Методическая статья

100 кВт класса применяется поле Magnetoplasmadynamic подруливающее устройство

DOI:

10.3791/58510

⸱

22 декабря 2018 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

Целью настоящего Протокола является представить дизайн 100 кВт применяется поле класса magnetoplasmadynamic подруливающим устройством и соответствующие экспериментальные методы.

Аннотация

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

Применяется поле magnetoplasmadynamic двигателей (AF-MPD подруливающие устройства), гибридные ускорителей в которых электромагнитные и динамических процессов газа ускорения плазмы высокой скорости; они имеют значительный потенциал для будущей космической с значительные преимущества высоким удельным импульсом и упорные плотности. В этой статье мы представляем серию протоколов для проектирования и изготовления 100 кВт класса AF-MPD подруливающим устройством с водяным охлаждением структур, 130 V максимальной разрядке напряжения, 800 A максимальный ток разряда и 0,25 Т максимальная прочность магнитного поля. Катод вольфрама полые тантал действует как только топлива входе подавляют радиальные разряда, и он позиционируется аксиально на задней части анода для того, чтобы облегчить голод анода. Цилиндрические расходящихся медь анода применяется снижение анодного питания осаждения, где длина был сокращен для уменьшения области смежные стены плазмы. Экспериментов используются вакуумные системы, которая может достичь рабочего вакуума 0,01 ПА для общего топлива массового потока скорость меньше, чем 40 мг/s и целевая направленность стенда. Подруливающее устройство испытания были проведены измерения влияния рабочих параметров, таких как расхода топлива, ток разряда и силе приложенного магнитного поля на производительность и предоставить соответствующий анализ. Подруливающее устройство может работать непрерывно на значительные периоды времени с небольшой эрозии на поверхности полого катода. Максимальная мощность двигателя составляет 100 кВт и производительность этой water-cooled сопоставимо с подруливающих устройств, о которых сообщалось в литературе.

Введение

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

MPD подруливающие устройства хорошо известны для тяги относительно высокой плотности и высокий удельный импульс1,2,3. Однако, эффективность типичный тяги1 MPD подруливающие устройства является относительно низким, особенно с вытеснителей благородных газов4,5,6. Для большинства MPD подруливающих устройств часть потока топлива впрыскивается в зале разряда из щели между анодом и катодом7,8 , в результате, что радиальная составляющая значительную долю общего сброса. Однако для получения тяги, радиальные Кинетические эффекты должны быть преобразованы в осевой кинетический движение с физической сопла или магнитное сопло. Соответственно ключевой особенностью нового дизайна MPD толкатель является, что все топливо поставляется через катод, который может действовать, чтобы препятствовать радиальные разряда; Таким образом доля осевой энергии может быть увеличена. Существует дополнительный эффект в том, что параметр Hall в плазме вокруг анода может быть увеличен путем уменьшение плотности вокруг анода, которые могут укрепить компонент ускорение Холл9. Так как топлива находится недалеко от внутренней поверхности катода, где большое количество первоначальных электронов создаются в этом режиме инъекции, уровень топлива ионизации можно значительно возросло. Кроме того для уменьшения области смежные стены плазмы и уменьшения анодного питания осаждения10,11был свернут длины анода. Как применяется расходящихся анода, это будет уменьшить угол между анодом и силовых линий магнитного поля и снижение анодного питания осаждения еще12,13.

Несмотря на преимущества, отмечалось выше для повышения производительности полный пороховых поставка электронно впрыска может увеличить риск анод голода, которое может привести к «начала» явления14. Для подавления этого поведения, мы убирается обратно к основанию анода катода. Электроны затем можно достаточно диффундируют в радиальном направлении перед отъездом из анодного выхода, который будет действовать для облегчения анод голода. Кроме того принимается многоканальное полых катода; по сравнению с полого катода один канал, многоканальное полых катода могут увеличить площадь электрона выбросах и сделать более равномерное распределение топлива. С этой модификации как жизни, так и стабильности подруливающим устройством может быть более15,16,17.

Разработан мощность двигателя составляет 100 кВт и охлаждения структура необходима стационарное состояние операции. В настоящее время лабораторных экспериментов работает эффективная структура водяного охлаждения. Однако чтобы оценить производительность MPD подруливающим устройством дизайн, имеет решающее значение для получения тяги. С применением системы высокого давления воды для передачи тепла будет сильной вибрации во время работы такого охлаждения, которая может создать значительные помехи, если мы использовали традиционные тяги измерений. Соответственно целевая направленность стенд используется для измерения тяги.

