Summary
המטרה של פרוטוקול זה היא להציג את העיצוב של 100 קילוואט שיעור חלה-שדה מנוע magnetoplasmadynamic ושיטות ניסיוני הרלוונטיים.
Abstract
מנועי magnetoplasmadynamic חלה-שדה (AF-MPD מדחפים) הם היברידית מאיצים בו אלקטרומגנטית ולהאיץ תהליכים דינאמיים גז פלסמה למהירות גבוהה; הם יש פוטנציאל ניכר ליישומי חלל עתידיות עם יתרונות משמעותיים של מתקף סגולי גבוה, דחף צפיפות. בנייר זה, אנו מציגים סדרת פרוטוקולים עבור עיצוב וייצור ברמה 100 קילוואט AF-MPD מנוע עם water-cooling מבנים, מתח הפריקה המקסימלי V 130, של 800 A הפריקה המקסימלי הנוכחי, 0.25 T חוזק מרבי של השדה המגנטי. קטודה טונגסטן טנטלום חלול מעשים כמו הים הטען רק כדי לעכב את הפרשות רדיאלי, ממוקם axially בחלקו האחורי של האנודה כדי להקל אנודת הרעבה. אנודת גלילי נחושת מתבדרת הוא מועסק כדי להקטין אנודת כוח התצהיר, איפה האורך הופחת ל להקטין אזור חיבור קיר-פלזמה. ניסויים מנוצל ואקום מערכת להשגת ואקום עבודה של 0.01 הרשות עבור זרימת מסה הטען הכולל קצב נמוך יותר 40 מ"ג/s ומטרה דחף לעמוד. מנוע הבדיקות בוצעו כדי למדוד את ההשפעה של הפרמטרים עבודה כגון זרימת הטען המחירים, השחרור הנוכחי, עוצמת שדה מגנטי על הביצועים ועל כדי לאפשר ניתוח המתאים. מנוע יכול להיות מופעל ברציפות לתקופה משמעותית עם שחיקה קטנה על פני קטודית חלול. הכוח המרבי של מנוע הוא 100 קילוואט, הביצועים של תצורה water-cooled זו משולה עם זו של המדחפים דיווחו בספרות.
Introduction
מדחפים MPD ידועים על צפיפות גבוהה יחסית דחף ו-2,1,3מתקף סגולי גבוה. אולם, יעילות דחף אופייני1 של המדחפים MPD היא נמוכה יחסית, במיוחד עם הודף של הגזים האצילים-4,-5,-6. עבור רוב מדחפים MPD, חלק זרימת הטען מוזרק לתוך החדר השחרור של חריץ בין אנודת ו קטודית7,8 , עם התוצאה כי רכיב רדיאלי הוא חלק ניכר השחרור הכולל. עם זאת, כדי ליצור דחף, אפקטים קינטי רדיאלי צריך להיות מומר תנועה קינטית צירית עם זרבובית פיזי או זרבובית מגנטי. בהתאם לכך, תכונה מרכזית של מנוע MPD העיצוב החדש הוא דלק כל מסופק באמצעות הקתודה, אשר יכול לשמש כדי לעכב שחרור רדיאלי; בדרך זו, ניתן להגדיל את הפרופורציה של אנרגיה צירית. יש אפקט הוסיף כי הפרמטר הול ב הפלזמה סביב האנודה יכול להיות מוגברת על ידי הירידה של צפיפות מספר סביב האנודה, אשר יכול לחזק את רכיב התאוצה9הול. מאז דלק הוא קרוב לפני השטח הפנימי של הקתודה איפה נפלטים כמויות גדולות של אלקטרונים הראשונית במצב זה של הזרקת, הקצב יינון הטען ניתן להגדיל באופן משמעותי. יתר על כן, אורך אנודת מוזער להקטין אזור חיבור קיר-פלזמה ולהפחית אנודת כוח התצהיר10,11. כמו אנודת מתבדרת מוחל, זה להקטין את הזווית בין אנודת קווי שדה מגנטי ולא להקטין אנודת כוח לעדות נוספת12,13.
למרות היתרונות שצוין לעיל כדי לשפר את הביצועים, אספקת הטען מלאה בזריקה קטודית עלול להגביר את הסיכון של הרעבה אנודת אשר עלולה לגרום לתופעות "התפרצות"14. לעכב התנהגות זו, אנו יש נסוגים הקתודה חזרה לבסיס של אנודת. האלקטרונים יכולים אז מפוזר מספיק בכיוון רדיאלי לפני שעזב את היציאה אנודת, אשר ישמש כדי להקל על הרעב אנודת. עוד, מאומץ על הקתודה חלול רב-ערוצי; לעומת הקתודה חלול ערוץ אחד, קטודית חלול רב-ערוצי באפשרותך להגדיל את שטח פליטת אלקטרון ולבצע את ההפצה של דלק אחיד. עם שינוי זה, כל החיים והן היציבות מנוע יכול להיות מוגבר15,16,17.
