Silnik magnetoplazmadynamiczny klasy 100 KW o mocy 100 KW

Celem tego protokołu jest wprowadzenie projektu magnetoplazmadynamicznego silnika o mocy 100 kilowatów i pola stosowanego oraz względnej metody eksperymentalnej. Ster strumieniowy magnetoplazmadynamiczny, czyli pędnik MPD, jest typowym akceleratorem elektrycznym. Jest dobrze znany z wysokiego impulsu właściwego i dużej gęstości silników i jest traktowany jako główni kandydaci na nasz główny napęd w naszych przyszłych misjach kosmicznych o dużej mocy.

W tym artykule przedstawimy projekt 100-kilowatowego steru strumieniowego MPD klasy pola stosowanego, niezbędne systemy eksperymentalne do przeprowadzenia eksperymentu z silnikiem względnym oraz kroki operacyjne do zakończenia tego eksperymentu. Projektowanie sterów strumieniowych. Ster strumieniowy składa się głównie z anody, katody i izolatora.

Anoda wykonana jest z miedzi z dyszą rozbieżną w kształcie cylindra, której minimalna średnica wewnętrzna wynosi 60 milimetrów. Katoda zbudowana jest z wolframu tantalowego z dziewięcioma kanałami pędnymi, których zewnętrzna średnica wynosi 16 milimetrów. Po lewej stronie znajduje się puste złącze katody.

Paliwo przepływa przez środek złącza i dociera do pustej katody. Wewnątrz podstawy katody znajduje się duża wnęka łącząca się z dziewięcioma 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 pracy steru strumieniowego MPD. Cewka składa się z miedzianych rur o średnicy 288 zwojów, które działają jako przejście zarówno dla prądu elektrycznego, jak i wody chłodzącej.

Średnica wewnętrzna cewki wynosi 150 milimetrów, podczas gdy średnica zewnętrzna wynosi 500 milimetrów. Najwyższe natężenie pola w centrum wynosi 0,25 telsa. System eksperymentów.

System eksperymentalny zapewnia niezbędne warunki dla eksperymentu, który obejmuje głównie sześć podsystemów. Po pierwsze, system próżniowy zapewnia niezbędne środowisko próżniowe dla steru strumieniowego. Średnica komory wynosi trzy metry, a długość dwa metry.

Ciśnienie otoczenia może utrzymywać się poniżej 0,01 paskala. Po drugie, system źródła zasilania. System źródła zasilania składa się ze źródła zasilania zapłonu, źródła zasilania steru strumieniowego, źródła zasilania cewki i.

Źródło zasilania zapłonu może zapewnić napięcie rozładowania o napięciu rozładowania o napięciu ośmiu kilowoltów lub 15 kilowoltów. Źródło zasilania steru strumieniowego zapewnia prąd stały o natężeniu do 1 000 amperów. Źródło zasilania cewki zapewnia prąd stały o natężeniu do 240 amperów.

Trzeci to system zasilania paliwem, który podaje gaz pędny do sterów strumieniowych. System ten obejmuje głównie źródło gazu, regulator masowego natężenia przepływu i rurociągi doprowadzające gaz. Czwarty to system chłodzenia wodą, który dostarcza wodę pod wysokim ciśnieniem w celu wymiany dodatkowego ciepła ze steru strumieniowego, cewki magnetycznej i źródeł zasilania.

Następnie jest system akwizycji i sterowania, który może rejestrować sygnały warunków pracy steru strumieniowego i sterować innymi systemami. Ostatnim z nich jest system pomiaru ciągu docelowego, który może być używany do pomiaru ciągu. Stojak ciągu docelowego składa się głównie z tarczy płytowej, smukłej belki, czujnika przemieszczenia, ramy nośnej, ruchomej platformy osiowej i ruchomej platformy radiowej.

Plazma może zostać przechwycona przez cel, a cel zostanie popchnięty przez plazmę. Przemieszczenie celu może być mierzone przez czujnik umieszczony za celem. W ten sposób możemy ocenić ciąg.

Przygotowanie do eksperymentu. Zainstaluj ster strumieniowy. Przetrzyj elementy steru strumieniowego alkoholem w czystym pomieszczeniu.

Zamontuj anodę z izolatorem. Połącz katodę, uchwyt katody i złącze katody. Dodaj część katodową do części anodowej.

Zamontuj środkowe złącze w zespole i przymocuj je. Ustaw gniazdo cewki na platformie eksperymentalnej za pomocą wózka widłowego. Umieść platformę doświadczalną na szynie prowadzącej komory próżniowej.

Zamontuj ster strumieniowy na cewce. Połącz anodę i katodę odpowiednimi elektrycznymi. Połącz cewkę magnetyczną ze źródłem zasilania cewki.

Połącz rury chłodzące wodę i rurę doprowadzającą paliwo ze sterem strumieniowym. Połącz rury chłodzące wodę z wężownicą. Zamontuj ruchomą platformę wewnątrz komory i zamocuj na niej główny korpus stojaka oporowego.

Dostosuj położenie ruchomej platformy, aby linia środkowa steru strumieniowego i celu zgadzały się ze sobą. Następnie współpracujemy ze stojakiem oporowym. Po pierwsze, załaduj różne ciężary na urządzenie współpracujące i zapisz odpowiednią moc wyjściową stojaka oporowego.

