Celem tego protokołu jest wprowadzenie projektu magnetoplazmadynamicznego pędnika o mocy 100 kW i odpowiednich metod eksperymentalnych.
Artykuł metodologiczny
Celem tego protokołu jest wprowadzenie projektu magnetoplazmadynamicznego pędnika o mocy 100 kW i odpowiednich metod eksperymentalnych.
Magnetoplazmadynamiczne silniki pola stosowanego (AF-MPD) są hybrydowymi akceleratorami, w których procesy elektromagnetyczne i gazowe przyspieszają plazmę do dużej prędkości; mają one znaczny potencjał dla przyszłych zastosowań kosmicznych ze znaczącymi zaletami wysokiej gęstości impulsu właściwego i ciągu. W artykule przedstawiono szereg protokołów projektowania i produkcji steru strumieniowego AF-MPD klasy 100 kW z konstrukcją wodno-chłodzącą, maksymalnym napięciem rozładowania 130 V, maksymalnym prądem rozładowania 800 A i maksymalnym natężeniem pola magnetycznego 0,25 T. Wydrążona katoda tantalowo-wolframowa działa jako jedyny wlot materiału pędnego, który hamuje wyładowanie promieniowe i jest umieszczona osiowo z tyłu anody w celu zmniejszenia głodu anody. Cylindryczna rozbieżna anoda miedziana jest stosowana w celu zmniejszenia osadzania mocy anody, gdzie długość została zmniejszona w celu zmniejszenia obszaru łączenia ściana-plazma. W eksperymentach wykorzystano system próżniowy, który może osiągnąć próżnię roboczą na poziomie 0,01 Pa przy całkowitym natężeniu przepływu masy paliwa niższym niż 40 mg/s i docelowym stojaku ciągu. Testy sterów strumieniowych zostały przeprowadzone w celu zmierzenia wpływu parametrów pracy, takich jak natężenie przepływu materiału pędnego, prąd wyładowczy i natężenie przyłożonego pola magnetycznego na osiągi oraz w celu umożliwienia odpowiedniej analizy. Ster strumieniowy mógł pracować w sposób ciągły przez znaczny okres czasu z niewielką erozją na pustej powierzchni katody. Maksymalna moc steru strumieniowego wynosi 100 kW, a osiągi tej konfiguracji chłodzonej wodą są porównywalne z osiągami sterów strumieniowych opisywanych w literaturze.
Silniki strumieniowe MPD są dobrze znane ze stosunkowo wysokiej gęstości ciągu i wysokiego impulsu właściwego1,2,3. Jednak typowa wydajność ciągu1 pędników MPD jest stosunkowo niska, szczególnie w przypadku materiałów pędnych gazów szlachetnych4,5,6. W przypadku większości sterów strumieniowych MPD część strumienia paliwa jest wtryskiwana do komory wylotowej ze szczeliny między anodą a katodą7,8 , w wyniku czego składowa promieniowa stanowi znaczną część całkowitego wyładowania. Jednak, aby wytworzyć ciąg, promieniowe efekty kinetyczne muszą zostać przekształcone w osiowy ruch kinetyczny za pomocą dyszy fizycznej lub dyszy magnetycznej. W związku z tym kluczową cechą nowego steru strumieniowego MPD jest to, że cały materiał pędny jest dostarczany przez katodę, która może hamować wyładowanie promieniowe; W ten sposób można zwiększyć udział energii osiowej. Dodatkowym efektem jest to, że parametr Halla w plazmie wokół anody może być zwiększony przez zmniejszenie gęstości liczbowej wokół anody, co może wzmocnić komponent przyspieszenia Halla9. Ponieważ materiał pędny znajduje się blisko wewnętrznej powierzchni katody, gdzie w tym trybie wtrysku emitowane są duże ilości początkowych elektronów, szybkość jonizacji paliwa może być znacznie zwiększona. Ponadto długość anody została zminimalizowana, aby zmniejszyć obszar połączenia ściana-plazma i zmniejszyć depozycję mocy anody10,11. Zastosowanie anody rozbieżnej spowoduje zmniejszenie kąta między anodą a liniami pola magnetycznego oraz dalsze zmniejszenie depozycji mocy anody12,13.
Pomimo wymienionych powyżej zalet poprawy wydajności, pełne dostarczanie paliwa przez wtrysk katody może zwiększyć ryzyko głodu anody, co może skutkować zjawiskiem "początku"14. Aby zahamować to zachowanie, cofnęliśmy katodę z powrotem do podstawy anody. Elektrony mogą następnie wystarczająco dyfundować w kierunku promieniowym przed opuszczeniem wyjścia z anody, co będzie działać w celu zmniejszenia głodu anody. Ponadto przyjmowana jest wielokanałowa pusta katoda; W porównaniu z jednokanałową katodą pustą, wielokanałowa katoda pusta może zwiększyć obszar emisji elektronów i sprawić, że dystrybucja paliwa będzie bardziej równomierna. Dzięki tej modyfikacji można zwiększyć zarówno żywotność, jak i stabilność steru strumieniowego15,16,17.
Projektowana moc steru strumieniowego wynosi 100 kW, a przy pracy w stanie ustalonym konieczna jest konstrukcja chłodząca. W prezentowanych eksperymentach laboratoryjnych zastosowano wydajną strukturę chłodzącą wodę. Jednak, aby ocenić wydajność konstrukcji steru strumieniowego MPD, kluczowe znaczenie ma uzyskanie ciągu. Przy zastosowaniu wysokociśnieniowego systemu wodnego do przenoszenia ciepła, podczas pracy takiego chłodzenia wystąpią silne wibracje, które mogą powodować znaczne zakłócenia, jeśli zastosujemy tradycyjne pomiary ciągu. W związku z tym do pomiaru ciągu stosuje się stojak na ciąg docelowy.
Ster strumieniowy MPD
Jak pokazano w Rysunek 1, ster strumieniowy MPD składa się z anody, katody i izolatora. Anoda wykonana jest z miedzi z cylindryczną dyszą rozbieżną, której minimalna średnica wewnętrzna wynosi 60 mm. Wokół wewnętrznej ścianki anody znajduje się kanał chłodzący w kształcie litery S. Wlot i wylot kanału znajdują się na górze anody, które są oddzielone przegrodą. Smukły blok miedziany służy do połączenia anody i elektrycznego. Złącze znajduje się na zewnętrznej powierzchni anody.
Materiałem katodowym jest tantalowo-wolframowy, z dziewięcioma kanałami propelentu. Średnica zewnętrzna katody wynosi 16 mm. Chłodzenie katody odbywa się za pomocą uchwytu chłodzącego wodę wokół podstawy katody. Wewnątrz uchwytu znajduje się kanał w kształcie pierścienia. Zimna woda jest wtryskiwana do uchwytu od dołu i wypływa od góry. Po lewej stronie katody znajduje się puste złącze katody. Paliwo przepływa przez środek złącza i wpada do pustej komory katody; Wewnątrz podstawy katody znajduje się duża wnęka łącząca się z dziewięcioma wąskimi cylindrycznymi kanałami. Wnęka działa jak bufor zwiększający równomierność dystrybucji paliwa w dziewięciu kanałach. Katoda jest połączona z elektrycznym za pomocą pierścieniowego bloku miedzianego, który jest zainstalowany wokół złącza katody.
Oprócz głównego korpusu steru strumieniowego, zewnętrzna cewka magnetyczna jest również niezbędna do generowania pól dla mechanizmów w sterze AF-MPD; pola magnetyczne dostarczają zbieżne i rozbieżne pole magnetyczne, które przyspiesza plazmę wraz z polem elektrycznym. Cewka polowa składa się z 288 zwojów okrągłych rur miedzianych, które działają jako przejście zarówno dla prądu elektrycznego, jak i wody chłodzącej. Średnica wewnętrzna cewki wynosi 150 mm, natomiast średnica zewnętrzna 500 mm. Największe natężenie pola w centrum wynosi 0,25 T przy natężeniu prądu 230 A.
System eksperymentalny
System eksperymentalny składa się z sześciu podsystemów. Schemat ideowy ogólnego układu systemu eksperymentalnego jest pokazany na Rysunek 2; Układ steru strumieniowego wewnątrz komory próżniowej jest pokazany na Rysunek 3.
Po pierwsze, system próżniowy, który zapewnia niezbędne środowisko próżniowe do działania steru strumieniowego, składa się z jednej komory próżniowej, dwóch pomp mechanicznych, jednej pompy molekularnej i czterech pomp kriogenicznych. Średnica komory wynosi 3 m, a długość 5 m. Ciśnienie otoczenia może być utrzymywane poniżej 0,01 Pa, gdy natężenie przepływu propelentu (argonu) nie przekracza 40 mg/s.
Po drugie, ten system źródłowy dostarcza impuls wysokiego napięcia do zapłonu pędnika, dostarcza moc dla silnika do przyspieszenia plazmy, oraz dostarcza moc dla cewki pola magnetycznego, aby utrzymać zewnętrzne pole magnetyczne. Układ źródła zasilania składa się ze źródła zasilania zapłonu, źródła zasilania steru strumieniowego, źródła zasilania cewki i. Źródło zasilania zapłonu może zapewnić napięcie rozładowania 8 kV lub 15 kV. Źródło zasilania steru strumieniowego zapewnia prąd stały do 1000 A. Źródło zasilania cewki zapewnia prąd stały do 240 A.