עוצמת מנוע מעוצב הוא 100 קילוואט ומבנה הקירור הכרחי עם פעולת מצב יציב. בניסויים במעבדה הנוכחי, מבנה water-cooling יעיל הוא מועסק. עם זאת, כדי להעריך את הביצועים של העיצוב מנוע MPD, חיוני כדי לקבל הדחף. עם היישום של מערכת מים בלחץ גבוה לשם העברת חום, יהיו רטט חזק במהלך פעולת קירור כזה, אשר ניתן ליצור הפרעה משמעותית אם השתמשנו מדידות דחף מסורתיים. בהתאם לכך, עמדה המטרה דחף הוא מועסק כדי למדוד את הדחף.
מנוע MPD
כפי שמוצג באיור1, מנוע MPD מורכב אנודת, קטודית, בידוד חשמלי. האנודה עשוי נחושת עם זרבובית מתבדרת גלילי, הקוטר הפנימי מינימום אשר הוא 60 מ מ. יש ערוץ קירור בצורת S ברחבי בדופן הפנימית האנודה. כניסת עודפים של הערוץ נמצאים בראש האנודה, אשר מופרדים על-ידי בתימהון. גוש נחושת רזה הוא מועסק כדי לחבר את אנודת וכבל חשמל. ג'אנקשן נמצאת על המשטח החיצוני של האנודה.
החומר קטודית הוא טונגסטן טנטלום, עם תשעה ערוצי הטען. הקוטר החיצוני של הקתודה הוא 16 מ מ. הקירור של הקתודה מושגת עם בעל water-cooling סביב הבסיס הקתודה. יש ערוץ בצורת טבעת בתוך למחזיק. המים הקרים מוזרק בעל התחתון, זורם החוצה מהחלק העליון. אין מחבר קטודית חלול בצד שמאל של הקתודה. דלק זורם דרך המרכז של המחבר אל החדר קטודית חלול; יש חור גדול בתוך הבסיס קטודית התחברות עם תשעה ערוצי גליל צר. החלל משמש מאגר כדי להגדיל את האחידות של ההתפלגות הטען ערוצים תשע. הקתודה מחובר הכבל החשמלי עם גוש נחושת טבעתי, אשר מותקן סביב המחבר הקתודה.
בנוסף הגוף העיקרי של מנוע, סליל מגנטי חיצוני הוא גם הצורך לייצר שדות עבור המנגנונים מנוע AF-MPD; שדות מגנטיים מספקות שדה מגנטי מתכנסת מתבדרת להאיץ הפלזמה את יחד עם השדה החשמלי. הגליל השדה מורכב פונה 288 מעגלית צינורות נחושת, אשר המעבר למים הנוכחי, קירור חשמלי שני. הקוטר הפנימי של הסליל נמצא 150 מ מ, בעוד הקוטר החיצוני הוא 500 מ מ. עוצמת השדה הגבוה במרכז הוא 0.25 T עם זרם של 230 א
מערכת הניסוי
מערכת הניסוי כולל שש מערכות משנה. תרשים סכמטי של הפריסה הכללית של מערכת ניסויית מוצג באיור 2; הפריסה של מנוע בתוך החדר ואקום מוצג באיור3.
ראשית, מערכת ואקום, אשר מספק את הסביבה ואקום הנחוצה עבור פעולת מנוע, מורכב תא ואקום אחת, שתי משאבות מכניות, משאבת מולקולרי אחד, ארבעה קריוגני משאבות. הקוטר של התא הוא 3 מ', האורך 5 מ'. הלחץ הסביבה יכול להישמר תחת 0.01 הרשות כאשר קצב הזרימה של דלק (ארגון) הוא לא יותר מ-40 מ"ג/s.
שנית, מערכת זו מקור מספק דופק מתח גבוה כדי להצית את מנוע, מספק כוח עבור מנוע להאיץ הפלזמה, מספק כוח להוציא את השדה המגנטי הגליל לקיים את שדה מגנטי חיצוני. מערכת מקור הכוח מורכב מקור כוח הצתה, מקור כוח מנוע, מקור כוח סליל וכבלים. מקור הכוח ההצתה יכול לספק 8 kV או מתח פריקה kV 15. מקור הכוח מנוע מספק זרם ישיר עד 1000 א מקור הכוח סליל מספק זרם ישיר 240 א
שלישית, מערכת אספקת הטען הזנות גז דלק עבור מנועי. המערכת כוללת בעיקר את מקור גז, בקר קצב זרימת מסה של גז לספק צינורות.
