Methodenartikel

Een 100 KW klasse toegepast-veld Magnetoplasmadynamic boegschroef

DOI:

10.3791/58510

⸱

22 december 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

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

Het doel van dit protocol is om het ontwerp van een 100 kW klasse toegepast-veld magnetoplasmadynamic boegschroef en relevante experimentele methoden.

Samenvatting

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

Toegepast-veld magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) zijn hybride Versnellers in die elektromagnetische en gas dynamische processen versnellen plasma voor weetje vaart; ze hebben aanzienlijke mogelijkheden voor toekomstige ruimte-toepassingen met de aanzienlijke voordelen van hoge specifieke stoot en stuwkracht dichtheid. In deze paper presenteren we een reeks van protocollen voor het ontwerpen en vervaardigen van een 100 kW-klasse van AF-MPD boegschroef met water koeling structuren, een 130 V maximale kwijting spanning, een 800 A maximale lozing huidige en een 0,25 T maximale sterkte van het magnetisch veld. Een holle tantaal wolfraam kathode fungeert als de alleen drijfgas inlaat voor de remming van de radiale kwijting, en het is axiaal gepositioneerd aan de achterzijde van de anode ter verlichting van de anode honger. Een cilindrische uiteenlopende koperen anode is aangewend om te verkleinen anode macht depositie, waar de lengte is teruggebracht tot het verlagen van de aansluitende muur-plasma-gebied. Experimenten gebruikt een vacuüm systeem dat een werkende vacuüm van 0,01 kan bereiken Pa voor een totale drijfgas massastroom stem lager dan 40 mg/s en een doel stuwkracht stand. De Boegschroef tests werden uitgevoerd voor het meten van de effecten van de werkende parameters zoals drijfgas debiet, de huidige kwijting en de sterkte van toegepaste magnetisch veld op de prestaties en kunnen de juiste analyse. De Boegschroef kan continu worden bediend voor belangrijke perioden met weinig erosie op het oppervlak van de holle kathode. Het maximumvermogen van de Boegschroef is 100 kW en de prestaties van deze watergekoelde configuratie is vergelijkbaar met die van de stuwraketten gemeld in de literatuur.

Inleiding

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

MPD stuwraketten staan bekend om een stuwkracht van de relatief hoge dichtheid en een hoge specifieke stoot1,2,3. De typische stuwkracht efficiëntie1 van MPD stuwraketten is echter relatief laag is, vooral met drijfgassen van edelgassen4,5,6. Voor de meeste MPD thrusters, wordt een deel van de drijfgas stroom geïnjecteerd in de zaal van de geen kwijting van een spleet tussen de anode en kathode7,8 , met als gevolg dat een radiale component een aanzienlijk deel van de totale kwijting is. Om de stuwkracht te genereren, moeten radiale kinetische effecten echter worden omgezet in axiale kinetische beweging met een fysieke mondstuk of een magnetische mondstuk. Dienovereenkomstig, is een belangrijk kenmerk van de nieuwe ontwerp MPD boegschroef dat alle drijfgas is verstrekt door de kathode, die optreden kan voor de remming van de radiale aanzuivering worden overgebracht; op deze manier kan het aandeel van axiale energie worden verhoogd. Er is een toegevoegd effect dat de parameter Hall in het plasma rond de anode kan worden verhoogd door de daling van het aantal dichtheid rond de anode, die de hal versnelling component9kan versterken. Omdat de voortbeweging dicht bij de binnenzijde van de kathode waar grote hoeveelheden eerste elektronen in deze modus van injectie worden uitgestoten, kan het drijfgas ionisatie tarief sterk worden verhoogd. Bovendien is de lengte van de anode geminimaliseerd verlagen de aansluitende muur-plasma-gebied en het verminderen van de anode macht afzetting10,11. Zoals een uiteenlopende anode wordt toegepast, zal dit dalen van de hoek tussen de anode en de magnetische veldlijnen en afnemen van de anode macht depositie verdere12,13.

Ondanks de voordelen die hierboven om prestaties te verbeteren, kan volledige drijfgas levering door kathode injectie verhogen het risico van de anode honger die in "begin" verschijnselen14 resulteren kan. Om dit probleem te remmen, hebben we de kathode terug naar de basis van anode ingetrokken. De elektronen kunnen vervolgens voldoende diffuus in de radiale richting vóór het verlaten van de afrit van de anode, die fungeren zal voor het verlichten van de anode honger. Verder is een meerkanaals holle kathode aangenomen; vergeleken met de holle kathode van één kanaal, kan een meerkanaals holle kathode het elektron emissie areaal vergroten en de verdeling van de voortbeweging uniformere leveren. Met deze wijziging kunnen zowel de levensduur en de stabiliteit van de Boegschroef verhoogde15,16,17.

