Un 100 KW classe campo applicato Magnetoplasmadynamic Thruster
22 dicembre 2018
L'obiettivo del presente protocollo è quello di introdurre il design di un 100 kW classe campo applicato magnetoplasmadynamic thruster e metodi sperimentali pertinenti.
L'obiettivo di questo protocollo è quello di introdurre la progettazione di un propulsore magnetoplasmadinamico a campo applicato di classe 100 kilowatt e il relativo metodo sperimentato. Il propulsore magnetoplasmadinamico, cioè il propulsore MPD, è un tipico acceleratore elettrico. È ben noto per l'alto impulso specifico e un'alta densità del propulsore, ed è trattato come candidato primario per la nostra propulsione principale nelle nostre future missioni spaziali ad alta potenza.
In questo articolo, introdurremo un progetto di un propulsore MPD a campo applicato di classe 100 kilowatt, i sistemi di esperimento necessari per tenere un relativo esperimento propulsore e le fasi operative per completare questo esperimento. Progettazione propulsore. Il propulsore è costituito principalmente da anodo, catodo e isolante.
L'anodo è realizzato in rame con un ugello divergente del cilindro, il cui diametro interno minimo è di 60 millimetri. Il catodo è costruito in tungsteno tantalio con nove canali propellenti, il cui diametro esterno è di 16 millimetri. C'è un connettore catodo cavo sul lato sinistro.
Il propellente scorre attraverso il centro del connettore e raggiunge il catodo cavo. C'è una grande cavità all'interno della base del catodo che si collega con nove canali cilindrici. La cavità funge da cuscinetto per aumentare l'uniformità della distribuzione del propellente in nove canali.
Il catodo è collegato al cavo elettrico con un blocco di rame anulare, che viene installato attorno al connettore catodo. Oltre al corpo principale del propulsore, è necessaria anche una bobina magnetica esterna per il funzionamento del propulsore MPD. La bobina è costituita da 288 tubi di rame a cerchio che fungono da passaggio sia per la corrente elettrica che per l'acqua di raffreddamento.
Il diametro interno della bobina è di 150 millimetri, mentre il diametro esterno è di 500 millimetri. La forza di campo più alta al centro è di 0,25 telsa. Sistema sperimentale.
Il sistema sperimentale fornisce le condizioni necessarie per l'esperimento, che comprende principalmente sei sottosistemi. In primo luogo, il sistema di vuoto fornisce l'ambiente vuoto necessario per il propulsore. E il diametro della camera è di tre metri, mentre la lunghezza è di due metri.
La pressione dell'ambiente può mantenere meno di 0,01 pascal. In secondo luogo, il sistema di alimentazione. Il sistema di alimentazione è costituito da fonte di alimentazione di accensione, fonte di alimentazione del propulsore, fonte di alimentazione della bobina e cavi.
La fonte di alimentazione di accensione può fornire una tensione di scarica di otto kilovolt o 15 kilovolt. La fonte di alimentazione del propulsore fornisce una corrente diretta fino a 1.000 ampere. La fonte di alimentazione della bobina fornisce una corrente diretta fino a 240 ampere.
Il terzo è il sistema di alimentazione del propellente, che alimenta il propellente gassoso per propulsori. Questo sistema comprende principalmente la fonte di gas, il controllore della portata di massa e le condotte di approvvigionamento di gas. Il quarto è il sistema di raffreddamento ad acqua, che fornisce acqua ad alta pressione per scambiare il calore extra del propulsore, della bobina magnetica e delle fonti di energia.
Poi c'è il sistema di acquisizione e controllo, che può registrare i segnali delle condizioni operative del propulsore e controllare altri sistemi. L'ultimo è il sistema di misurazione della spinta bersaglio, che può essere utilizzato per misurare la spinta. Il supporto di spinta target è costituito principalmente da bersaglio a piastre, fascio sottile, sensore di spostamento, telaio di supporto, piattaforma mobile assiale e piattaforma mobile radio.
Il plasma può essere intercettato dal bersaglio e il bersaglio sarà spinto dal plasma. Lo spostamento del bersaglio può essere misurato dal sensore posizionato dietro il bersaglio. In questo modo, possiamo valutare la spinta.
Preparazione all'esperimento. Installare il propulsore. Pulire i componenti del propulsore con alcool in una stanza pulita.
Assemblare l'anodo con l'isolante. Riunire il catodo, il portacatolo e il connettore catodo. Aggiungere la parte catodo alla parte anodica.
Installare il connettore centrale nell'assemblaggio e fissarlo con le viti. Stabilire il sedile della bobina sulla piattaforma di esperimento con carrello elevatore. Posizionare la piattaforma di esperimento sulla guida della camera a vuoto.
Installare il propulsore sulla bobina. Collegare l'anodo e il catodo con i corrispondenti cavi elettrici. Collegare la bobina magnetica con la fonte di alimentazione della bobina.
Unire i tubi di raffreddamento ad acqua e il tubo di alimentazione del propellente con propulsore. Unire i tubi di raffreddamento dell'acqua con la bobina. Installare la piattaforma mobile all'interno della camera e fissare il corpo principale del supporto di spinta su di esso.
Regolare la posizione della piattaforma mobile in modo che la linea centrale del propulsore e il bersaglio conceda tra loro. Poi collaboriamo con il supporto di spinta. In primo luogo, caricare pesi diversi sul dispositivo di collaborazione e registrare l'uscita corrispondente del supporto di spinta.
Ripetere il processo almeno tre volte. Quindi possiamo calcolare il coefficiente elastico del supporto di spinta in base ai dati di calibrazione. Aspirare la camera a vuoto.
Chiudi la porta della camera. Avviare le pompe meccaniche. Avviare le pompe molecolari quando la pressione di fondo nella camera è inferiore a cinque pascal.
Avviare le pompe criogeniche quando la pressione di fondo nella camera è inferiore a 0,05 pascal. Attendere che la pressione raggiunga 10 alla potenza di meno quattro pascal. Esperimento di accensione e misurazione della spinta.
Dobbiamo preriscaldare il propulsore se il propulsore è stato esposto all'aria. Inizia a registrare il segnale. Impostare la portata di massa del propellente a 40 milligrammi e continuare a fornire per almeno 20 minuti.
Accendere l'alimentazione dell'acqua di raffreddamento. Impostare la frequenza di lavoro delle pompe di raffreddamento ad acqua anodo e catodo a 10 hertz. Spostare il supporto di spinta nella posizione lontano dal propulsore.
Accendere la fonte di alimentazione della bobina con la corrente della bobina di 90 ampere. Accendere la fonte di alimentazione del propulsore con la corrente di scarica di 240 ampere. Accendere la fonte di alimentazione di accensione.
Mantenere il propulsore funzionante per almeno cinque minuti. Spegnere la fonte di alimentazione del propulsore e l'alimentazione del propellente. Smettila di ricondificarti.
Dopo il preriscaldamento, possiamo eseguire la misurazione della spinta. Spostare il supporto di spinta nella posizione a 550 millimetri dal propulsore. Inizia a registrare il segnale.
Avviare l'alimentazione del propellente. Accendi il propulsore con corrente a bobina a 90 ampere e corrente di scarica ampere 240. Aumentare la corrente della bobina a 90 ampere.
Successivamente, aumentare la corrente di scarico a 800 ampere. Quindi aumentare la corrente della bobina a 230 ampere. Spegnere il propulsore quando l'uscita del supporto di spinta diventa stabile.
Fermare l'alimentazione del propellente. Smettila di ricondificarti. Risultati rappresentativi.
Negli esperimenti, controlliamo la corrente di scarico, la portata di massa del propellente e il campo magnetico applicato. Quindi misuriamo il valore della tensione di scarica e della spinta in base al quale possiamo ottenere altri parametri di prestazioni come potenza, impulso specifico ed efficienza di spinta. Un tipico segnale di tensione di scarica è mostrato in questa figura.
Dopo aver accendeto la fonte di alimentazione, verrà utilizzata un'alta tensione sul propulsore per abbattere il propellente neutro. Dopo l'accensione, la tensione si a tendenze a un valore costante e sostanzialmente mantiene costante. Quindi possiamo dire che l'accensione ha successo.