מערכת המשנה הרביעית היא מערכת water-cooling, אשר מספק מים בלחץ גבוה לשם החלפת החום מנוע, סליל מגנטי, מקורות כוח. כפי שמוצג באיור4, המערכת מורכבת משאבות קבוצה, מיכל מים, מקרר, בקרי צינורות ומשאבות מים. הצינורות ללא ניצוח בתוך החדר ואקום לספק קירור מים מסוף כדי להפוך את מנוע סליל מגנטי, ומבטיחה את בידוד חשמלי בין האנודה הקתודה, הקרקע.
רכישת ומערכת הבקרה ניתן להקליט את האותות מדידת מנוע תנאי המבצע פעולת השליטה של מערכות אחרות. הוא מורכב של שלושה מחשבים המתאימים, כרטיס רכישה הנתונים והתוכנה כבלים.
כמוצג באיור5, דוכן היעד דחף מורכב המטרה צלחת, הקרן ורזה, חיישן תזוזה, מסגרת תמיכה, פלטפורמה ניד צירית, פלטפורמה ניד רדיאלי. המטרה לקלוט פלזמה אשר דוחף את המטרה. העקירה של היעד נמדד על ידי חיישן ממוקמים מאחורי המטרה, בדרך זו מאפשר הערכה של דחף18.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. לקראת הניסוי
- להתקין את מנוע.
- נגב את הרכיבים של הבד אבק withnon מנוע, ספוגה באלכוהול נטול מים, בתוך חדר נקי.
- להרכיב האנודה עם בידוד חשמלי.
- מביאים יחד את הקתודה, מחזיק קטודית קטודית מחבר.
- להוסיף את החלק קטודית החלק אנודת.
- התקן המחבר האמצעי מכלול, לתקן אותם עם ברגים (משושה שקע ראש של בורג, M5 × 16).
- הקמת המושב סליל בפלטפורמה ניסוי עם מלגזה.
- במקום פלטפורמת ניסוי על מעקה מדריך תא ואקום.
- להתקין את מנוע על הסליל.
- לקשר את אנודת ואת קטודית עם כבלים חשמליים המתאימים.
- לקשר את סליל מגנטי עם מקור הכוח סליל.
- הצטרפו water-cooling צינורות וצינור אספקת הטען עם מנוע.
- הצטרפו הצינורות water-cooling עם הסליל.
- התקנת פלטפורמת ניד בתוך תא תיקון שהגוף העיקרי של דחף לעמוד על זה.
- להתאים את המיקום של פלטפורמת ניד רדיאלי כדי לגרום לפקד שורות של מנוע והיעד בקנה אחד עם השני.
- כיילו את הדוכן דחף.
- לטעון משקלות שונים (10 גרם, 50 גרם, 100 גרם, 200 גרם), אחד אחרי השני, על כיול המכשיר, הרשומה המתאימה פלט של העמדה דחף.
- לפרוק את המשקולות אחד אחד.
- חזור על התהליך עבור שלוש פעמים לפחות.
- חשב את מקדם אלסטי של העמדה דחף על פי נתוני כיול.
- לפנות את החדר ואקום.
- סגור את הדלת של החדר.
- להפעיל את המשאבות מכני.
- להפעיל את המשאבות מולקולרית כאשר הלחץ רקע בבית הבליעה הוא נמוך יותר מאשר 5 הפלסטינית.
- להפעיל את המשאבות ההקפאה כאשר הלחץ רקע בבית הבליעה הוא נמוך מ- 0.05 הפלסטינית.
- לחכות הלחץ להגיע עונה 1 פרק 10-4 הפלסטינית.
2. הצתה וניסוי מדידה דחף
- מחממים את מנוע אם זה היה חשוף לאוויר.
- . תתחיל להקליט את האות
- הגדר את קצב זרימת מסה הטען-40 מ"ג/s, ממשיכים לספק לפחות 20 דקות
- הפעל את אספקת המים קירור.
- הגדרת תדירות עבודה קירור משאבות מים ב-10 הרץ.
- העבר הדוכן דחף למצב רחוק מנוע.
- החלפת על מקור הכוח סליל עם הזרם סליל של 90 א
- . הפעילי את מקור כוח מנוע עם הזרם פריקה של 240 א
- . הפעילי ההצתה זה מקור הכוח
- שמור את מנוע עובד לפחות 5 דקות.
- כבה את מקור כוח מנוע ואת הטען האספקה.
- לעצור את ההקלטה.
- דחף מדידה
- להעביר הדוכן דחף למיקום 550 מ מ מנוע.
- . תתחיל להקליט את האות
- התחל את אספקת הטען.
- להצית את מנוע עם סליל A 90 הנוכחי, הפרשות של 240 הנוכחי.
- להגדיל את הגליל הנוכחי כדי 150 א
- להגדיל את הפרשה הנוכחית כדי 800 א
- להגדיל את הגליל הנוכחי כדי 230 א
- כבה מנוע את הפלט של דחף המעמד הופך יציב.
