Een 100 KW klasse toegepast-veld Magnetoplasmadynamic boegschroef

Het doel van dit protocol is om het ontwerp van een 100 kilowatt klasse toegepaste veld magnetoplasmadynamic thruster en de relatieve geëxperimenteerde methode te introduceren. Magnetoplasmadynamic thruster, dat is MPD thruster, is een typische elektrische versneller. Het staat bekend om hoge specifieke impuls en een hoge thruster dichtheid, en wordt behandeld als primaire kandidaten voor onze belangrijkste voortstuwing in onze toekomstige high power ruimte missies.

In dit artikel introduceren we een ontwerp van een 100-kilowatt klasse toegepaste veld MPD thruster, de nodige experiment systemen om een relatieve thruster experiment te houden en de operatie stappen om dit experiment te voltooien. Thruster ontwerpen. De thruster bestaat voornamelijk uit anode, kathode en isolator.

De anode is gemaakt van koper met een cilinder divergerende mondstuk, waarvan de minimale binnendiameter 60 millimeter is. De kathode is gebouwd van tantaal wolfraam met negen drijfkanalen, waarvan de buitendiameter 16 millimeter is. Er is een holle kathode connector aan de linkerkant.

Het drijfgas stroomt door de centrale van de connector en bereikt de holle kathode. Er is een grote holte in de kathodebasis die verbinding maakt met negen cilindrische kanalen. De holte fungeert als buffer om de uniformiteit van de drijfgasverdeling in negen kanalen te vergroten.

De kathode is verbonden met de elektrische kabel met een ringkopig koperblok, dat rond de kathodeconnector is geïnstalleerd. Naast het hoofdlichaam van de thruster is externe magnetische spoel ook noodzakelijk voor de werking van MPD thruster. De spoel bestaat uit 288 bochten cirkel koperen buizen die fungeren als de doorgang voor zowel elektrische stroom en koelwater.

De binnendiameter van de spoel is 150 millimeter, terwijl de buitendiameter 500 millimeter is. De hoogste veldsterkte in de centrale is 0,25 telsa. Experiment systeem.

Het experimentsysteem biedt de nodige voorwaarden voor het experiment, dat voornamelijk zes subsystemen omvat. Ten eerste zorgt het vacuümsysteem voor de noodzakelijke vacuümomgeving voor de thruster. En de diameter van de kamer is drie meter, terwijl de lengte is twee meter.

De milieudruk kan onder 0,01 pascal blijven. Ten tweede, krachtbron systeem. Power source systeem bestaat uit ontstekingskrachtbron, stuwkrachtbron, spoel krachtbron en kabels.

De ontstekingskrachtbron kan zorgen voor een ontladingsspanning van acht kilovolt of 15 kilovolt. De stuwkrachtkrachtbron zorgt voor een gelijkstroom tot 1.000 ampère. De spoelkrachtbron zorgt voor een gelijkstroom tot 240 ampère.

Derde is drijfgasleveringssysteem, dat gasdrijfgas voor thrusters voedt. Dit systeem omvat voornamelijk gasbron, massastroomregelaar en gastoevoerleidingen. De vierde is het waterkoelingssysteem, dat hogedrukwater levert om de extra warmte van de stuwkracht, magnetische spoel en krachtbronnen te wisselen.

Dan is aanwinst en controlesysteem, dat de signalen van thruster verrichtingsvoorwaarden kan registreren en andere systemen controleren. De laatste is doel stuwkracht meting systeem, die kan worden gebruikt om de stuwkracht te meten. De doelstuwkrachtstandaard bestaat voornamelijk uit plaatdoel, slanke straal, verplaatsingssensor, steunframe, axiaal beweegbaar platform en radio beweegbaar platform.

Het plasma kan worden onderschept door het doel, en het doel zal worden geduwd door het plasma. De verplaatsing van het doel kan worden gemeten door de sensor achter het doel. Op deze manier kunnen we de stuwkracht evalueren.

Voorbereiding op het experiment. Installeer de stuwraketten. Veeg de onderdelen van de thruster af met alcohol in een schone ruimte.

Monteer de anode met de isolator. Breng de kathode, kathodehouder en kathodeconnector samen. Voeg het kathodegedeelte toe aan het anodegedeelte.

Installeer de middelste connector in assemblage en bevestig ze met schroeven. Stel de spoelstoel op het experimentplatform met heftruck. Plaats het experimentplatform op de geleiderail van de vacuümkamer.

Installeer de stuwkracht op de spoel. Koppel de anode en kathode met bijbehorende elektrische kabels. Koppel de magnetische spoel aan de spoelkrachtbron.

Sluit de waterkoelingsleidingen en de aandrijfleiding met stuwraketten aan. Sluit de waterkoelleidingen aan bij de spoel. Installeer het beweegbare platform in de kamer en bevestig het hoofdlichaam van de stuwkracht staan op.

Pas de positie van het beweegbare platform aan om de middellijn van de thruster en het doel met elkaar toe te laten staan. Dan werken we samen aan de stuwkrachtstandaard. Ten eerste, laad verschillende gewichten op het samenwerkingsapparaat en neem de bijbehorende output van de stuwkrachtstandaard op.

Herhaal het proces minstens drie keer. Vervolgens kunnen we de elastische coëfficiënt van de stuwkrachtstandaard berekenen op basis van de kalibratiegegevens. Stofzuig de vacuümkamer.

Doe de deur van de kamer dicht. Start de mechanische pompen. Start de moleculaire pompen wanneer de achtergronddruk in de kamer lager is dan vijf pascal.

Start de cryogene pompen wanneer de achtergronddruk in de kamer lager is dan 0,05 pascal. Wacht tot de druk te bereiken 10 tot de kracht van min vier pascal. Ontstekings- en stuwkrachtmetingsexperiment.

We moeten de stuwkracht voorverwarmen als de stuwkracht aan de lucht is blootgesteld. Begin met het opnemen van het signaal. Stel de drijfgasmassastroom op 40 milligram en blijf minstens 20 minuten leveren.

Schakel het koelwater in. Stel de werkfrequentie van anode- en kathodewaterkoelpompen in op 10 hertz. Verplaats de stuwkracht in de positie ver van de thruster.

Schakel de spoelkrachtbron in met de spoelstroom van 90 ampère. Schakel de stuwkrachtbron in met de ontladingsstroom van 240 ampère. Schakel de ontstekingskrachtbron in.

Houd de stuwkracht minstens vijf minuten aan het werk. Schakel de stuwkrachtbron en het drijfgas leveren. Stop met hercoderen.

Na de voorverwarming kunnen we de stuwkrachtmeting uitvoeren. Verplaats de stuwkrachtstandaard naar de stand van 550 millimeter van de stuwraketten. Begin met het opnemen van het signaal.

Start de drijfgaslevering. Ontsteek de stuwkracht met 90 ampère spoelstroom en 240 ampère afvoerstroom. Verhoog de spoelstroom tot 90 ampère.

Verhoog vervolgens de afvoerstroom tot 800 ampère. Verhoog vervolgens de spoelstroom tot 230 ampère. Schakel de thruster uit wanneer de output van de stuwkrachtstandaard stabiel wordt.

Stop het drijfgas leveren. Stop met hercoderen. Representatieve resultaten.

In de experimenten controleren we de ontladingsstroom, de massastroom en het toegepaste magnetisch veld. Vervolgens meten we de waarde van ontladingsspanning en stuwkracht op basis waarvan we andere prestatieparameter zoals vermogen, specifieke impuls en stuwkrachtefficiëntie kunnen krijgen. In deze figuur wordt een typisch signaal van ontladingsspanning weergegeven.

Na het inschakelen van de krachtbron wordt op de stuwkracht een hoogspanning gebruikt om het neutrale drijfgas af te breken. Na de ontsteking, de spanning trends tot een constante waarde en in principe blijft constant. Dan kunnen we zeggen dat de ontsteking succesvol is.

In deze figuur wordt een typisch resultaat van stuwkrachtmeting weergegeven. We beginnen met het opnemen van het signaal van de thruster stand voor de drijfgas leveren, die wordt behandeld als een nul stuwkracht punt. Er zal een lichte stuwkracht na het leveren van het drijfgas.

Na de ontsteking zal er een grote oscillatie zijn. Dan is de stuwkracht heeft de neiging om een constante waarde. Er zal een nul drift als gevolg van de thermische vervorming van het doel, waarvan de waarde is 50 millinewton.

De fout veroorzaakt door de drift is niet meer dan 1%Het cijfer toont de ontladingskenmerken tijdens een half uur blijven werken. We confunden dat de thruster trends om de steady state snel na de ontsteking, en de spanning is zeer stabiel tijdens deze periode. Deze figuur toont de verschijningsveranderingen van tantaal wolfraam holle kathode voor en na experimenten.

De totale experimenttijd is meer dan 10 uur. We kunnen lichte erosie gelijkmatig verdelen op het buitenoppervlak van de kathode, wat betekent dat de thruster het potentieel heeft om veel langer dan 10 uur te werken. Na de verdere werktest onderzochten we de prestaties van de thruster in het vermogensbereik van 50 tot 100 kilowatt.

De beste prestaties worden verkregen op 99,5 kilowatt, terwijl de stuwkracht is 3, 052 millinewton. Specifieke impuls is 4, 359 seconden, en stuwkracht efficiëntie is 67%Het is opmerkelijk dat wanneer de thruster de beste prestaties bereikt, de achtergronddruk is 0,2 pascal. Gemeten prestaties kunnen hoger zijn dan de werkelijke waarde als gevolg van de invloed van hoge druk.

De tester is gemaakt van tantaal wolfraam en het toont de weerstand van de werking. Het gas vermogen is 100 kilowatt met een stuwkracht van 3, 050 millinewton, de specifieke impuls van 4, 300 seconden, en de efficiëntie van 67%