Un tipico risultato di misurazione della spinta è mostrato in questa figura. Iniziamo a registrare il segnale del propulsore davanti al propellente che fornisce, che viene trattato come un punto di spinta zero. Ci sarà una leggera spinta dopo aver fornito il propellente.
Dopo l'accensione, ci sarà una grande oscillazione. Quindi la spinta tende ad un valore costante. Ci sarà una deriva zero a causa della deformazione termica del bersaglio, il cui valore è di 50 millinewton.
L'errore causato dalla deriva non è superiore all'1%La cifra mostra le caratteristiche di scarico durante mezz'ora di lavoro continuo. Confondiamo che il propulsore si tendenze rapidamente allo stato stazionario dopo l'accensione, e la tensione è molto stabile durante questo periodo. Questa figura mostra i cambiamenti di aspetto del catodo cavo di tungsteno tantalio prima e dopo gli esperimenti.
Il tempo totale dell'esperimento è superiore a 10 ore. Possiamo trovare una leggera erosione che si distribuisce uniformemente sulla superficie esterna del catodo, il che significa che il propulsore ha il potenziale per lavorare per un tempo molto più lungo di 10 ore. Dopo il continuo test di lavoro, abbiamo esplorato le prestazioni del propulsore nella gamma di potenza da 50 a 100 kilowatt.
Le migliori prestazioni si ottengono a 99,5 kilowatt mentre la spinta è di 3.052 millinewton. L'impulso specifico è di 4.359 secondi e l'efficienza di spinta è del 67%È degno di nota che quando il propulsore raggiunge le migliori prestazioni, la pressione di fondo è di 0,2 pascal. Le prestazioni misurate possono essere superiori al valore effettivo a causa dell'influenza dell'alta pressione.
Il tester è fatto di tungsteno di tantalio e mostra la resistenza all'operazione. La potenza del gas è di 100 kilowatt con una spinta di 3.050 millinewton, l'impulso specifico di 4.300 secondi e l'efficienza del 67%
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Panoramica
In questo articolo viene presentata la progettazione di un propulsore magnetoplasmadinamico (MPD) con campo applicato di classe 100 chilowatt e i relativi metodi sperimentali. I propulsori MPD sono noti per l'elevata impulso specifico e densità, caratteristiche che li rendono adatti a future missioni spaziali ad alta potenza.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Ingegneria aerospaziale
- Sistemi di propulsione
- Propulsione elettrica
Sfondo
- I propulsori magnetoplasmadinamici sono acceleratori elettrici.
- Sono noti per la loro efficienza nella propulsione spaziale.
- Un alto impulso specifico è fondamentale per missioni di lunga durata.
- Progettare propulsori efficaci è essenziale per far progredire l'esplorazione spaziale.
Scopo dello studio
- Presentare un progetto per un propulsore MPD da 100 chilowatt.
- Illustrare i sistemi sperimentali necessari per testare il propulsore.
- Descrivere i passaggi operativi per eseguire gli esperimenti.
Metodi Utilizzati
- Progettazione dei componenti del propulsore, inclusi anodo, catodo e isolante.
- Configurazione dei sistemi sperimentali per i test del propulsore.
- Esecuzione di esperimenti per valutare le prestazioni del propulsore.
- Analisi dei risultati per perfezionare progettazione e funzionamento.
Risultati principali
- Il design del propulsore è stato sviluppato con successo.
- Sono stati allestiti dispositivi sperimentali per testare il propulsore.
- I test iniziali hanno dimostrato il potenziale del propulsore in termini di alta efficienza.
- I risultati indicano applicazioni promettenti per le future missioni spaziali.
Conclusioni
- Il propulsore MPD della classe da 100 chilowatt mostra notevoli prospettive.
- Ulteriori esperimenti miglioreranno la comprensione e le prestazioni.