Po trzecie, system dostarczania paliwa dostarcza gaz pędny do sterów strumieniowych. System obejmuje głównie źródło gazu, regulator masowego natężenia przepływu oraz rurociągi doprowadzające gaz.
Czwartym podsystemem jest system chłodzenia wodnego, który dostarcza chłodną wodę pod wysokim ciśnieniem do wymiany ciepła steru strumieniowego, cewki magnetycznej i źródeł zasilania. Jak pokazano na Rysunek 4, system składa się z grupy pomp, zbiornika na wodę, lodówki, rurociągów doprowadzających wodę i sterowników pomp. Nieprzewodzące rury wewnątrz komory próżniowej zapewniają końcówkę wody chłodzącej dla steru strumieniowego i cewki magnetycznej oraz zapewniają izolację elektryczną między anodą, katodą i ziemią.
System akwizycji i kontroli może rejestrować sygnały, mierząc warunki pracy steru strumieniowego i sterować pracą innych systemów. Składa się z trzech komputerów i odpowiedniego oprogramowania, karty akwizycji danych i.
Jak pokazano na Rysunek 5, docelowy stojak oporowy składa się z tarczy płytowej, smukłej belki, czujnika przemieszczenia, ramy nośnej, ruchomej platformy osiowej i ruchomej platformy promieniowej. Cel może przechwycić plazmę, która popycha cel. Przemieszczenie celu może być mierzone przez czujnik umieszczony za celem, umożliwiając w ten sposób ocenę ciągu18.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie do eksperymentu
2. Eksperyment z pomiarem zapłonu i ciągu
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W eksperymencie kontrolujemy prąd rozładowania (Id), masowe natężenie przepływu paliwa (m) i przyłożone pole magnetyczne (Ba). Podczas pracy mierzymy wartość napięcia wyładowczego (Vd) i ciągu (T), z których to baz możemy uzyskać inne parametry wydajności, takie jak moc (P), impuls właściwy (Isp) i wydajność ciągu (η)1.
Typowy sygnał napięcia rozładowania jest pokazany w Rysunek 6
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół ten opisuje procesy zapłonu, działania i pomiaru ciągu pędnika MPD klasy 100 kW. Kluczowym punktem przy projektowaniu steru strumieniowego MPD w celu uzyskania optymalnej wydajności jest wybór odpowiedniej konfiguracji zgodnie z konkretnym celem. Silniki MPD z anodą zbieżno-rozbieżną mogą pracować w stanie ustalonym w dużym zakresie pracy. Jednak wydajność może być niższa niż w przypadku steru strumieniowego z rozbieżną anodą. Pusta katoda, zwłaszcza wielokanałowa katoda pusta, jest lepsza od tradycyjnej katody ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca była wspierana przez Program Badań Podstawowych (No. JCKY2017601C). Dziękujemy za pomoc Thomasa M. Yorka, emerytowanego profesora Uniwersytetu Stanowego Ohio.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Pompy kriogeniczne | Brooks Automation | Prędkość pompowania: 10000L/s | |
| Czujnik przemieszczenia | Panasonic | HG-C1030 | Precyzja powtarzalności: 10μ m Liniowość: ± 0,1% pełnej skali |
| Regulator masowego natężenia przepływu Brooks | Automation | Zakres: 0-120 mg / s | |
| Pompa molekularna | Oerlikon | Prędkość pompowania: 2100 l / s | |
| Ruchoma forma instalacji | Pekin Weina Guangke Sprzęt automatyki Co., Ltd. | Zakres: 0-2000 mm | |
| Plsatic Water Pipes | Xingye Xingye fluoroplastics (Jiaxing) Co., Ltd. | Ciśnienie końcowe: 4,5 MPa | |
| Gaz pędny Argon | Beijing Huanyu Hinghui Gas Technology Co., Ltd. | Czystość: 99,999% | |
| Lodówka | Pekin Jiuzhou Tongcheng Technology Co., Ltd. | Moc chłodnicza: 45 kW | |
| Pompy wodne | Liaocheng vanguard Motor Co., Ltd.; Grupa przemysłu pomp ludowych w Szanghaju Manufacturing Co., Ltd.; Nanfang Pump Limited firma | Maksymalne ciśnienie wyjściowe: Pompa odśrodkowa: 1 MPa Pompa nurnikowa: 10 MPa |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie