100 KW 級適用フィールド ノズル形状スラスター

サマリー

このプロトコルの目標は、100 のデザインを紹介する、kW クラス適用フィールド ノズル形状スラスターと関連する実験手法。

要約

適用フィールド ノズル形状スラスター (AF MPD スラスター) は、電磁波のハイブリッド加速器とガス動的プロセス プラズマを高速に加速します。彼らは高比推力の大きな利点を持つ将来の宇宙アプリケーションのかなりの可能性があるし、推力密度。一連の設計および構造、130 V 最大放電電圧、800 A の最大放電電流と磁場の 0.25 T 最大強度を水冷 AF MPD スラスターの 100 kW クラスを製造するためのプロトコルを提案します。放射状の放電を抑制するだけの推進剤の入口として中空タンタル タングステン陰極、陽極の飢餓を軽減するために陽極の後方に軸配置されます。円筒発散銅陽極アノード電源蒸着、壁プラズマの接続領域を減少する長さが減ったところを減少に採用します。実験利用真空 0.01 の作業真空を達成することができますシステム総推進剤質量流量の Pa 率 40 mg より低い/s とターゲット スラスト スタンド。スラスター テストはパフォーマンスに及ぼす推進剤流量、放電電流、印加磁場強度など作業パラメーターを測定し、適切な分析を行った。スラスターは、中空陰極表面に少し侵食と時間の大幅な期間継続的に運営できます。スラスターの最大出力は 100 kW とこの水冷構成のパフォーマンスは文献で報告されたスラスターのそれと対等であります。

概要

MPD のスラスターは、比較的高推力密度の高い比推力^1,2,3よく知られています。しかし、MPD スラスターの典型的な推力効率¹は比較的低く、希ガス^4,5,6の推進剤特に。ほとんどの MPD スラスターの燃料流れの一部は陽極および陰極^7、8結果、径方向成分が総排出量のかなりの割合の間にスリットから放電管に注入されます。しかし、推力を生成するために半径方向の運動論的効果は物理的なノズルと磁気ノズル軸運動の動きに変換する必要があります。したがって、新しいデザイン MPD スラスターの重要な機能は全ての噴射剤が放射状放電を抑制する行動できます陰極を通じて供給されています。この方法で軸のエネルギーの割合を増加することができます。ホール加速コンポーネント⁹を強化することができます陽極の周り数密度の減少によるアノード周辺プラズマ ホール パラメーターを増やすことができますに追加効果があります。推進はどこ初期電子を大量に注入のこのモードで生成される陰極の内部の表面近くには、推進剤のイオン化率が大幅に増加することができます。さらに、壁プラズマの接続領域を減少させ、陽極電源堆積^10,11を減らす陽極の長さが最小化されています。発散の陽極が適用されると、アノードと磁力線の間の角度を減少、陽極電源沈着さらに^12,13を減少します。

パフォーマンスを改善するために上記の利点にもかかわらず陰極注入による完全な推進剤の供給は¹⁴「発症」現象になることができます陽極飢餓のリスクを増やすことができます。この現象を抑制するには、が、陰極陽極の基地に戻って撤回しました。電子が陽極飢餓を緩和するために動作するアノード出口を出る前にラジアル方向に十分に拡散します。さらに、マルチ チャンネルのホロー陰極を採用しています。単一チャネルのホロー陰極と比較して、マルチ チャンネル ホロー陰極は電子放出面積を増やすし、推進薬の配布をより均一にすることがことができます。この変更は、有効期間とスラスターの安定性の両方増加^15,16,17することができます。

スラスターの設計された電源は 100 kW と冷却構造定常操作に必要です。現在の実験で効率的な水冷構造を採用します。ただし、MPD スラスター デザインのパフォーマンスを評価する推力を取得する重要です。熱を転送する高圧水システムのアプリケーション、伝統的な推力の測定値を使用する場合に重要な干渉を作成することがこのような冷却の操作中に強い振動があります。したがって、推力を測定する推力ターゲット スタンドを採用します。

MPD スラスター

図 1に示すように、MPD スラスターの陽極、陰極、絶縁体で構成されます。うち最小内径は 60 mm 円筒末広ノズルによる銅の陽極をしました。陽極の内壁の周りにある S 字形状冷却チャンネルがあります。入口とチャネルの出口である陽極上にバッフルで区切られています。細い銅ブロックを採用して、陽極と電線を接続します。接合部は、陽極の外側の表面には。

正極材料は、タンタル タングステン、9 燃料チャンネルです。陰極の外径が 16 mm です。陰極の冷却は水冷ホルダー陰極基地周辺で行われます。ホルダー内のリング状のチャネルがあります。冷たい水は、下上から流れ出るからホルダーに注入されます。陰極の左側にあるホローカソード コネクタがあります。推進センター コネクタとホロー陰極室に流れる9 狭い円筒状の経路と接続する陰極基地の中に大きな空洞があります。空洞は、9 つのチャンネルの推進剤分布の均一性を高めるためのバッファーとして機能します。陰極は陰極のコネクタ周りがインストールされている環状銅のブロックと電線に接続されます。

スラスター本体に加えて外部の磁場コイルは AF MPD スラスター; のメカニズムのためのフィールドを生成する必要も磁界電界とともにプラズマを加速する収束発散磁場を提供します。フィールド コイルは、両方電気現在、冷却水の通路として円形の銅パイプの 288 の回転で構成されます。コイルの内径は 150 mm、外径 500 mm です。中心部の最高の電界強度、電流 230 a. が 0.25 T

実験システム

実験システムには、六つのサブシステムが含まれています。実験システムの全体的なレイアウトの概略図を図 2に示します真空チャンバ内スラスターのレイアウトを図 3に示します。

まず、スラスター操作に必要な真空環境を提供する真空システムは、4 極低温ポンプ、1 つの分子ポンプ 2 つ機械ポンプ 1 真空チャンバーで構成されます。商工会議所の直径は 3 m、長さは 5 m。環境圧力は 0.01 の下で維持できる Pa (アルゴン) 燃料の流量がない以上 40 mg/秒。

第二に、スラスターを点火する高電圧パルス プラズマを加速するスラスターのパワーと外部磁場を維持するために磁場コイルの電源を提供しますこのソースのシステムを提供します。電源システムは、イグニッション電源、スラスターの電源、コイルの電源ケーブルで構成されています。イグニッション電源が 8 を提供できる kV または 15 kV 放電電圧。スラスターの電源は直流電流 1000 A までを提供しますコイル電源は、直流電流最大 240 a.

第三に、推進剤供給系統はスラスターの推進剤ガスを供給します。システムは、主にガス源を含んでいる、質量流量率コント ローラー ガス供給パイプライン。

4 番目のサブ システム スラスター、磁気コイル、電源の熱を交換する高圧冷水を提供する水冷却のシステムです。図 4に示すとおり、システムのポンプ グループ、水タンク、冷蔵庫、給水パイプラインやポンプのコント ローラーで構成されます。真空チャンバー内非伝導性パイプは、スラスターと磁気コイルの冷却水ターミナルを提供および陽極、陰極と地面の間で、電気絶縁を保証します。

集録/制御システムは、スラスター操作条件およびその他のシステムの動作を制御を測定信号を記録できます。3 コンピューターと対応するソフトウェア、データ集録カード、ケーブルから成り立っています。

図 5に示すように、ターゲットのスラスト スタンド プレート ターゲット、細いビーム、変位センサー、支持フレーム、軸可動プラットフォームおよび放射状の可動プラットフォームので構成されます。ターゲットは、ターゲットをプッシュするプラズマを傍受できます。ターゲットの変位は、推力¹⁸の評価を有効にするこの方法では、ターゲットの背後に配置センサーによって測定することができます。

プロトコル

1.実験の準備

1. スラスターをインストールします。
   1. スラスターとの提携-塵の布、クリーン ルームでの無水アルコールを浸したのコンポーネントを拭いてください。
   2. 絶縁体と陽極を組み立てます。
   3. 陰極、カソード ホルダーおよび陰極端子を一緒にもたらします。
   4. 陽極に陰極パーツを追加します。
   5. 群集に中間のコネクタをインストールし、ネジ (六角ソケット頭ネジ、M5 × 16) でそれらを修正します。
   6. フォーク リフトと実験プラットフォーム上コイル シートを確立します。
   7. 真空チャンバーのガイド レールの実験プラットフォームを配置します。
   8. コイルにスラスターをインストールします。
   9. 陽極と陰極に対応する電気ケーブルをリンクします。
   10. コイルの電源でコイルをリンクします。
   11. 水冷パイプとスラスターの燃料供給パイプを参加します。
   12. 水冷パイプ コイルと合流します。
   13. 商工会議所と推力の本体スタンド修正内部可動プラットフォームをインストールします。
   14. ターゲットは一致し、スラスターのコントロール ラインを作るに放射状の可動プラットフォームの位置を調整します。
2. スラスト スタンドを調整します。
   1. スラスト スタンドの出力校正デバイスと、対応するレコードを 1 つずつ異なる重み (10 g、50 g、100 g、200 g) をロードします。
   2. 一つずつウェイトをアンロードします。
   3. 少なくとも 3 回のプロセスを繰り返します。
   4. キャリブレーション データによるとスラスト スタンドの弾性係数を計算します。
3. 真空チャンバーを避難させます。
   1. 商工会議所のドアを閉じます。
   2. 機械式ポンプを起動します。
   3. 分子ポンプの起動時に室内の背景圧力は 5 よりも低い pa.
   4. 極低温ポンプの起動時に室内の背景圧力が 0.05 より低い pa.
   5. 1 x 10^-4ペンシルバニア州に到達する圧力を待つ

