Un 100 KW classe champ appliqué Magnetoplasmadynamic Thruster
22 décembre 2018
Ce protocole vise à introduire la conception d’un 100 magnetoplasmadynamic thruster de kW classe champ appliqué et méthodes expérimentales pertinentes.
L’objectif de ce protocole est d’introduire la conception d’un propulseur magnétoplasmadynamic à champ appliqué de classe 100 kilowatts et la méthode expérimentée relative. Le propulseur magnétoplasmadynamic, c’est-à-dire le propulseur MPD, est un accélérateur électrique typique. Il est bien connu pour une impulsion spécifique élevée et une densité de propulseur élevé, et est traité comme des candidats primaires pour notre propulsion principale dans nos futures missions spatiales de haute puissance.
Dans cet article, nous présenterons la conception d’un propulseur MPD à champ appliqué de classe 100 kilowatts, les systèmes d’expérience nécessaires pour tenir une expérience de propulseur relatif et les étapes de fonctionnement pour terminer cette expérience. Conception de propulseur. Le propulseur se compose principalement d’anode, cathode et isolant.
L’anode est faite de cuivre avec une buse divergente cylindre, dont le diamètre intérieur minimum est de 60 millimètres. La cathode est construite en tungstène tantale avec neuf canaux propulsifs, dont le diamètre extérieur est de 16 millimètres. Il y a un connecteur cathodique creux sur le côté gauche.
Le propulseur traverse le centre du connecteur et atteint la cathode creuse. Il y a une grande cavité à l’intérieur de la base cathodique se connectant à neuf canaux cylindriques. La cavité agit comme tampon pour augmenter l’uniformité de la distribution du propulseur dans neuf canaux.
La cathode est reliée au câble électrique par un bloc de cuivre annulaire, qui est installé autour du connecteur cathodique. Outre le corps principal du propulseur, bobine magnétique externe est également nécessaire pour le fonctionnement du propulseur MPD. La bobine se compose de 288 tours cercle tuyaux de cuivre qui agissent comme le passage à la fois pour le courant électrique et l’eau de refroidissement.
Le diamètre intérieur de la bobine est de 150 millimètres, tandis que le diamètre extérieur est de 500 millimètres. La force de champ la plus élevée dans le centre est de 0,25 telsa. Système d’expérimentation.
Le système d’expérimentation fournit les conditions nécessaires à l’expérience, qui comprend principalement six sous-systèmes. Tout d’abord, le système de vide fournit l’environnement de vide nécessaire pour le propulseur. Et le diamètre de la chambre est de trois mètres, tandis que la longueur est de deux mètres.
La pression de l’environnement peut se maintenir en dessous de 0,01 pascal. Deuxièmement, le système de source d’énergie. Le système de source d’énergie se compose de source d’énergie d’allumage, de source d’énergie de propulseur, de source d’énergie de bobine et de câbles.
La source d’énergie d’allumage peut fournir une tension de décharge de huit kilovolts ou de 15 kilovolts. La source d’énergie du propulseur fournit un courant direct jusqu’à 1000 ampères. La source d’énergie de bobine fournit un courant direct jusqu’à 240 ampères.
Le troisième est le système d’alimentation propulsif, qui alimente le propulseur de gaz pour les propulseurs. Ce système comprend principalement la source de gaz, le contrôleur des débits de masse et les pipelines d’approvisionnement en gaz. Le quatrième est le système de refroidissement de l’eau, qui fournit de l’eau haute pression pour échanger la chaleur supplémentaire du propulseur, de la bobine magnétique et des sources d’énergie.
Ensuite, il y a le système d’acquisition et de contrôle, qui peut enregistrer les signaux des conditions de fonctionnement du propulseur et contrôler d’autres systèmes. Le dernier est le système de mesure de poussée cible, qui peut être utilisé pour mesurer la poussée. Le support de poussée cible se compose principalement de la cible de plaque, du faisceau mince, du capteur de déplacement, du cadre de soutien, de la plate-forme mobile axiale et de la plate-forme mobile radio.
Le plasma peut être intercepté par la cible, et la cible sera poussée par le plasma. Le déplacement de la cible peut être mesuré par le capteur placé derrière la cible. De cette façon, nous pouvons évaluer la poussée.
Préparation à l’expérience. Installez le propulseur. Essuyer les composants du propulseur avec de l’alcool dans une pièce propre.
Assembler l’anode avec l’isolateur. Rassemblez la cathode, le support cathodique et le connecteur cathodique. Ajouter la partie cathodique à la partie anode.
Installez le connecteur moyen dans l’assemblage et fixez-les avec des vis. Établissez le siège en bobine sur la plate-forme d’expérimentation avec chariot élévateur. Placez la plate-forme d’expérimentation sur le rail de guidant de la chambre à vide.
Installez le propulseur sur la bobine. Reliez l’anode et la cathode avec les câbles électriques correspondants. Reliez la bobine magnétique à la source d’énergie de bobine.
Joignez-vous aux tuyaux de refroidissement à l’eau et au tuyau d’alimentation propulsif avec propulseur. Joignez-vous aux tuyaux de refroidissement à l’eau avec la bobine. Installez la plate-forme mobile à l’intérieur de la chambre et fixez le support principal de poussée dessus.
Ajustez la position de la plate-forme mobile pour faire la ligne centrale du propulseur et la cible concéder les uns avec les autres. Ensuite, nous collaborons le stand de poussée. Tout d’abord, chargez différents poids sur le dispositif de collaboration et enregistrez la sortie correspondante du support de poussée.
Répétez le processus pendant au moins trois fois. Ensuite, nous pouvons calculer le coefficient élastique du support de poussée en fonction des données d’étalonnage. Passer l’aspirateur dans la chambre à vide.
Fermez la porte de la chambre. Démarrez les pompes mécaniques. Démarrez les pompes moléculaires lorsque la pression de fond dans la chambre est inférieure à cinq pascal.
Démarrez les pompes cryogéniques lorsque la pression de fond dans la chambre est inférieure à 0,05 pascal. Attendez que la pression atteigne 10 à la puissance de moins quatre pascal. Expérience de mesure de l’allumage et de la poussée.
Nous devons préchauffer le propulseur si le propulseur a été exposé à l’air. Commencez à enregistrer le signal. Réglez la vitesse d’écoulement de masse du propergol à 40 milligrammes et continuez à fournir pendant au moins 20 minutes.
Allumez l’alimentation en eau de refroidissement. Réglez la fréquence de travail des pompes de refroidissement à l’anode et à l’eau cathodique à 10 hertz. Déplacez le support de poussée vers la position loin du propulseur.
Allumez la source d’énergie de bobine avec le courant de bobine de 90 ampères. Allumez la source d’alimentation du propulseur avec le courant de décharge de 240 ampères. Allumez la source d’alimentation d’allumage.
Gardez le propulseur au travail pendant au moins cinq minutes. Éteignez la source d’alimentation du propulseur et l’alimentation propulsif. Arrêtez le recodage.
Après le préchauffement, nous pouvons effectuer la mesure de poussée. Déplacez le support de poussée vers la position à 550 millimètres du propulseur. Commencez à enregistrer le signal.
Démarrez l’alimentation du propulseur. Enflammer le propulseur avec un courant de bobine de 90 ampères et un courant de décharge de 240 ampères. Augmenter le courant de bobine à 90 ampères.
Par la suite, augmenter le courant de décharge à 800 ampères. Augmentez ensuite le courant de bobine à 230 ampères. Éteignez le propulseur lorsque la sortie du support de poussée devient stable.
Arrêtez l’alimentation du propulseur. Arrêtez le recodage. Résultats représentatifs.
Dans les expériences, nous contrôlons le courant de décharge, le débit de masse propulsif et le champ magnétique appliqué. Ensuite, nous mesurons la valeur de la tension de décharge et de la poussée en fonction de laquelle nous pouvons obtenir d’autres paramètres de performance comme la puissance, impulsion spécifique et l’efficacité de poussée. Un signal typique de tension de décharge est montré dans ce chiffre.
Après avoir mis la source d’énergie en place, une haute tension sera utilisée sur le propulseur pour briser le propulseur neutre. Après l’allumage, la tension se maintient à une valeur constante et reste essentiellement constante. Ensuite, nous pouvons dire que l’allumage est un succès.
Un résultat typique de mesure de poussée est montré dans ce chiffre. Nous commençons à enregistrer le signal du propulseur debout avant l’alimentation du propulseur, qui est traité comme un point de poussée zéro. Il y aura une légère poussée après avoir fourni le propulseur.
Après l’allumage, il y aura une grande oscillation. Ensuite, la poussée tend à une valeur constante. Il y aura une dérive nulle due à la déformation thermique de la cible, dont la valeur est de 50 millinewton.
L’erreur causée par la dérive n’est pas supérieure à 1 %Le chiffre montre les caractéristiques de décharge pendant la demi-heure de travail continue. Nous croyons que le propulseur se maintient rapidement après l’allumage, et la tension est très stable pendant cette période. Cette figure montre les changements d’apparence de cathode creuse de tungstène de tantale avant et après des expériences.
Le temps total d’expérience est supérieur à 10 heures. Nous pouvons trouver une légère érosion se distribuant uniformément sur la surface extérieure de la cathode, ce qui signifie que le propulseur a le potentiel de travailler pendant beaucoup plus de 10 heures. Après l’essai de travail continu, nous avons exploré les performances du propulseur dans la plage de puissance de 50 à 100 kilowatts.
La meilleure performance est obtenue à 99,5 kilowatts alors que la poussée est de 3052 millinewton. Impulsion spécifique est de 4, 359 secondes, et l’efficacité de poussée est de 67%Il est à noter que lorsque le propulseur atteint la meilleure performance, la pression de fond est de 0,2 pascal. Les performances mesurées peuvent être plus élevées que la valeur réelle en raison de l’influence de la haute pression.
Le testeur est fait de tungstène de tantale et il montre la résistance de fonctionnement. La puissance du gaz est de 100 kilowatts avec une poussée de 3050 millinewton, l’impulsion spécifique de 4300 secondes, et l’efficacité de 67%
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Aperçu
Cet article présente la conception d'un propulseur magnétoplasmodynamique (MPD) à champ appliqué de classe 100 kilowatts et les méthodes expérimentales associées. Les propulseurs MPD sont reconnus pour leur impulsion spécifique élevée et leur densité, ce qui les rend adaptés aux futures missions spatiales à haute puissance.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Génie aérospatial
- Systèmes de propulsion
- Propulsion électrique
Contexte
- Les propulseurs magnétoplasmodynamiques sont des accélérateurs électriques.
- Ils sont reconnus pour leur efficacité en propulsion spatiale.
- Un impulsion spécifique élevé est crucial pour les missions de longue durée.
- La conception de propulseurs efficaces est essentielle pour faire progresser l'exploration spatiale.
Objectif de l'étude
- Présenter un concept de propulseur MPD de classe 100 kilowatts.
- Décrire les systèmes expérimentaux nécessaires pour tester le propulseur.
- Expliquer les étapes opérationnelles pour réaliser les expériences.
Méthodes utilisées
- Concevoir les composants du propulseur, notamment l'anode, la cathode et l'isolant.
- Mettre en place des systèmes expérimentaux pour tester le propulseur.
- Effectuer des expériences afin d'évaluer les performances du propulseur.
- Analyser les résultats pour affiner la conception et le fonctionnement.
Résultats principaux
- La conception du propulseur a été développée avec succès.
- Des dispositifs expérimentaux ont été mis en place pour tester le propulseur.
- Les premiers essais ont démontré le potentiel du propulseur en termes de haut rendement.
- Les résultats indiquent des applications prometteuses pour les futures missions spatiales.
Conclusions
- Le propulseur MPD de classe 100 kilowatts présente une promesse significative.
- Des expériences supplémentaires permettront d'approfondir la compréhension et d'améliorer les performances.
- Cette recherche contribue aux progrès réalisés dans la technologie de la propulsion électrique.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle dans l'industrie
Ce protocole décrit la conception et les essais d'un propulseur magnétoplasmodynamique à champ appliqué de classe 100 kW, un système de propulsion électrique haute puissance possédant un potentiel pour des missions spatiales de longue durée. Ce travail soutient la validation en phase initiale de concepts de propulsion qui pourraient permettre l'exploration future de l'espace profond en offrant une impulsion spécifique élevée et une densité de poussée importante. De tels systèmes sont pertinents pour les chaînes de R&D aérospatiale axées sur l'amélioration des technologies de propulsion électrique pour des applications critiques en mission.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet l'analyse de l'efficacité de conversion énergétique dans les systèmes d'accélération plasma sous des conditions contrôlées de vide et de puissance.
- Valeur opérationnelle : Fournit un banc d'essai reproductible pour évaluer les performances du propulseur en fonction du courant de décharge, du débit de propergol et de l'intensité du champ magnétique.
Développement de tests et criblage
- Valeur scientifique : Permet la mesure normalisée de la poussée, de la tension de décharge et de l'impulsion spécifique en tant que paramètres quantitatifs pour l'évaluation des performances.
- Valeur opérationnelle : Assure une préparation similaire à un test grâce à un support de mesure de poussée étalonné et à un environnement sous vide, garantissant des conditions expérimentales reproductibles.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Démontre une stabilité opérationnelle pendant des durées prolongées (>10 heures) avec une érosion cathodique minimale, indiquant une durabilité adaptée à des cycles de fonctionnement pertinents pour la mission.
- Valeur opérationnelle : Permet d'évaluer, en fonction du risque, la préparation du propulseur à être intégré dans des systèmes de propulsion spatiale grâce à une cartographie des performances sur une plage de puissance de 50 à 100 kW.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Ce travail inscrit la conception du propulseur et le protocole d'essai dans la continuité allant de la découverte précoce à la validation préclinique du développement de la propulsion électrique, en soutenant le test d'hypothèses, le criblage des performances et la réduction des risques translationnels.
- Biologie de la découverte : Facilite la vérification d'hypothèses sur les mécanismes d'accélération du plasma en isolant des variables telles que le courant de décharge et le champ magnétique appliqué.
- Essais préliminaires : Permet la préparation des essais grâce à une mesure normalisée de la poussée et à des conditions de vide garantissant une évaluation reproductible des performances.
- Analyse : Fournit des données quantitatives, notamment la poussée (3 052 mN), l'impulsion spécifique (4 359 s) et le rendement (67 %), afin de comparer différentes conditions de fonctionnement.
- Recherche translationnelle : Relie les premiers essais à l'avancement préclinique en démontrant un fonctionnement continu et une stabilité des performances pertinentes par rapport aux profils de mission.
- Réutilisation institutionnelle : Met en place un cadre expérimental réutilisable pour évaluer des propulseurs électriques haute puissance à travers différentes itérations de conception et types de propergol.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Confiance prédictive dans les performances du propulseur grâce à la mesure de la poussée en régime permanent et de la stabilité de la tension après l'allumage.
- Valeur opérationnelle : Normalisation par l'utilisation de composants refroidis à l'eau, la compatibilité sous vide et un banc de mesure de poussée étalonné pour des essais reproductibles.
- Valeur stratégique : Éclaire les décisions de poursuite ou d'abandon du dimensionnement du propulseur en définissant des seuils de performance à une puissance de fonctionnement de 99,5 kW.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation tenant compte des risques des concepts de propulsion électrique en fonction de leur efficacité démontrée et de leur résistance à l'érosion.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Une expertise requise en systèmes électriques haute tension, en technologie du vide et en diagnostic des plasmas.
- Les besoins en instrumentation comprennent des enceintes à vide (atteignant 0,01 Pa), des alimentations électriques (jusqu'à 1 000 A pour la décharge, 240 A pour la bobine) et des systèmes de mesure de poussée.
- La standardisation entre équipes exige une coordination entre les équipes de propulsion, de gestion thermique et de diagnostic pour les essais intégrés.
- Les considérations d'adaptation incluent la modification des canaux de propergol, de la géométrie des bobines magnétiques et des débits de refroidissement selon les différents propergols ou niveaux de puissance.
- Les limitations pratiques comprennent l'influence de la pression résiduelle sur la mesure de poussée et la dérive thermique des capteurs de déplacement de cible (dérive à zéro pouvant atteindre 50 mN).
