Article de méthode

Un 100 KW classe champ appliqué Magnetoplasmadynamic Thruster

DOI :

10.3791/58510

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22 décembre 2018

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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

Dans cet article

Résumé

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

Ce protocole vise à introduire la conception d’un 100 magnetoplasmadynamic thruster de kW classe champ appliqué et méthodes expérimentales pertinentes.

Résumé

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

Applied-field magnetoplasmadynamic propulseurs (propulseurs MPD-AF) sont des accélérateurs de l’hybride dans lequel électromagnétique et processus de dynamique de gaz accélèrent plasma à haute vitesse ; ils possèdent un potentiel considérable pour des applications spatiales futures avec des avantages importants de haute impulsion spécifique et la densité de poussée. Dans cet article, nous présentons une série de protocoles pour concevoir et fabriquer une classe de 100 kW de propulseur AF-MPD avec refroidissement par eau des structures, une tension de décharge maximale 130 V, un 800 une décharge maximale actuelle et une force maximale de 0,25 T de champ magnétique. Une cathode de tungstène de tantale creux sert l’entrée seulement propergol pour inhiber la décharge radiale, et il est positionné selon l’axe à l’arrière de l’anode afin de soulager la famine de l’anode. Une anode de cuivre cylindrique divergente est employée pour réduire les dépôts de puissance anode, où la longueur a été réduite pour diminuer la zone de raccordement mural-plasma. Expériences utilisé un vide qui peut atteindre une pression de travail de 0,01 Pa pour un débit total de masse propulsif taux inférieur à 40 mg/s et une cible butée stand. Les tests de propulseur ont été réalisées pour mesurer les effets des paramètres du travail tels que les débits de propergol, le courant de décharge et la force du champ magnétique appliqué sur la performance et de permettre une analyse appropriée. Le propulseur peut fonctionner en continu pendant de longues périodes de temps avec peu d’érosion sur la surface de la cathode creuse. La puissance maximale de l’hélice est de 100 kW et la performance de cette configuration refroidi à l’eau est comparable à celle de propulseurs rapportées dans la littérature.

Introduction

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Propulseurs MPD sont bien connus pour une densité relativement élevée de poussée et une forte impulsion spécifique1,2,3. Cependant, l’efficacité de poussée typique1 de propulseurs MPD est relativement faible, surtout avec les propulseurs des gaz nobles4,5,6. Pour la plupart des propulseurs MPD, une partie du débit carburant est injectée dans la chambre de décharge d’une fente entre l’anode et la cathode7,8 , de sorte qu’une composante radiale est une part importante de la décharge totale. Cependant, afin de générer la poussée, les effets cinétiques radiales doivent être convertis en mouvement cinétique axial avec une buse de physique ou d’une tuyère magnétique. Par conséquent, un élément clé de l’hélice de MPD de conception nouvelle est que tous les ergols est fourni par le biais de la cathode, qui peut agir pour empêcher le refoulement radial ; de cette façon, la proportion d’énergie axial peut être augmentée. Il y a un effet additionnel que le paramètre de Hall dans le plasma autour de l’anode peut être augmenté par la diminution de la densité autour de l’anode, ce qui peut renforcer la composante d’accélération Hall9. Puisque le propulseur est proche de la surface intérieure de la cathode où des quantités importantes d’électrons initiaux sont émises dans ce mode d’injection, le taux d’ionisation propergol peut être augmenté considérablement. En outre, la longueur de l’anode a été réduit au minimum pour réduire la zone de raccordement mural-plasma et réduire anode puissance dépôts10,11. Comme une anode divergente est appliquée, ce va diminuer l’angle entre l’anode et les lignes de champ magnétique et réduire anode puissance dépôts autres12,13.

Malgré les avantages susmentionnés pour améliorer les performances, complète approvisionnement en carburant par injection de cathode peut augmenter le risque de mourir de faim d’anode qui peut se traduire par « apparition » phénomènes14. Pour empêcher ce comportement, nous avons retiré la cathode à la base de l’anode. Les électrons peuvent alors se diffuser suffisamment dans le sens radial avant de quitter à la sortie de l’anode, qui agira pour soulager la famine de l’anode. En outre, une cathode creuse multicanal est adoptée ; par rapport à la cathode creuse monocanal, une cathode creuse multicanal peut augmenter la surface d’émission électronique et faire la distribution du propergol plus uniforme. Avec cette modification, la durée de vie et la stabilité de l’hélice peuvent être accrue de15,16,17.

La puissance conçue de l’hélice est de 100 kW et une structure de refroidissement est nécessaire avec fonctionnement stabilisé. Les expériences de laboratoire présente une structure efficace de refroidissement par eau est employée. Toutefois, pour évaluer la performance de la conception de propulseur MPD, il est essentiel d’obtenir la poussée. Avec l’application d’un système d’eau à haute pression pour transférer la chaleur, il y aura de fortes vibrations lors de l’opération de refroidissement, qui peut créer une interférence significative si nous avons utilisé des mesures traditionnelles de poussée. En conséquence, un stand de cible de poussée sert à mesurer la poussée.

Propulseur MPD

Comme illustré à la Figure 1, le propulseur MPD se compose d’anode, cathode et l’isolant. L’anode est en cuivre avec une tuyère divergente cylindrique, le diamètre intérieur minimal qui est de 60 mm. Il y a un canal de refroidissement en forme de S autour de la paroi interne de l’anode. L’entrée et la sortie du canal sont sur le dessus de l’anode, qui sont séparées par une cloison. Un bloc de cuivre mince est employé pour se connecter à l’anode et le câble électrique. La jonction est sur la surface externe de l’anode.

La cathode est fabriquée en tungstène de tantale, 9 canaux de propergol. Le diamètre extérieur de la cathode est 16 mm. Le refroidissement de la cathode est réalisé avec un support de refroidissement par eau autour de la base de la cathode. Il y a un canal en forme d’anneau à l’intérieur de la porte. L’eau froide est injectée dans la porte du fond et s’écoule par le haut. Il y a un connecteur de cathode creuse sur le côté gauche de la cathode. Le carburant traverse le centre du connecteur et dans la chambre de la cathode creuse ; Il y a une grande cavité à l’intérieur de la base de cathode reliant 9 canaux cylindrique étroit. La cavité agit comme un tampon pour augmenter l’uniformité de la distribution de propergol dans neuf canaux. La cathode est reliée au câble électrique avec un bloc de cuivre annulaire, qui est installé autour du connecteur de la cathode.

Outre le corps principal de l’hélice, une bobine magnétique externe est également nécessaire pour générer des champs pour les mécanismes dans le propulseur MPD-AF ; champs magnétiques fournissent un champ magnétique convergente-divergente pour accélérer le plasma ainsi que le champ électrique. La bobine de champ se compose de 288 tours de tuyaux en cuivre circulaire, qui agissent comme le passage pour les deux eau actuel et refroidissement électrique. Le diamètre intérieur de la bobine est 150 mm, tandis que le diamètre extérieur est de 500 mm. La plus haute résistance de champ au centre est de 0,25 T avec courant de 230 A.

Système d’expérience

Le système d’expérience comprend six sous-systèmes. Le schéma de la disposition générale du système expérimental est illustré à la Figure 2; la disposition de l’hélice à l’intérieur de la chambre à vide est illustrée à la Figure 3.

Tout d’abord, le système d’aspiration, qui fournit l’environnement sous vide nécessaire pour le fonctionnement de l’hélice d’étrave, se compose d’une chambre à vide, deux pompes mécaniques, une pompe moléculaire et quatre pompes cryogéniques. Le diamètre de la chambre est de 3 m et la longueur est de 5 m. La pression de l’environnement peut être maintenue en vertu de 0,01 Pa lorsque le débit de gaz propulseur (argon) n’est pas plus de 40 mg/s.

Deuxièmement, ce système source fournit une impulsion de haute tension pour enflammer le propulseur, fournit la puissance pour le propulseur d’accélérer le plasma et fournit l’alimentation de la bobine de champ magnétique maintenir le champ magnétique externe. Le système de source d’alimentation se compose d’une source de courant d’allumage, un propulseur électrique, une source d’alimentation de bobine et câbles. La source de courant d’allumage peut fournir 8 kV ou tension de 15 kV de décharge. La source d’alimentation de propulseur fournit un courant continu jusqu'à 1000 A. La source d’alimentation de bobine fournit un courant continu jusqu'à 240 A.

Troisièmement, le système d’approvisionnement en carburant nourrit de propulseur de gaz pour les propulseurs. Le système comprend principalement la source de gaz, le contrôleur de débit massique et gaz d’alimentation pipelines.

Le sous-système de quatrième est le système de refroidissement par eau, qui fournit de l’eau à haute pression cool pour échanger la chaleur du propulseur, bobine magnétique et sources d’énergie. Comme illustré à la Figure 4, le système compose du groupe de pompes, réservoir d’eau, réfrigérateur, contrôleurs de pompes et des canalisations d’eau. Les tuyaux non conductrice à l’intérieur de la chambre à vide fournissent un terminal refroidissement de l’eau pour le propulseur et la bobine magnétique et assure l’isolation électrique entre l’anode et la cathode au sol.

L’acquisition et le système de contrôle peuvent d’enregistrer les signaux de mesure les conditions de fonctionnement de propulseur et contrôle fonctionnement des autres systèmes. Il est composé de trois ordinateurs correspondants logiciels, carte d’acquisition de données et câbles.

Comme illustré à la Figure 5, le stand de la cible de poussée se compose de cible plaque, mince faisceau, capteur de déplacement, piétement, plate-forme mobile axial et radial plate-forme mobile. La cible peut intercepter le plasma qui pousse la cible. Le déplacement de la cible peut être mesuré par un capteur placé derrière la cible, de cette façon permettant l’évaluation de la poussée18.

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Protocole

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1. Préparation pour expérience

  1. Installer le propulseur.
    1. Essuyer les composants de la toile de withnon-poussière de propulseur, imbibée d’alcool anhydre, dans une salle blanche.
    2. Assembler l’anode avec l’isolant.
    3. Réunir le cathode, le titulaire de la cathode et le connecteur de la cathode.
    4. Ajouter une partie de la cathode à la partie de l’anode.
    5. Installez le connecteur intermédiaire dans l’assemblage et le fixer avec les vis (vis à tête cylindrique à six pans creux, M5 × 16).
    6. Établir le siège de la bobine sur la plate-forme d’expérimentation avec chariot élévateur.
    7. Placez la plateforme d’expérimentation sur le rail de guidage de la chambre à vide.
    8. Installer le propulseur sur la bobine.
    9. Lien vers l’anode et la cathode avec des câbles électriques correspondants.
    10. Lien vers la bobine magnétique avec la source d’alimentation de bobine.
    11. Rejoignez les tuyaux de refroidissement par eau et le tuyau d’approvisionnement en carburant avec le propulseur.
    12. Rejoindre les tuyaux de refroidissement par eau avec la bobine.
    13. Installer la plateforme mobile à l’intérieur de la chambre et le fixer que le corps principal de poussée se tenir dessus.
    14. Régler la position de la plate-forme mobile radiale pour faire les lignes de commande de l’hélice et la cible coïncident avec l’autre.
  2. Calibrer le stand de poussée.
    1. Charger un poids différent (10 g, 50 g, 100 g, 200 g), un par un, sur le dispositif d’étalonnage et le dossier correspondants sortie du stand poussée.
    2. Décharger les poids un par un.
    3. Répétez l’opération trois fois au moins.
    4. Calculer le coefficient élastique du stand poussée selon les données de calibration.
  3. Évacuer la chambre à vide.
    1. Fermer la porte de la chambre.
    2. Démarrer les pompes mécaniques.
    3. Démarrer les pompes moléculaires lorsque la pression de fond dans la chambre est inférieure à 5 pa.
    4. Démarrer les pompes cryogéniques, quand la pression de fond dans la chambre est inférieure à 0,05 pa.
    5. Attendre que la pression atteindre 1 x 10-4 pa.