De ontworpen kracht van de Boegschroef is 100 kW en een koeling structuur is nodig met steady-state operatie. In de huidige laboratoriumexperimenten, is een efficiënte Waterkoeling structuur werkzaam. Om te beoordelen van de prestaties van de MPD boegschroef ontwerp, is het echter essentieel zijn voor het verkrijgen van de strekking. Met de toepassing van een hogedruk watersysteem op warmte, zal er sterke trillingen tijdens het gebruik van dergelijke koeling, die belangrijke interferentie creëren kan als wij de stuwkracht van de traditionele metingen gebruikt. Dienovereenkomstig, een doel stuwkracht stand wordt gebruikt voor het meten van de strekking.

MPD boegschroef

Zoals aangegeven in Figuur 1, bestaat de MPD-boegschroef van anode, de kathode en de isolator. De anode is gemaakt van koper met een cilindrische uiteenlopende mondstuk, de minimale binnendiameter waarvan 60 mm is. Er is een S-vormige koeling kanaal rond de binnenwand van de anode. De inlaat en de uitlaat van het kanaal zijn op de bovenkant van de anode, die worden gescheiden door een klankbord. Een slanke koper blok wordt gebruikt om verbinding te maken met de anode en de elektrische kabel. De kruising is aan de buitenkant van de anode.

Het materiaal van de kathode is tantaal wolfraam, met negen drijfgas kanalen. De buitendiameter van de kathode is 16 mm. Het koelen van de kathode wordt bereikt met een waterkoeling houder rond de kathode-basis. Er is een ringvormig kanaal in de houder. Het koude water wordt geïnjecteerd in de houder van de bodem en stroomt uit vanaf de bovenkant. Er is een holle kathode-connector aan de linkerkant van de kathode. De voortbeweging stroomt door het centrum van de verbindingslijn en in de holle kathode vergaderzaal; Er is een grote holte binnen de kathode base verbinden met negen smalle cilindervormige kanalen. De holte fungeert als een buffer te verhogen van de uniformiteit van de drijfgas verdeling in negen kanalen. De kathode is aangesloten op de elektrische kabel met een ringvormige koper blok, die rond de kathode-connector is geïnstalleerd.

Naast de hoofdtekst van de Boegschroef is een externe magnetische spoel ook nodig om te velden voor de mechanismen te genereren in de AF-MPD boegschroef; magnetische velden bieden een convergente-uiteenlopende magnetisch veld om te versnellen het plasma samen met het elektrisch veld. Het veld coil bestaat uit 288 bochten van circulaire koperen buizen, die als de doorgang voor zowel elektrische huidige en koeling water fungeren. De binnendiameter van de spoel is 150 mm, terwijl de buitendiameter 500 mm is. De hoogste veldsterkte in het midden is 0,25 T met stroom van 230 A.

Experiment systeem

Het experiment systeem bevat zes subsystemen. Het schema van de algehele indeling van het experimentele systeem is afgebeeld in Figuur 2; de indeling van de Boegschroef binnen de Vacuuemcel is afgebeeld in Figuur 3.

Ten eerste bestaat het vacuüm systeem, dat de nodige vacuüm omgeving voor de werking van de Boegschroef biedt, uit een vacuuemcel, twee mechanische pompen, een moleculaire pomp en vier cryogene pompen. De diameter van de kamer is 3 meter en de lengte is 5 m. De druk van de omgeving kan worden gehandhaafd onder 0.01 Pa wanneer het debiet van (argon) drijfgas niet meer dan 40 mg/s is.

Ten tweede, deze bronsysteem biedt een hoog voltage puls te ontsteken de Boegschroef, levert stroom voor de Boegschroef voor het versnellen van het plasma, en levert stroom voor de spoel magnetisch veld te houden van het externe magnetisch veld. De voedingsbron systeem bestaat uit een ontstekingsbron voor macht, een voedingsbron boegschroef, een voedingsbron spoel en kabels. De krachtbron van de ontsteking kan bieden 8 kV of 15 kV geen kwijting spanning. De krachtbron van de Boegschroef biedt een gelijkstroom tot 1000 A. De krachtbron van de spoel biedt een gelijkstroom tot 240 A.

Ten derde, het drijfgas levering systeem feeds gas drijfgas voor thrusters. Het systeem omvat voornamelijk de gas-bron, de massastroom tarief controller en gas leveren pijpleidingen.

De vierde sub-systeem is de waterkoeling systeem, waarmee cool hogedruk water om te wisselen van de hitte van de Boegschroef, magnetische spoel en voedingsbronnen. Zoals blijkt uit Figuur 4, bestaat het systeem uit pompen groep, watertank, koelkast, watervoorziening pijpleidingen en pompen controllers. De niet-geleidend buizen binnen de Vacuuemcel bieden een koeling water terminal voor de boegschroef en magnetische spoel, en zorgt ervoor dat elektrische isolatie tussen de anode, de kathode en de grond.

De verwerving en het controlesysteem kunnen opnemen de signalen meten boegschroef bediening voorwaarden en controle werking van andere systemen. Het is samengesteld uit drie computers en bijbehorende software, data-acquisitie kaart en kabels.

Zoals afgebeeld in Figuur 5, bestaat de doelgroep stuwkracht stand uit plaat doelgroep, slanke lichtbundel, verplaatsing sensor, hulpframe, axiale beweegbaar platform en radiale beweegbaar platform. Het doel kan onderscheppen de plasma die het doel duwt. De verplaatsing van de doelstelling kan worden gemeten door een sensor geplaatst achter het doel, op deze manier inschakelen van evaluatie van de stuwkracht18.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Voorbereiding voor experiment

  1. Installeren van de Boegschroef.
    1. Veeg de componenten van de Boegschroef voorzien van tag metnon-stof, gedrenkte doek met watervrij alcohol, in een schone kamer.
    2. Monteer de anode met de isolatie.
    3. Het samenbrengen van de kathode, de kathode houder en de aansluiting van de kathode.
    4. Voeg het deel van de kathode naar de anode deel.
    5. De middelste aansluiting in de assemblage installeren en corrigeren met schroeven (hoofd van de Inbusbout, M5 × 16).
    6. Stellen de spoel stoel op experiment platform met heftruck.
    7. Plaats het experiment platform op gids spoor van de Vacuuemcel.
    8. Het installeren van de Boegschroef op de spoel.
    9. Het koppelen van de anode en de kathode met bijbehorende elektrische kabels.
    10. Koppelen van de magnetische spoel met de krachtbron van de spoel.
    11. Join-up de Waterkoeling pijpen en drijfgas levering pijp met de Boegschroef.
    12. Join-up de Waterkoeling pijpen met de spoel.
    13. De beweegbare platform binnen de kamer en de moeilijke situatie die de hoofdtekst van de stuwdruk staan op installeren.
    14. Pas de positie van de radiale beweegbaar platform om het besturingselement lijnen van de boegschroef en de doelstelling van met elkaar samenvallen te maken.
  2. Kalibreer de stuwkracht stand.
    1. Laden van verschillende gewichten (10 g, 50 g, 100 g, 200 g), één voor één, op de kalibratie-apparaat en de corresponderende record uitgang van de stuwkracht stand.
    2. De gewichten één voor één uit het geheugen verwijderen.
    3. Herhaal het proces ten minste voor drie keer.
    4. Bereken de elastische coëfficiënt van de stand van de lijnen volgens de kalibratiegegevens.
  3. De Vacuuemcel evacueren.
    1. Sluit de deur van de kamer.
    2. Start de mechanische pompen.
    3. De moleculaire pompen starten wanneer de druk van de achtergrond in de kamer lager dan 5 is Pa.
    4. Starten van de cryogene pompen wanneer de druk van de achtergrond in de kamer lager dan 0,05 is Pa.
    5. Wachten op de druk om te bereiken 1 x 10-4 Pa.

2. ontsteking en stuwkracht meting Experiment

  1. Verwarm de Boegschroef als het is blootgesteld aan de lucht.
    1. Start de opname van het signaal.
    2. De drijfgas massastroom vastgesteldop 40 mg/s en houden leveren gedurende ten minste 20 minuten
    3. Inschakelen van de koeling watervoorziening.
    4. Stel de frequentie van de werken van koeling waterpompen bij 10 Hz.
    5. De stand van de stuwkracht verplaatsen naar de positie ver van de Boegschroef.
    6. Schakel de stroombron van de spoel met de huidige spoel van 90 A.
    7. Schakel de stroombron van de Boegschroef met de huidige geen kwijting van 240 A.
    8. Schakel de stroombron van de ontsteking.
    9. Houd de Boegschroef werken voor ten minste 5 minuten.
    10. Schakel de Boegschroef krachtbron en drijfgas levering.
    11. Stop de opname.
  2. Stuwkracht meting
    1. De stuwkracht stand naar de positie van 550 mm van de Boegschroef verplaatsen.
    2. Start de opname van het signaal.
    3. Start het drijfgas aanbod.
    4. De Boegschroef met 90 A coil huidige en 240 A kwijting huidige ontbranden.
    5. Verhoging van de huidige 150 A. Spoel
    6. Verhoging van de huidige tot 800 A. kwijting
    7. Verhoging van de huidige 230 A. Spoel
    8. Wanneer de output van de tribune van de strekking stabiel wordt uit de Boegschroef in te schakelen.
    9. Stop het drijfgas aanbod.
    10. Stop de opname.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

In het experiment, we geen kwijting huidige (Id) onder controle en drijfgas massa stromen rate(m) magnetisch veld (Ba) toegepast. In werking, we meten van de waarde van geen kwijting spanning (Vd) en stuwkracht (T), van welke base kunnen we andere prestatie parameters als vermogen (P), specifieke stoot (Isp) en stuwkracht van efficiëntie (η)1.

Een typische signaal van geen kwijting spanning wordt getoond ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Dit protocol beschrijft de processen van ontsteking, bewerking en stuwkracht meting van een boegschroef 100 kW klasse toegepast veld MPD. Het belangrijkste punt in het ontwerpen van een MPD-boegschroef voor optimale prestaties is het kiezen van de juiste configuratie volgens de specifieke doelstelling. MPD thrusters met convergente-uiteenlopende anode kunnen functioneren steady-state in een groot werkbereik. De prestaties kan echter lager is dan de Boegschroef met uiteenlopende anode. De holle kathode, met name de multic...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Dit werk werd gesteund door de fundamentele Research Program (nr. JCKY2017601C). Wij waarderen het helpen van Thomas M. York, Professor-Emeritus aan de Universiteit van de staat van Ohio.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Cryogenic PumpsBrooks AutomationPomp snelheid: 10000L/s
VerplaatsingssensorPanasonicHG-C1030Herhalingsprecisie: 10μm
Lineariteit: ±0.1% F.S.
MassastromingsregelaarBrooks AutomationBereik: 0-120mg/s
Moleculair PompOerlikonPomp snelheid: 2100L/s
Verplaatsbaar PlatformBeijing Weina Guangke Automation equipment Co., Ltd.Bereik: 0-2000mm
Kunststof WaterleidingenXingye Xingye fluoroplastics (Jiaxing) Co., Ltd.Maximale druk: 4.5MPa
Propellant ArgonBeijing Huanyu Hinghui Gas Technology Co., Ltd.Zuiverheid: 99.999%
KoelkastenBeijing Jiuzhou Tongcheng Technology Co., Ltd.Koelvermogen: 45kW
WaterpompenLiaocheng vanguard Motor Co., Ltd.;
Shanghai people pump industry group Manufacturing Co., Ltd.;
Nanfang Pump Limited company		Maximale uitgangsdruk:
Centrifugaalpomp: 1MPa
Plungerpomp: 10MPa

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kodys, A., Choueiri, E. A Critical Review of the State-of-the-Art in the Performance of Applied-field Magnetoplasmadynamic Thrusters. AIAA/ASME/SAE /ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, , AIAA paper 2005-4247 (2005).
  2. Arakawa, Y., et al. Electromagnetic Effects in an Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster. Journal of Propulsion & Power. 8 (1), 98-102 (1992).
  3. Myers, R., Lapointe, M., Mantenieks, M. MPD thruster Technology. Conference on Advanced SEI Technologies, , AIAA paper 91-3568 (1991).
  4. Myers, R. Applied-field MPD thruster performance with hydrogen and argon propellants. Journal of Propulsion & Power. 9 (5), 781-784 (1993).
  5. Albertoni, R., Rossetti, P., Paganucci, F., Andrenucci, M. Experimental Study of a 100-kW class Applied-Field MPD Thruster. 32nd International Electric Propulsion Conference, , IEPC-2011-110 (2011).
  6. Lapointe, M., Strzempkowski, E., Pencil, E. High Power MPD Thruster Performance Measurements. AIAA paper 2004-3467, , (2004).
  7. Tahara, H., Kagaya, Y., Yoshikawa, T. Performance and Acceleration Process of Quasisteady Magnetoplasmadynamic Arcjets with Applied Magnetic Fields. Journal of Propulsion and Power. 13 (5), 651-658 (1997).
  8. Tahara, H., Kagaya, K., Yoshikawai, T. Effects of Applied Magnetic Fields on Performance of a Quasisteady Magnetoplasmadynamic Arc. Journal of Propulsion and Power. 11 (2), 337-342 (1995).
  9. Li, Z., et al. Increasing the Effective Voltage in Applied-Field MPD Thrusters. Journal of Physics D Applied Physics. 51, 085201(2018).
  10. Myers, R., Mantenieks, M., Sovey, J. Geometric Effects in Applied-field MPD Thrusters. 21st International Electric Propulsion Conference, , AIAA paper 1990-2669 (1990).
  11. Myers, R. Geometric Scaling of Applied-Field Magnetoplasmadynamic Thrusters. Journal of Propulsion and Power. 11 (2), 343-350 (1995).
  12. Mikelides, P. Applied-Field Magnetoplasmadynamic Thrusters, Part 2: Analytic Expressions for Thrust and Voltage. Journal of Propulsion and Power. 16 (5), 894-901 (2000).
  13. Nakata, D., et al. Experimental Study for the Optimal Electrode Geometry in an MPD Thruster. 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Aerospace Sciences Meetings. Nevada), , AIAA 2007-2589 (2007).
  14. Kurtz, H., Auweter-Kurtz, M., Merke, W., Schrade, H. Experimental MPD thruster investigations. 19th International Electric Propulsion Conference. AIAA paper 87-1019, , AIAA paper 87-1019 (1987).
  15. Blackstock, A. W., et al. Experiments Using a 25-kW Hollow Cathode Lithium Vapor MPD Arcjet. AIAA Journal. 8 (5), 886-894 (1970).
  16. Krulle, G. Characteristics and local analysis of MPD thruster operation. AIAA Electric Propulsion and Plasmadynamics Conference. AIAA paper, , AIAA paper 1967-672 (1967).
  17. Malliaris, A. C., Libby, D. R. Velocities of Neutral and Ionic Species in a MPD Flow. In AIAA 7th Aerospace Sciences Meeting, , AIAA paper 1969-1109 (1969).
  18. Wang, B., et al. Target thrust measurement for applied-field magnetoplasmadynamic thruster. Measurement Science & Technology. 29, 075302(2018).
  19. Tikhonov, V. B., Semenikhin, S. A., Brophy, J. R., Polk, J. E. The Experimental Performance of the 100-kW Li MPDT with External Magnetic. , IEPC-95-105 (1995).
  20. Burkhart, J. A., et al. Low environmental pressure MPD arc tests. , AIAA paper 67-685 (1967).
  21. Boxberger, A., Jüstel, P., Herdrich, G. Performance of 100 kW Steady State Applied-Field MPD Thruster. Int. Symp. on Space Technology and Science, Matsuyama, Japan, , (2017).
  22. Malliaris, A. C., et al. Performance of Quasi-Steady MPD Thrusters at High Powers. AIAA Journal. 10 (2), 121-122 (1972).
  23. Knudsen, B. M. The Kinetic Theory of Gases (London:Methuen). , 26-27 (1950).
  24. Auweter-Kurtz, M., Krulle, G., Kurtz, H. The Investigation of Applied-Field MPD Thrusters on the International Space Station. 25th Electric Propulsion Conference, , IEPC-97-116 (1997).
  25. Connolly, D., Sovie, R. Effect of background pressure on magnetoplasmadynamic thruster operation. Journal of Spacecraft and Rockets. 7 (3), 255-258 (1970).
  26. Esker, D., Kroutil, J., Sedrick, A. Cathode Studies of a Radiation Cooled MPD Arc Thruster. , AIAA paper 1970-1083 (1970).
  27. Myers, R. Plume characteristics of MPD thrusters - A preliminary examination. 25th Joint Propulsion Conference, , AIAA paper 89-2832 (1989).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Ontwerp van MPD stuwstraalmotorwaterkoelingssysteemholle kathodecilindrische anodevacu mkamermagnetische spoelstuwkrachtmetingdrijfgasstroomontladingsstroom

Gerelateerde artikelen