2. 点火と推力測定実験

1. それは空気にさらされている場合は、スラスターを予熱します。
   1. 信号の記録を開始します。
   2. 40 mg/秒で推進剤の質量流量を設定し、20 分以上の供給を維持
   3. 冷却水の供給をオンにします。
   4. 10 Hz で水ポンプを冷却の動作周波数を設定します。
   5. スラスト スタンドをスラスターから遠い位置に移動します。
   6. 90 A. コイル電流がコイル電源に切り替える
   7. 放電電流 240 a. のスラスターの電源をスイッチします。
   8. イグニッション電源に切り替えます。
   9. 少なくとも 5 分間のために働いてスラスターを維持します。
   10. 推進ユニットとスラスター電源オフに切り替えます。
   11. 録音を停止します。
2. スラストの測定方法
   1. スラスターから 550 mm の位置にスラスト スタンドを移動します。
   2. 信号の記録を開始します。
   3. 推進剤の供給を開始します。
   4. 90 A コイル電流 240 A 放電電流とスラスターを点火します。
   5. 増加コイル電流 150 a.
   6. 放電電流 800 å に増加
   7. コイル電流 230 a. に増加
   8. 切りスラスター推力スタンドの出力が安定になります。
   9. 推進剤の供給を停止します。
   10. 録音を停止します。

結果

実験では, 我々 は放電電流 (Id) を制御、推進薬質量 rate(m) の流れし、磁場 (Ba)。操作で放電電圧 (Vd) の値を測定し、(T) の推力、ベースの選択我々 は、他のパフォーマンスを得ることができますからパラメーター力 (P)、特定の衝動 (Isp) のような推力効率 (η)¹。

放電電圧の典型的な信号を図 6に示します。動力源の開始、時に、アノード ・ カソード、値は約 230 V 間の開回路電圧があります。この開回路電圧は放電管; ニュートラルの推進体を打破するために十分に高くないです。我々 は、スラスターを点火する高周波放電電圧を適用する必要があります。点火後、電圧が急速に減少します。振動の期間の後に定数値、電圧動向。

ディスカッション

このプロトコルでは、点火、操作、および 100 kW クラス適用フィールド MPD スラスターの推力測定のプロセスについて説明します。最適なパフォーマンスのための MPD スラスターの設計で重要なポイントは、特定の目的に合わせた適切な構成を選ぶことです。先細末広陽極と MPD スラスターは、大きな動作範囲内の定常状態に機能できます。ただし、パフォーマンスは発散陽極とスラスターより低い可能性があります。ホロー陰極、特にマルチ チャンネルのホロー陰極はほとんどの面で伝統的な棒陰極に優れています。ホロー陰極のアプリケーションはスラスター性能の向上のために有益と推進剤供給モードの選択肢を提供します。ホロー陰極のコストを製造すると、固体正極と比較して比較的高いです。

それは 10 分以上動作するように設計されている場合、冷却構造流体回路がスラスターの操作に必要です。また、放射冷却は別選択です²⁶、複雑なクーラント配管を避けることができます。ただし、これはスラスターの大型ラジアルを引き起こす可能性があります。さらに、熱パイプは、実際の宇宙ミッショ...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
極低温ポンプ	ブルックスオートメーション		ポンプ速度:10000L/s
変位センサー	パナソニック	HG-C1030	繰り返し精度:10μm 直線性: ±0.1%のF.S.
質量流量コントローラー	ブルックス オートメーション		範囲:0-120mg/s
分子ポンプ	エリコン		ポンプ速度:2100L/s
可動式プラントフォーム	北京 Weina Guangke オートメーション機器有限公司		範囲:0-2000mm
のPlsatic水道管	Xingye Xingyeのfluoroplastics(Jiaxing)Co.、株式会社。		到達圧力:4.5MPa
推進剤アルゴン	北京Huanyu Hinghui Gas Technology Co.、Ltd.		純度:99.999%
冷蔵庫	北京九州通城技術有限公司		冷凍力:45kW
ウォーターポンプ	Liaocheng vanguard Motor Co.、Ltd.; 上海の人々のポンプ産業グループ製造業Co.、株式会社; Nanfang Pump Limited company		最大出力圧力: 遠心ポンプ:1MPa プランジャーポンプ:10MPa