Powtórz ten proces co najmniej trzy razy. Następnie możemy obliczyć współczynnik sprężystości stojaka oporowego zgodnie z danymi kalibracyjnymi. Odkurzyć komorę próżniową.

Zamknij drzwi komory. Uruchom pompy mechaniczne. Uruchom pompy molekularne, gdy ciśnienie tła w komorze jest niższe niż pięć paskalów.

Pompy kriogeniczne należy uruchomić, gdy ciśnienie tła w komorze jest niższe niż 0,05 paskala. Poczekaj, aż ciśnienie osiągnie 10 do potęgi minus cztery paskale. Eksperyment z pomiarem zapłonu i ciągu.

Musimy wstępnie podgrzać ster strumieniowy, jeśli ster strumieniowy został wystawiony na działanie powietrza. Rozpocznij nagrywanie sygnału. Ustawić masowe natężenie przepływu propelentu na 40 miligramów i kontynuować dostarczanie przez co najmniej 20 minut.

Włączyć dopływ wody chłodzącej. Ustaw częstotliwość roboczą pomp chłodzenia wodą anodową i katodową na 10 Hz. Przesuń stojak oporowy do pozycji oddalonej od steru strumieniowego.

Włącz źródło zasilania cewki o prądzie cewki 90 amperów. Włączyć źródło zasilania steru strumieniowego prądem rozładowania 240 amperów. Włączyć źródło zasilania zapłonu.

Utrzymuj silnik w ruchu przez co najmniej pięć minut. Wyłączyć źródło zasilania steru strumieniowego i dopływ materiału pędnego. Zatrzymaj przekodowywanie.

Po wstępnym podgrzaniu możemy wykonać pomiar ciągu. Przesuń stojak oporowy do pozycji 550 milimetrów od steru strumieniowego. Rozpocznij nagrywanie sygnału.

Rozpocznij podawanie materiału pędnego. Zapal ster strumieniowy prądem cewki 90 A i prądem rozładowania 240 A. Zwiększ prąd cewki do 90 amperów.

Następnie zwiększ prąd rozładowania do 800 amperów. Następnie zwiększ prąd cewki do 230 amperów. Wyłącz ster strumieniowy, gdy moc wyjściowa stojaka oporowego ustabilizuje się.

Przerwać dopływ propelentu. Zatrzymaj przekodowywanie. Reprezentatywne wyniki.

W eksperymentach kontrolujemy prąd wyładowczy, masowe natężenie przepływu paliwa i przyłożone pole magnetyczne. Następnie mierzymy wartość napięcia rozładowania i ciągu, na podstawie których możemy uzyskać inne parametry wydajności, takie jak moc, impuls właściwy i wydajność ciągu. Typowy sygnał napięcia rozładowania pokazano na tym rysunku.

Po włączeniu źródła zasilania, na sterze strumieniowym zostanie zastosowane wysokie napięcie w celu rozbicia neutralnego materiału pędnego. Po zapłonie napięcie zmierza do stałej wartości i w zasadzie utrzymuje się na stałym poziomie. Wtedy możemy powiedzieć, że zapłon się powiódł.

Typowy wynik pomiaru ciągu pokazano na tym rysunku. Rozpoczynamy zapis sygnału stania steru strumieniowego przed podaniem materiału pędnego, co jest traktowane jako punkt ciągu zerowego. Po podaniu materiału pędnego pojawi się lekki ciąg.

Po zapłonie nastąpi duża oscylacja. Wtedy ciąg dąży do stałej wartości. Nastąpi dryft zerowy z powodu odkształcenia termicznego celu, którego wartość wynosi 50 miliniutonów.

Błąd spowodowany dryftem wynosi nie więcej niż 1%Rysunek przedstawia charakterystykę rozładowania podczas półgodzinnej pracy ciągłej. Uważamy, że silnik strumieniowy szybko przechodzi w stan ustalony po zapłonie, a napięcie jest w tym okresie bardzo stabilne. Rysunek ten przedstawia zmiany wyglądu tantalowo-wolframowej katody pustej przed i po eksperymentach.

Całkowity czas eksperymentu to ponad 10 godzin. Możemy znaleźć lekką erozję rozprowadzającą się równomiernie na zewnętrznej powierzchni katody, co oznacza, że ster strumieniowy może pracować przez znacznie dłuższy czas niż 10 godzin. Po teście pracy ciągłej zbadaliśmy osiągi steru strumieniowego w zakresie mocy od 50 do 100 kilowatów.

Najlepszą wydajność uzyskuje się przy 99,5 kilowata, a ciąg wynosi 3 052 miliniutonów. Impuls właściwy wynosi 4,359 sekundy, a wydajność ciągu 67%Warto zauważyć, że gdy ster strumieniowy osiąga najlepszą wydajność, ciśnienie tła wynosi 0,2 paskala. Zmierzona wydajność może być wyższa niż rzeczywista wartość ze względu na wpływ wysokiego ciśnienia.

Tester wykonany jest z wolframu tantalowego i wykazuje odporność na działanie. Moc gazu wynosi 100 kilowatów przy ciągu 3 050 miliniutonów, impulsie właściwym 4 300 sekund i sprawności 67%