MPD подруливающее устройство

Как показано на рисунке 1, подруливающим устройством MPD состоит из анод, катод и изолятор. Анод изготовлен из меди с цилиндрической расходящиеся насадки, минимальный внутренний диаметр которых составляет 60 мм. Есть канал охлаждения S-образный вокруг внутренней стенки анода. На входе и выходе из канала находятся на вершине анода, разделенные перегородкой. Тонкие медные блок используется для подключения анода и электрическим кабелем. Развязка находится на внешней поверхности анода.

Материала катода — тантала вольфрама, с девятью пороховых каналами. Наружный диаметр катода составляет 16 мм. Охлаждение катода достигается с держателем водяного вокруг базы катода. Существует кольцевой канал внутри держателя. Холодная вода вводится в держатель вытекает из верхней и нижней. Есть разъем полого катода на левой стороне катода. Топливо протекает через центр соединителя и в камеру полого катода; Существует большой полости внутри катод базы соединения с девяти узкая цилиндрическая каналов. Полость действует как буфер для повышения равномерности распределения топлива в девяти каналов. Катод подключен к Электрический кабель с кольцевой меди блок, который устанавливается вокруг разъема катода.

В дополнение к основной части толкатель внешней магнитной катушки необходимо также создавать поля для механизмов в АФ-MPD подруливающим устройством; магнитные поля предоставляют сходящихся и расходящихся магнитного поля для ускорения плазмы вместе с электрического поля. Обмотка состоит из 288 витков круглые медные трубы, которые действуют как проход для обоих электрического текущего и охлаждения воды. Внутренний диаметр катушки то 150 мм, наружный диаметр – 500 мм. Высокая прочность поля в центре — 0,25 Т с током 230 а.

Эксперимента системы

Эксперимента система включает в себя шесть подсистем. Принципиальная схема общий макет экспериментальной системы показан на рис. 2; на рисунке 3приведена схема подруливающим устройством внутри вакуумной камеры.

Во-первых вакуумная система, которая обеспечивает вакуум условия, необходимые для операции подруливающим устройством, состоит из одной вакуумной камеры, два механических насосов, один молекулярный насос и четыре криогенных насосов. Диаметр камеры составляет 3 м, а длина-5 м. Давление окружающей среды может быть сохранен под 0,01 Па, когда скорость потока (аргона) является не более чем 40 мг/сек.

Во-вторых этот источник система обеспечивает высокого напряжения пульс разжечь толкатель, обеспечивает подачу питания на толкатель для ускорения плазмы и обеспечивает питание для магнитного поля катушки для поддержания внешнего магнитного поля. Системы источник питания состоит из зажигания источник питания, источник питания подруливающее устройство, источник питания катушки и кабели. Источник питания зажигания может обеспечить 8 кв или напряжение разряда 15 кв. Источник питания подруливающее устройство обеспечивает постоянного тока до 1000 а. Источник питания катушка обеспечивает постоянного тока до 240 а.

В-третьих система подачи топлива каналы газового топлива для двигателей. Система включает в себя главным образом источник газа, контроллер массового потока скорость и газоснабжения трубопроводов.

Четвертый подпункт система является водяного охлаждения системы, которая обеспечивает прохладной воды высокого давления для обмена тепла подруливающим устройством, магнитные катушки и источников энергии. Как показано на рисунке 4, система состоит из группы насосов, бак для воды, Холодильник, контроллеры трубопроводов и насосов водоснабжения. -Проведение трубы внутри вакуумной камеры обеспечивают охлаждения воды терминал для подруливающего устройства и магнитной катушки и обеспечивает что электрической изоляции среди анод, катод и землю.

Приобретение и система управления можно записать сигналы измерения условий эксплуатации подруливающего устройства и управления эксплуатации других систем. Он состоит из трех компьютеров и соответствующего программного обеспечения, сбор данных карты и кабели.

Как показано на рисунке 5, стенд целевую направленность состоит из пластины целевой, тонкий луч, датчик перемещения, опорная рама, осевой подвижной платформы и радиальные подвижной платформы. Целевой объект может перехватывать плазмы, которая толкает цели. Перемещение объекта может быть измерен датчик помещают позади цели, таким образом позволяя оценки тяги18.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Подготовка для эксперимента

  1. Установите толкатель.
    1. Удаление компонентов подруливающим устройством withnon пыль тканью, смоченной безводного спирта, в чистой комнате.
    2. Соберите анода с изолятором.
    3. Объединить катода, катод держателя и катод соединитель.
    4. Добавьте часть катод анод часть.
    5. Установить средний разъем в сборке и исправить их с помощью винтов (шестигранный винт, M5 × 16).
    6. Установите сиденье катушки на платформе эксперимент с погрузчика.
    7. Место платформы эксперимент на направляющей вакуумной камеры.
    8. Установите толкатель на катушки.
    9. Ссылка анод и катод с соответствующих электрических кабелей.
    10. Ссылка магнитной катушки с источником питания катушки.
    11. Присоединяйтесь к водяного охлаждения трубы и трубы подачи топлива с подруливающим устройством.
    12. Присоединяйтесь к вверх водяного охлаждения трубы с катушкой.
    13. Установите подвижные платформы внутри камеры и исправить основную направленность стоять на нем.
    14. Отрегулируйте положение радиально подвижные платформы сделать линии управления толкатель и цели совпадают друг с другом.
  2. Калибровка стенд тяги.
    1. Загрузить различные веса (10 g, 50 г, 100 г, 200 г), один на один, на устройство калибровки и запись соответствующего вывода тяги стенда.
    2. Выгрузите весов один за другим.
    3. Повторите процесс по крайней мере в три раза.
    4. Вычислите коэффициент упругие тяги стенда по данным калибровки.
  3. Эвакуировать вакуумной камеры.
    1. Закройте дверь камеры.
    2. Начало механических насосов.
    3. Начало молекулярной насосы когда фон давление в камере меньше чем 5 Па.
    4. Начало криогенных насосов, когда фон давление в камере меньше чем 0,05 ПА.
    5. Ждать для давления до 1 x 10-4 ПА.

2. зажигание и эксперимент измерения тяги

  1. Разогрейте толкатель, если он подвергается в воздух.
    1. Начните запись сигнала.
    2. Массового расхода топлива на 40 мг/s и держать поставки по крайней мере 20 минут
    3. Включите подачу воды охлаждения.
    4. Установка рабочей частоты охлаждения насосов на 10 Гц.
    5. Перевести в положение далеко от толкатель стенд тяги.
    6. Включите источник питания катушки с катушки тока 90 а.
    7. Включите источник питания подруливающим устройством с ток разряда 240 а.
    8. Включите источник питания зажигания.
    9. Держите подруливающим устройством, работающих по крайней мере 5 минут.
    10. Выключите источник питания двигателя и топлива питания.
    11. Остановите запись.
  2. Измерения тяги
    1. Перевести в положение 550 мм на стенде тяги от толкатель.
    2. Начните запись сигнала.
    3. Начало поставок топлива.
    4. Воспламенение подруливающим устройством с 90 A катушки текущих и 240 A ток разряда.
    5. Увеличение катушки ток 150 а.
    6. Повышение разряда ток 800 а.
    7. Увеличение тока 230 A. катушки
    8. Выключите толкатель, когда вывод тяги стенд становится стабильным.
    9. Остановите подачу топлива.
    10. Остановите запись.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

В эксперименте мы контролируем ток разряда (Id), топлива массы потока rate(m) и применяется магнитное поле (Ba). В операции мы измерить значение напряжения разряда (ВД) и упорные (T), из которых базу, мы можем получить другие производительности параметры как мощность (P), удельный импульс (Isp) и тяги эффективности (η)1.

Типичный сигнал напряжения разряда показано на рисунке 6

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Этот протокол описывает процессы зажигания, операции и измерения тяги 100 кВт класс применяется поле MPD подруливающим устройством. Ключевым моментом в разработке МПД подруливающим устройством для оптимальной производительности является выбор правильной конфигурации согласно конкретной цели. Подруливающие устройства MPD с сходящихся и расходящихся анода может функционировать установившегося в большой диапазон. Однако производительность может быть меньше, чем струйный руль с расходящихся анода. Полого катода, особенно мно...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана программа фундаментальных исследований (No. JCKY2017601C). Мы высоко ценим помощь Томас м. Йорк, почетным профессором в университете штата Огайо.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Криогенные насосыBrooks AutomationСкорость откачки: 10000 л/с
Датчик перемещенияPanasonicHG-C1030Точность повторения: 10μ m
Линейность: ± 0,1% от Ф.С.
Контроллер массового расходаBrooks Диапазон автоматизации: 0-120 мг/с
Молекулярный насосOerlikonСкорость откачки: 2100 л/с
Передвижная установкаизBeijing Weina Guangke Automation equipment Co., Ltd.Диапазон: 0-2000 мм
плсатичные водопроводные трубыXingye Xingye фторопласты (Jiaxing) Co., Ltd.Предельное давление: 4,5 МПа
АргонBeijing Huanyu Hinghui Gas Technology Co., Ltd.Чистота: 99,999%
ХолодильникBeijing Jiuzhou Tongcheng Technology Co., Ltd.Мощность охлаждения:
водяные насосыLiaocheng vanguard Motor Co., Ltd.;
Шанхайская группа народных насосов Manufacturing Co., Ltd.;
Nanfang Pump Limited company		Максимальное выходное давление:
Центробежный насос: 1 МПа< бр/> Плунжерный насос: 10 МПа
мощностью 45 кВт

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи