsor MPD, es un acelerador eléctrico típico. Es bien conocido por su alto impulso específico y una alta densidad de propulsores, y es tratado como candidatos principales para nuestra propulsión principal en nuestras futuras misiones espaciales de alta potencia.
En este artículo, presentaremos un diseño de un propulsor MPD de campo aplicado de clase de 100 kilovatios, los sistemas de experimento necesarios para celebrar un experimento de propulsor relativo y los pasos de operación para terminar este experimento. Diseño de propulsor. El propulsor consiste principalmente en ánodo, cátodo y aislante.
El ánodo está hecho de cobre con una boquilla divergente de cilindro, cuyo diámetro interior mínimo es de 60 milímetros. El cátodo está construido de tungsteno de tantalio con nueve canales propulsores, cuyo diámetro exterior es de 16 milímetros. Hay un conector de cátodo hueco en el lado izquierdo.
El propulsor fluye a través de la central del conector y llega al cátodo hueco. Hay una gran cavidad dentro de la base del cátodo que se conecta con nueve canales cilíndricos. La cavidad actúa como un amortiguador para aumentar la uniformidad de la distribución del propulsor en nueve canales.
El cátodo está conectado al cable eléctrico con un bloque de cobre anular, que se instala alrededor del conector catódo. Además del cuerpo principal del propulsor, la bobina magnética externa también es necesaria para el funcionamiento del propulsor MPD. La bobina consta de 288 vueltas de círculo de tuberías de cobre que actúan como el paso para la corriente eléctrica y el agua de refrigeración.
El diámetro interior de la bobina es de 150 milímetros, mientras que el diámetro exterior es de 500 milímetros. La intensidad de campo más alta en el centro es 0.25 telsa. Sistema de experimentos.
El sistema de experimentos proporciona las condiciones necesarias para el experimento, que incluye principalmente seis subsistemas. En primer lugar, el sistema de vacío proporciona el entorno de vacío necesario para el propulsor. Y el diámetro de la cámara es de tres metros, mientras que la longitud es de dos metros.
La presión ambiental puede mantenerse bajo 0.01 pascal. En segundo lugar, el sistema de fuente de alimentación. El sistema de fuente de alimentación consta de fuente de alimentación de encendido, fuente de alimentación del propulsor, fuente de alimentación de bobina y cables.
La fuente de alimentación de encendido puede proporcionar ocho kilovolta o 15 kilovolta tensión de descarga. La fuente de alimentación del propulsor proporciona una corriente directa de hasta 1.000 amperios. La fuente de alimentación de la bobina proporciona una corriente directa de hasta 240 amperios.
El tercero es el sistema de suministro de propulsores, que alimenta el propulsor de gas para los propulsores. Este sistema incluye principalmente la fuente de gas, el controlador de caudal de masa y los gasoductos de suministro de gas. El cuarto es el sistema de refrigeración por agua, que proporciona agua de alta presión para intercambiar el calor adicional del propulsor, la bobina magnética y las fuentes de energía.
Luego es el sistema de adquisición y control, que puede registrar las señales de las condiciones de funcionamiento del propulsor y controlar otros sistemas. El último es el sistema de medición de empuje objetivo, que se puede utilizar para medir el empuje. El soporte de empuje objetivo consiste principalmente en el objetivo de la placa, haz delgado, sensor de desplazamiento, marco de soporte, plataforma móvil axial y plataforma móvil de radio.
El plasma puede ser interceptado por el objetivo, y el objetivo será empujado por el plasma. El desplazamiento del objetivo se puede medir por el sensor colocado detrás del objetivo. De esta manera, podemos evaluar el empuje.
Preparación para el experimento. Instale el propulsor. Limpie los componentes del propulsor con alcohol en una habitación limpia.
Montar el ánodo con el aislante. Reúna el cátodo, el soporte de cátodo y el conector de cátodo. Agregue la parte de cátodo a la parte del ánodo.
Instale el conector central en el ensamblaje y fíjelos con tornillos. Establezca el asiento de la bobina en la plataforma del experimento con carretilla elevadora. Coloque la plataforma del experimento en el carril guía de la cámara de vacío.
Instale el propulsor en la bobina. Enlace el ánodo y el cátodo con los cables eléctricos correspondientes. Vincule la bobina magnética con la fuente de alimentación de la bobina.
Une las tuberías de refrigeración de agua y el tubo de suministro de propulsor con el propulsor. Une las tuberías de refrigeración de agua con la bobina. Instale la plataforma móvil dentro de la cámara y fije el cuerpo principal del soporte de empuje en ella.
Ajuste la posición de la plataforma móvil para hacer que la línea central del propulsor y el objetivo se alinee entre sí. Luego colaboramos el soporte de empuje. En primer lugar, cargue diferentes pesos en el dispositivo de colaboración y registre la salida correspondiente del soporte de empuje.
Repita el proceso al menos tres veces. A continuación, podemos calcular el coeficiente elástico del soporte de empuje de acuerdo con los datos de calibración. Vacíe la cámara de vacío.
Cierre la puerta de la cámara. Encienda las bombas mecánicas. Encienda las bombas moleculares cuando la presión de fondo en la cámara sea inferior a cinco pascales.
Encienda las bombas criogénicas cuando la presión de fondo en la cámara sea inferior a 0,05 pascal. Espere a que la presión llegue a 10 a la potencia de menos cuatro pascal. Experimento de medición de ignición y empuje.
Necesitamos precalentar el propulsor si el propulsor ha estado expuesto al aire. Comience a grabar la señal. Establezca el caudal de masa del propulsor en 40 miligramos y siga suministrando durante al menos 20 minutos.
Encienda el suministro de agua de refrigeración. Ajuste la frecuencia de trabajo de las bombas de refrigeración de agua de ánodo y cátodo en 10 hercios. Mueva el soporte de empuje a la posición lejos del propulsor.
Encienda la fuente de alimentación de la bobina con la corriente de bobina de 90 amperios. Encienda la fuente de alimentación del propulsor con la corriente de descarga de 240 amperios. Encienda la fuente de alimentación de encendido.
Mantenga el propulsor trabajando durante al menos cinco minutos. Apague la fuente de alimentación del propulsor y el suministro de propulsores. Detenga la recodificación.
Después del precalentamiento, podemos realizar la medición de empuje. Mueva el soporte de empuje a la posición 550 milímetros desde el propulsor. Comience a grabar la señal.
Arranque el suministro de propulsores. Encienda el propulsor con corriente de bobina de 90 amperios y corriente de descarga de 240 amperios. Aumente la corriente de la bobina a 90 amperios.
Posteriormente, aumente la corriente de descarga a 800 amperios. A continuación, aumente la corriente de la bobina a 230 amperios. Apague el propulsor cuando la salida del soporte de empuje se vuelva estable.
Detenga el suministro de propulsores. Detenga la recodificación. Resultados representativos.
En los experimentos, controlamos la corriente de descarga, el caudal de masa propulsora y el campo magnético aplicado. A continuación, medimos el valor de la tensión de descarga y el empuje en función del cual podemos obtener otros parámetros de rendimiento como potencia, impulso específico y eficiencia de empuje. En esta figura se muestra una señal típica de voltaje de descarga.
Después de encender la fuente de alimentación, se empleará un alto voltaje en el propulsor para descomponer el propulsor neutro. Después de la ignición, las tendencias de voltaje a un valor constante y básicamente se mantiene constante. Entonces podemos decir que la ignición es exitosa.
En esta figura se muestra un resultado típico de la medición de empuje. Comenzamos a registrar la señal del soporte del propulsor antes del suministro de propulsor, que se trata como un punto de empuje cero. Habrá un ligero empuje después de suministrar el propulsor.
Después de la ignición, habrá una gran oscilación. Entonces el empuje tiende a un valor constante. Habrá una deriva cero debido a la deformación térmica del objetivo, cuyo valor es de 50 mililitros.
El error causado por la deriva no es más del 1%La cifra muestra las características de descarga durante la media hora de trabajo continuar. Confundamos que el propulsor se ve a estado estable rápidamente después de la ignición, y el voltaje es muy estable durante este período. Esta figura muestra los cambios de apariencia del cátodo hueco de tungsteno de tantalio antes y después de los experimentos.
El tiempo total del experimento es de más de 10 horas. Podemos encontrar una ligera erosión que se distribuye uniformemente en la superficie exterior del cátodo, lo que significa que el propulsor tiene el potencial de trabajar durante un tiempo mucho más largo que 10 horas. Después de la prueba de continuación del trabajo, exploramos el rendimiento del propulsor en el rango de potencia de 50 a 100 kilovatios.
El mejor rendimiento se obtiene a 99,5 kilovatios mientras que el empuje es de 3.052 milevonuevos. El impulso específico es de 4, 359 segundos, y la eficiencia de empuje es 67%Es digno de mención que cuando el propulsor alcanza el mejor rendimiento, la presión de fondo es 0.2 pascal. El rendimiento medido puede ser superior al valor real debido a la influencia de la alta presión.
El probador está hecho de tungsteno de tantalio y muestra la resistencia a la operación. La potencia de gas es de 100 kilovatios con un empuje de 3.050 minticonton, el impulso específico de 4.300 segundos y la eficiencia del 67%
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Descripción general
Este artículo presenta el diseño de un propulsor magnetoplasmadinámico (MPD) de campo aplicado de clase 100 kilovatios y los métodos experimentales correspondientes. Los propulsores MPD son reconocidos por su alto impulso específico y densidad, lo que los hace adecuados para futuras misiones espaciales de alta potencia.
Componentes Clave del Estudio
Área de la Ciencia
- Ingeniería Aeroespacial
- Sistemas de Propulsión
- Propulsión Eléctrica
Antecedentes
- Los propulsores magnetoplasmadinámicos son aceleradores eléctricos.
- Se conocen por su eficiencia en la propulsión espacial.
- Un alto impulso específico es crucial para misiones de larga duración.
- Diseñar propulsores eficaces es esencial para avanzar en la exploración espacial.
Objetivo del estudio
- Presentar un diseño para un propulsor MPD de clase 100 kilovatios.
- Describir los sistemas experimentales necesarios para probar el propulsor.
- Explicar los pasos operativos para realizar los experimentos.
Métodos Utilizados
- Diseñar los componentes del propulsor, incluyendo ánodo, cátodo y aislante.
- Configurar sistemas experimentales para probar el propulsor.
- Realizar experimentos para evaluar el rendimiento del propulsor.
- Analizar los resultados para perfeccionar el diseño y la operación.
Resultados principales
- El diseño del propulsor se desarrolló con éxito.
- Se establecieron montajes experimentales para probar el propulsor.
- Las pruebas iniciales demostraron el potencial del propulsor para lograr una alta eficiencia.
- Los resultados indican aplicaciones prometedoras para misiones espaciales futuras.
Conclusiones
- El propulsor MPD de clase de 100 kilovatios muestra una promesa significativa.
- Experimentos adicionales mejorarán la comprensión y el rendimiento.
- Esta investigación contribuye a los avances en la tecnología de propulsión eléctrica.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este protocolo detalla el diseño y ensayo de un propulsor magnetoplasmadinámico con campo aplicado de clase 100 kW, un sistema de propulsión eléctrica de alta potencia con potencial para misiones espaciales de larga duración. El trabajo apoya la validación en etapas iniciales de conceptos de propulsión que podrían posibilitar futuras exploraciones del espacio profundo al ofrecer alto impulso específico y densidad de empuje. Dichos sistemas son relevantes para los procesos de I+D aeroespaciales centrados en avanzar las tecnologías de propulsión eléctrica para aplicaciones críticas en misiones.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biofármacos
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar la eficiencia de conversión de energía en sistemas de aceleración de plasma bajo condiciones controladas de vacío y potencia.
- Valor operativo: Proporciona una plataforma reproducible para evaluar el rendimiento del propulsor en función de la corriente de descarga, el flujo de propelente y la intensidad del campo magnético.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Valor científico: Facilita la medición estandarizada del empuje, el voltaje de descarga y el impulso específico como salidas cuantitativas para la evaluación del rendimiento.
- Valor operativo: Permite una preparación similar a un ensayo mediante un soporte de empuje calibrado y un entorno al vacío que garantizan condiciones experimentales consistentes.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Valor científico: Demuestra estabilidad operacional durante períodos prolongados de funcionamiento (>10 horas) con mínima erosión del cátodo, lo que indica durabilidad para ciclos de trabajo relevantes en misiones.
- Valor operacional: Permite la evaluación ajustada al riesgo de la preparación del propulsor para su integración en sistemas de propulsión de naves espaciales mediante el mapeo del rendimiento en un rango de potencia de 50–100 kW.
Integración de la Canalización y Flujo de Trabajo
Este trabajo sitúa el diseño del propulsor y el protocolo de prueba dentro del continuo que va desde el descubrimiento inicial hasta la validación preclínica en el desarrollo de la propulsión eléctrica, apoyando la comprobación de hipótesis, la evaluación de rendimiento y la reducción de riesgos traslacionales.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre mecanismos de aceleración en plasma mediante el aislamiento de variables como la corriente de descarga y el campo magnético aplicado.
- Selección: Permite la preparación del ensayo mediante mediciones estandarizadas del empuje y condiciones de vacío para una evaluación de rendimiento reproducible.
- Análisis: Proporciona resultados cuantitativos que incluyen empuje (3.052 mN), impulso específico (4.359 s) y eficiencia (67 %) para comparar condiciones operativas.
- Investigación Traductora: Conecta las pruebas iniciales con el avance preclínico al demostrar operación continua y estabilidad de rendimiento relevantes para perfiles de misión.
- Reutilización Empresarial: Establece un marco experimental reutilizable para evaluar propulsores eléctricos de alta potencia a través de iteraciones de diseño y tipos de propelente.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en el rendimiento del propulsor mediante la medición del empuje en estado estacionario y la estabilidad del voltaje tras la ignición.
- Valor operacional: Normalización mediante componentes refrigerados por agua, compatibilidad con vacío y una plataforma de medición de empuje calibrada para pruebas repetibles.
- Valor estratégico: Orienta las decisiones de continuar o descartar el escalado del propulsor al definir umbrales de rendimiento en operación a 99,5 kW.
- Impacto en el portafolio: Permite la priorización ajustada al riesgo de conceptos de propulsión eléctrica en función de la eficiencia demostrada y la resistencia a la erosión.
Consideraciones de Implementación
- Conocimientos especializados necesarios en sistemas de alta tensión, tecnología de vacío y diagnóstico de plasmas.
- Los equipos necesarios incluyen cámaras de vacío (que alcancen 0,01 Pa), fuentes de alimentación (descarga de hasta 1.000 A, bobina de 240 A) y sistemas de medición de empuje.
- La estandarización entre equipos requiere coordinación entre los grupos de propulsión, gestión térmica y diagnóstico para realizar pruebas integradas.
- Las consideraciones de adaptación incluyen la modificación de los canales de propelente, la geometría de las bobinas magnéticas y los caudales de refrigeración para diferentes propelentes o niveles de potencia.
- Las limitaciones prácticas incluyen la influencia de la presión residual sobre la medición de empuje y la deriva térmica en los sensores de desplazamiento del blanco (hasta 50 mN de deriva en el cero).
