Um propulsor Magnetoplasmadynamic aplicada-campo de 100 KW classe
December 22nd, 2018
O objetivo do presente protocolo é introduzir o design de um 100 kW classe campo aplicado magnetoplasmadynamic propulsor e métodos experimentais relevantes.
O objetivo deste protocolo é introduzir o design de um propulsor magnetoplasmadômico de campo aplicado de 100 quilowatts e o método relativo experimentado. O propulsor magnetoplasmadynâmico, que é o propulsor MPD, é um acelerador elétrico típico. É bem conhecido por alto impulso específico e alta densidade de propulsores, e é tratado como candidato principal para nossa propulsão principal em nossas futuras missões espaciais de alta potência.
Neste artigo, introduziremos um projeto de um propulsor MPD de campo aplicado de 100 quilowatts, os sistemas de experimento necessários para realizar um experimento relativo de propulsores e as etapas de operação para terminar este experimento. Projetando propulsores. O propulsor consiste principalmente de ânodo, cátodo e isolador.
O ânodo é feito de cobre com um bocal divergente de cilindro, o diâmetro interno mínimo é de 60 milímetros. O cátodo é construído de tungstênio tântalo com nove canais propulsores, do qual o diâmetro externo é de 16 milímetros. Há um conector de cátodo oco no lado esquerdo.
O propulsor flui através da central do conector e atinge o cátodo oco. Há uma grande cavidade dentro da base do cátodo conectando-se com nove canais cilíndricos. A cavidade atua como um tampão para aumentar a uniformidade da distribuição do propulsor em nove canais.
O cátodo é conectado ao cabo elétrico com um bloco de cobre anular, que é instalado ao redor do conector do cátodo. Além do corpo principal do propulsor, a bobina magnética externa também é necessária para o funcionamento do propulsor MPD. A bobina consiste em 288 tubos de cobre em círculo que atuam como a passagem tanto para corrente elétrica quanto para água de resfriamento.
O diâmetro interno da bobina é de 150 milímetros, enquanto o diâmetro externo é de 500 milímetros. A maior força de campo na central é de 0,25 telsa. Sistema de experiências.
O sistema de experimentos fornece condições necessárias para o experimento, que inclui principalmente seis subsistemas. Em primeiro lugar, o sistema de vácuo fornece o ambiente de vácuo necessário para o propulsor. E o diâmetro da câmara é de três metros, enquanto o comprimento é de dois metros.
A pressão ambiental pode manter-se abaixo de 0,01 pascal. Em segundo lugar, sistema de fonte de energia. O sistema de fonte de energia consiste em fonte de energia de ignição, fonte de energia do propulsor, fonte de energia da bobina e cabos.
A fonte de energia de ignição pode fornecer oito quilovolt ou 15 quilovolt tensão de descarga. A fonte de energia do propulsor fornece uma corrente direta de até 1.000 ampere. A fonte de energia da bobina fornece uma corrente direta de até 240 ampere.
O terceiro é o sistema de alimentação de propelente, que alimenta o propulsor a gás para propulsores. Este sistema inclui principalmente a fonte de gás, o controlador de taxa de fluxo de massa e os gasodutos de abastecimento de gás. O quarto é o sistema de resfriamento de água, que fornece água de alta pressão para trocar o calor extra do propulsor, bobina magnética e fontes de energia.
Em seguida, está o sistema de aquisição e controle, que pode registrar os sinais das condições de operação do propulsor e controlar outros sistemas. O último é o sistema de medição de impulso de alvo, que pode ser usado para medir o impulso. O suporte de impulso de destino consiste principalmente de alvo de placa, feixe esbelto, sensor de deslocamento, estrutura de suporte, plataforma móvel axial e plataforma móvel de rádio.
O plasma pode ser interceptado pelo alvo, e o alvo será empurrado pelo plasma. O deslocamento do alvo pode ser medido pelo sensor colocado atrás do alvo. Desta forma, podemos avaliar o impulso.
Preparação para a experiência. Instale o propulsor. Limpe os componentes do propulsor com álcool em uma sala limpa.
Monte o ânodo com o isolador. Ressira o cátodo, o suporte do cátodo e o conector do cátodo. Adicione a parte do cátodo à parte do ânodo.
Instale o conector do meio em conjunto e fixe-os com parafusos. Estabeleça o assento da bobina na plataforma de experimento com empilhadeira. Coloque a plataforma de experimento no trilho-guia da câmara de vácuo.
Instale o propulsor na bobina. Ligue o ânodo e o cátodo com os cabos elétricos correspondentes. Ligue a bobina magnética com a fonte de energia da bobina.
Junte os tubos de resfriamento da água e o tubo de alimentação do propulsor com o propulsor. Junte os tubos de resfriamento da água com a bobina. Instale a plataforma móvel dentro da câmara e fixe o corpo principal do suporte de impulso sobre ela.
Ajuste a posição da plataforma móvel para fazer com que a linha central do propulsor e o alvo ceda entre si. Então nós colaboramos no suporte de impulso. Em primeiro lugar, carregue diferentes pesos no dispositivo de colaboração e regise a saída correspondente do suporte de impulso.
Repita o processo por pelo menos três vezes. Então podemos calcular o coeficiente elástico do suporte de impulso de acordo com os dados de calibração. Aspire a câmara de vácuo.
Feche a porta da câmara. Ligue as bombas mecânicas. Inicie as bombas moleculares quando a pressão de fundo na câmara for menor que cinco pascal.
Inicie as bombas criogênicas quando a pressão de fundo na câmara for inferior a 0,05 pascal. Aguarde que a pressão chegue a 10 ao poder de menos quatro pascal. Experimento de medição de ignição e impulso.
Precisamos pré-aqueça o propulsor se o propulsor foi exposto ao ar. Comece a gravar o sinal. Coloque a taxa de fluxo de massa do propulsor em 40 miligramas e continue fornecendo por pelo menos 20 minutos.
Ligue o abastecimento de água de resfriamento. Coloque a frequência de trabalho das bombas de resfriamento de ânodo e água do cátodo em 10 hertz. Mova a posição de impulso para a posição longe do propulsor.
Ligue a fonte de alimentação da bobina com a corrente da bobina de 90 ampere. Ligue a fonte de energia do propulsor com a corrente de descarga de 240 ampere. Ligue a fonte de energia de ignição.
Mantenha o propulsor funcionando por pelo menos cinco minutos. Desligue a fonte de energia do propulsor e o fornecimento do propulsor. Pare a recodificação.
Depois do pré-aquecimento, podemos realizar a medição de impulso. Mova o suporte de impulso para a posição a 550 milímetros do propulsor. Comece a gravar o sinal.
Inicie o fornecimento do propulsor. Acipule o propulsor com corrente de bobina de 90 ampere e corrente de descarga de 240 ampere. Aumente a corrente da bobina para 90 ampere.
Posteriormente, aumente a corrente de descarga para 800 ampere. Em seguida, aumente a corrente da bobina para 230 ampere. Desligue o propulsor quando a saída do suporte de impulso ficar estável.
Pare o fornecimento do propulsor. Pare a recodificação. Resultados representativos.
Nos experimentos, controlamos a corrente de descarga, a taxa de fluxo de massa do propulsor e o campo magnético aplicado. Em seguida, medimos o valor da tensão de descarga e impulso com base no qual podemos obter outros parâmetros de desempenho, como potência, impulso específico e eficiência de impulso. Um sinal típico de tensão de descarga é mostrado nesta figura.
Depois de ligar a fonte de energia, uma alta tensão será empregada no propulsor para quebrar o propulsor neutro. Após a ignição, a tensão muda para um valor constante e basicamente se mantém constante. Então podemos dizer que a ignição é bem sucedida.
Um resultado típico de medição de impulso é mostrado nesta figura. Começamos a gravar o sinal do suporte do propulsor antes do fornecimento do propulsor, que é tratado como um ponto de impulso zero. Haverá um leve impulso depois de fornecer o propulsor.
Após a ignição, haverá uma grande oscilação. Em seguida, o impulso tende a um valor constante. Haverá uma deriva zero devido à deformação térmica do alvo, o valor é de 50 mililitros.
O erro causado pela deriva não é superior a 1%O número mostra as características de descarga durante meia hora de trabalho. Nós concordamos que as tendências do propulsor para estado estável rapidamente após a ignição, e a tensão é muito estável durante este período. Esta figura mostra as mudanças de aparência do cátodo oco tungstênio tungstânulo antes e depois dos experimentos.
O tempo total do experimento é de mais de 10 horas. Podemos encontrar uma pequena erosão distribuindo uniformemente na superfície externa do cátodo, o que significa que o propulsor tem potencial para trabalhar por um tempo muito maior do que 10 horas. Após o teste de trabalho continuado, exploramos o desempenho do propulsor na faixa de potência de 50 a 100 kilowatts.
O melhor desempenho é obtido em 99,5 kilowatts, enquanto o impulso é de 3.052 mililitros. Impulso específico é de 4.359 segundos, e eficiência de impulso é de 67% Vale ressaltar que quando o propulsor atinge o melhor desempenho, a pressão de fundo é de 0,2 pascal. O desempenho medido pode ser maior do que o valor real devido à influência da alta pressão.
O testador é feito de tungstênio tungstênio tântalo e mostra a resistência da operação. A potência do gás é de 100 quilowatts com um impulso de 3.050 mililitros, o impulso específico de 4.300 segundos, e a eficiência de 67%
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Visão Geral
Este artigo apresenta o design de um propulsor magnetoplasmadinâmico (MPD) de classe 100-quilowatt aplicado e os métodos experimentais relevantes. Os propulsores MPD são reconhecidos por seu alto impulso específico e densidade, tornando-os adequados para futuras missões espaciais de alta potência.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Engenharia Aeroespacial
- Sistemas de Propulsão
- Propulsão Elétrica
Fundo
- Os propulsores magnetoplasmadinâmicos são aceleradores elétricos.
- Eles são conhecidos por sua eficiência na propulsão espacial.
- Alto impulso específico é crucial para missões de longa duração.
- Projetar propulsores eficazes é essencial para o avanço da exploração espacial.
Objetivo do Estudo
- Apresentar um design para um propulsor MPD de classe 100-quilowatt.
- Delinear os sistemas experimentais necessários para testar o propulsor.
- Descrever os passos operacionais para conduzir os experimentos.
Métodos Utilizados
- Projetando os componentes do propulsor, incluindo ânodo, cátodo e isolador.
- Configurando sistemas experimentais para testar o propulsor.
- Conduzindo experimentos para avaliar o desempenho do propulsor.
- Analisando os resultados para refinar o design e a operação.
Principais Resultados
- O design do propulsor foi desenvolvido com sucesso.
- Configurações experimentais foram estabelecidas para testar o propulsor.
- Testes iniciais demonstraram o potencial do propulsor para alta eficiência.
- Os resultados indicam aplicações promissoras para futuras missões espaciais.
Conclusões
- O propulsor MPD de classe 100-quilowatt mostra promessa significativa.
- Mais experimentos melhorarão a compreensão e o desempenho.
- Esta pesquisa contribui para avanços na tecnologia de propulsão elétrica.
Perguntas Frequentes
Executive Industry Relevance
This protocol details the design and testing of a 100 kW class applied-field magnetoplasmadynamic thruster, a high-power electric propulsion system with potential for long-duration space missions. The work supports early-stage validation of propulsion concepts that could enable future deep-space exploration by providing high specific impulse and thrust density. Such systems are relevant to aerospace R&D pipelines focused on advancing electric propulsion technologies for mission-critical applications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of energy conversion efficiency in plasma acceleration systems under controlled vacuum and power conditions.
- Operational Value: Provides a reproducible testbed for evaluating thruster performance across discharge current, propellant flow, and magnetic field strength.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates standardized measurement of thrust, discharge voltage, and specific impulse as quantitative outputs for performance screening.
- Operational Value: Supports assay-like readiness through calibrated thrust stand and vacuum environment for consistent experimental conditions.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates operational stability over extended run times (>10 hours) with minimal cathode erosion, indicating durability for mission-relevant duty cycles.
- Operational Value: Enables risk-adjusted assessment of thruster readiness for integration into spacecraft propulsion systems through performance mapping across 50–100 kW power range.
Pipeline & Workflow Integration
This work positions the thruster design and test protocol within the early discovery to preclinical validation continuum of electric propulsion development, supporting hypothesis testing, performance screening, and translational risk de-risking.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on plasma acceleration mechanisms by isolating variables such as discharge current and applied magnetic field.
- Screening: Enables assay readiness through standardized thrust measurement and vacuum conditions for reproducible performance evaluation.
- Analytics: Provides quantitative readouts including thrust (3,052 mN), specific impulse (4,359 s), and efficiency (67%) to compare operational conditions.
- Translational Research: Connects early testing to preclinical advancement by demonstrating continuous operation and performance stability relevant to mission profiles.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable experimental framework for evaluating high-power electric thrusters across design iterations and propellant types.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in thruster performance through measurement of steady-state thrust and voltage stability after ignition.
- Operational Value: Standardization via water-cooled components, vacuum compatibility, and calibrated thrust stand for repeatable testing.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions on thruster scaling by defining performance thresholds at 99.5 kW operation.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of electric propulsion concepts based on demonstrated efficiency and erosion resistance.
Implementation Considerations
- Required expertise in high-voltage power systems, vacuum technology, and plasma diagnostics.
- Instrumentation needs include vacuum chambers (achieving 0.01 Pa), power supplies (up to 1,000 A discharge, 240 A coil), and thrust measurement systems.
- Cross-team standardization requires alignment between propulsion, thermal management, and diagnostics teams for integrated testing.
- Adaptation considerations include modifying propellant channels, magnetic coil geometry, and cooling flow rates for different propellants or power levels.
- Practical limitations include background pressure influence on thrust measurement and thermal drift in target displacement sensors (up to 50 mN zero drift).