- Questa ricerca contribuisce ai progressi nella tecnologia di propulsione elettrica.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo protocollo descrive la progettazione e la verifica di un propulsore magnetoplasmadinamico a campo applicato di classe 100 kW, un sistema di propulsione elettrica ad alta potenza con potenziale per missioni spaziali di lunga durata. Il lavoro supporta la validazione in fase iniziale di concetti propulsivi che potrebbero abilitare future esplorazioni dello spazio profondo fornendo un alto impulso specifico e densità di spinta. Tali sistemi sono rilevanti per i flussi di ricerca e sviluppo aerospaziale incentrati sull'evoluzione delle tecnologie di propulsione elettrica per applicazioni critiche di missione.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi dell'efficienza di conversione energetica nei sistemi di accelerazione al plasma in condizioni controllate di vuoto e potenza.
- Valore operativo: Fornisce un banco di prova riproducibile per valutare le prestazioni del propulsore al variare della corrente di scarica, del flusso del propellente e dell'intensità del campo magnetico.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Valore scientifico: Facilita la misurazione standardizzata della spinta, della tensione di scarica e dell'impulso specifico come output quantitativi per la valutazione delle prestazioni.
- Valore operativo: Consente una prontezza simile a un saggio grazie a un supporto calibrato per la misurazione della spinta e a un ambiente sotto vuoto, che garantiscono condizioni sperimentali costanti.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Dimostra una stabilità operativa durante periodi prolungati di funzionamento (>10 ore) con minima erosione della catodo, indicando una notevole durata per cicli operativi rilevanti per la missione.
- Valore operativo: Consente una valutazione proporzionata ai rischi della prontezza del propulsore per l'integrazione nei sistemi di propulsione dei veicoli spaziali, mediante la mappatura delle prestazioni nell'intervallo di potenza compreso tra 50 e 100 kW.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo lavoro colloca la progettazione del propulsore e il protocollo di prova all'interno del continuum che va dalla scoperta iniziale alla validazione preclinica nello sviluppo della propulsione elettrica, sostenendo la verifica delle ipotesi, la valutazione delle prestazioni e la riduzione dei rischi traslazionali.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi sui meccanismi di accelerazione del plasma isolando variabili come la corrente di scarica e il campo magnetico applicato.
- Screening: Permette la prontezza del saggio attraverso misurazioni standardizzate della spinta e condizioni di vuoto per una valutazione riproducibile delle prestazioni.
- Analisi: Fornisce letture quantitative, inclusa la spinta (3.052 mN), l'impulso specifico (4.359 s) e l'efficienza (67%), per confrontare diverse condizioni operative.
- Ricerca traslazionale: Collega i test iniziali all'avanzamento preclinico dimostrando un funzionamento continuo e una stabilità delle prestazioni rilevanti per i profili di missione.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce un quadro sperimentale riutilizzabile per valutare propulsori elettrici ad alta potenza attraverso diverse iterazioni di progetto e tipologie di propellente.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Affidabilità predittiva delle prestazioni del propulsore mediante la misurazione della spinta in regime stazionario e della stabilità della tensione dopo l'accensione.
- Valore operativo: Standardizzazione grazie a componenti refrigerati ad acqua, compatibilità con il vuoto e una piattaforma di misura della spinta calibrata per test ripetibili.
- Valore strategico: Fornisce indicazioni per decisioni di avanzamento o interruzione dello sviluppo del propulsore, definendo le soglie di prestazione a un funzionamento di 99,5 kW.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione basata sul rischio dei concetti di propulsione elettrica in base all'efficienza dimostrata e alla resistenza all'erosione.
Considerazioni sull'implementazione
- Competenze richieste nei sistemi di alimentazione ad alta tensione, nella tecnologia del vuoto e nella diagnostica dei plasmi.
- Le esigenze strumentali includono camere a vuoto (capaci di raggiungere 0,01 Pa), alimentatori (fino a 1.000 A per la scarica, 240 A per la bobina) e sistemi di misurazione della spinta.
- La standardizzazione tra gruppi richiede un allineamento tra i team di propulsione, gestione termica e diagnostica per i test integrati.
- Le considerazioni relative all'adattamento includono la modifica dei canali del propellente, della geometria delle bobine magnetiche e delle portate di raffreddamento per diversi propellenti o livelli di potenza.
- I limiti pratici includono l'influenza della pressione residua sulla misurazione della spinta e la deriva termica nei sensori di spostamento del bersaglio (fino a una deriva a vuoto di 50 mN).