2. allumage et expérience de mesure de poussée

  1. Préchauffer le propulseur si elle a été exposée à l’air.
    1. Démarrer l’enregistrement du signal.
    2. Définir le débit massique de propergol à 40 mg/s et la fourniture de conserver pendant au moins 20 minutes
    3. Allumez l’alimentation en eau refroidissement.
    4. Définissez la fréquence de travail de refroidissement des pompes à eau à 10 Hz.
    5. Déplacer le meuble de poussée à la position éloignée du propulseur.
    6. Allumez la source d’alimentation de bobine avec le courant de la bobine de 90 A.
    7. Allumez la source de puissance d’étrave avec le courant de décharge de 240 A.
    8. Allumez la source de courant d’allumage.
    9. Gardez le propulseur fonctionne pendant au moins 5 minutes.
    10. Couper la source d’alimentation de propulseur et l’approvisionnement en carburant.
    11. Arrêter l’enregistrement.
  2. Mesure de la poussée
    1. Déplacer la barre de poussée vers la position 550 mm du propulseur.
    2. Démarrer l’enregistrement du signal.
    3. Commencer l’approvisionnement en carburant.
    4. Enflammer le propulseur avec 90 bobine A actuel et 240 une décharge actuelle.
    5. Augmenter la spirale actuelle à 150 A.
    6. Augmentation de la décharge actuelle à 800 A.
    7. Augmenter la bobine en courante à 230 A.
    8. Éteignez le propulseur lors de la sortie du stand de la poussée devient stable.
    9. Arrêter l’approvisionnement en carburant.
    10. Arrêter l’enregistrement.

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Résultats

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Dans l’expérience, nous contrôlons le courant de décharge (Id), masse propulsive flux rate(m) et appliqué champ magnétique (Ba). En fonctionnement, on mesure la valeur de tension de décharge (Vd) et (T) de poussée, de quelle base nous pouvons obtenir d’autres performances paramètres comme puissance (P), impulsion spécifique (Isp) et efficacité (η)1de poussée.

Un signal typique de tension de décharge est i...

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Discussion

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Ce protocole décrit les processus d’allumage, fonctionnement et mesure de la poussée d’un propulseur MPD champ de 100 kW classe appliqué. Le point clé dans la conception d’un propulseur MPD pour une performance optimale est de choisir la bonne configuration selon l’objectif spécifique. Propulseurs MPD avec anode convergente-divergente peuvent fonctionner stationnaire dans une plage de la grande opération. Cependant, la performance peut être plus bas que le propulseur avec anode divergente. La cathode creuse, en particuli...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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

Ce travail a été soutenu par le programme de recherche fondamentale (No. JCKY2017601C). Nous vous remercions de l’aide de Thomas M. York, professeur émérite à l’Université Ohio State.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Pompes cryogéniquesBrooks AutomationVitesse de pompage : 10000L/s
Capteur de déplacementPanasonicHG-C1030Précision de répétition : 10&mu ; m
Linéarité : ± ; 0,1 % F.S.
Régulateur de débit massiqueBrooks AutomationGamme : 0-120mg / s
Pompe moléculaireOerlikonVitesse de pompage : 2100L / s
Forme d’usine mobileBeijing Weina Guangke Automation equipment Co., Ltd.Gamme : 0-2000mm
Conduites d’eau plsatiquesXingye Xingye fluoroplastiques (Jiaxing) Co., Ltd.Pression finale : 4.5MPa
Propergol ArgonBeijing Huanyu Hinghui Gas Technology Co., Ltd.Purité : 99.999 %
RéfrigérateurBeijing Jiuzhou Tongcheng Technology Co., Ltd.Puissance de réfrigération : 45kW
Pompes à eauLiaocheng vanguard Motor Co., Ltd. ;
Groupe industriel des pompes de personnes de Shanghai Manufacturing Co., Ltd. ;
Nanfang Pump Limited company		Pression de sortie maximale :
Pompe centrifuge :1MPa
Pompe à piston :10MPa

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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Mots-clés

Conception de propulseur MPDSyst me de refroidissement eauCathode creuseAnode cylindriqueChambre videBobine magn tiqueMesure de la pouss eD bit d ergolCourant de d charge

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