- להפסיק את אספקת הטען.
- לעצור את ההקלטה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הניסוי, אנחנו שולטים הנוכחי הפרשות (Id), מסה הטען לזרום rate(m) ו להחיל שדה מגנטי (Ba). במבצע, למדוד את הערך של מתח פריקה (מחלת מין) ואנו דחף (T), מן הבסיס אשר חייבים אחרים מופע פרמטרים כמו כוח (P), מתקף סגולי (Isp) דחף יעילות (η)1.
אות טיפוסי של מתח פריקה מוצג באיור 6. באתחול של מקור הכוח, יהיו מתח במעגל פתוח בין אנודת קטודית, הערך של אשר הוא בערך 230 וולט. המתח במעגל פתוח אינה גבוהה מספיק כדי לשבור הנפץ נייטרלי בבית הבליעה הפרשות; אנחנו צריכים להחיל מתח פריקה בתדירות גבוהה כדי להצית את מנוע. לאחר התנעה, המתח יקטן במהירות; ואז מתח המגמות כערך קבוע לאחר תקופה של תנודה.
תוצאה מדידה דחף אופייני מוצג איור7. אנחנו מתחילים להקליט את האות של העמדה דחף לפני ביצוע אספקת דלק, אשר היא כאל נקודת אפס-דחף. תהיה דחף חלש לאחר תחילת אספקת דלק. לאחר התנעה מנוע, תהיה אות גדולה עם תנודות, אחרי אשר הדחף של מגמות לערך קבוע. ואז לכבות את מנוע. תהיה אפס-להיסחף עקב תרמית להרכב של היעד; השגיאה הנגרמת על ידי אפקט זה יהיה לא יותר מ-1%.
איור 8 מראה את השפעת הנוכחי הפרשות, שדה יישומית וקצב זרימת מסה הטען על דחף קשת כוח עד 25 קילוואט. אנו בוחרים: Id = 200 A, Ba = 100 הר, ṁ = 40 מ ג/s, כתנאי בסיסי פעולה; סדרת הניסויים נערכים כדי להשוות עם בסיסי נתונים. פרמטר אחד בלבד המבצע תשתנה ניסוי ניגודיות: הזרם פריקה יכולים להיות מגוונים מתוך 160 א 360 A; עוצמת שדה יישומית יכולים להיות מגוונים של 34 mT ל הר 258; קצב זרימת מסה הטען יכולים להיות מגוונים של 20 מ"ג/s ל- 80 מ ג/s. לנוחיות השוואה, אנחנו לנרמל פרמטרים מבצע שלושה אלה, כפי שמוצג ה-x התחתון באיור8. כאשר פעולת מנורמל פרמטרים 1.0, זה אומר שהתנאים הפעולה זהה האחד הבסיסי. יחד עם ה-x התחתון, ישנם שלושה x-axes יותר על הגג, אשר תואמות את ערכיו המקוריים של הפרמטרים שלוש, בהתאמה.
איור 9 מציג את מאפייני הפרשות במהלך כחצי שעה של פעולה רציפה. ניתן לראות כי המגמות מנוע מצב יציב במהירות לאחר ההצתה, המתח הוא יציב בתקופה זו.
איור 10 מציג תמונות של הקתודה טונגסטן טנטלום לפני ואחרי בדיקות. סה כ זמן הריצה של הבדיקות היה 10שע, לרבות פעולה רציפה חצי שעה, זמן קצר בדיקות עבור יותר מ-90 מתחיל. ניתן לראות כי הסחף היא קלה מבוזרות בצורה אחידה על פני השטח החיצוני של הקתודה. לפי תוצאה זו, מנוע יש את הפוטנציאל לפעול זמן רב.
בעקבות הבדיקות פעולה רציפה, חרשנו את הביצועים של מנוע בטווח של 50-100 קילוואט חשמל. הדחף נמדדה עם דוכן היעד דחף, מדידת התוצאות מוצגות באיור11. הביצועים הטובים ביותר מתקבל ב 99.5 kW, איפה הדחף הוא 3052 mN, מתקף סגולי הוא 4359 s והוא דחף יעילות 67%. בנוסף, ערך תיאורטי דחף מחושב, כמו 1 הציוד (Mikellides12 ), כדי להשוות עם דחף נמדדו ערכי; ההבדל הגדול ביניהם היה 11.6%.
(1)
(של הוא הרדיוס קטודית אלקטרודה יחס אורך; R הוא יחס רדיוס אלקטרודה; A הוא המשקל האטומי של יחידת מסה אטומית, 
הוא גורם יינון12.)
ההשפעה של מנוע אופטימיזציה
הערכים המתקבלים של דחף בתגובה וריאציה של פרמטרים של המערכת מוצג באיור 8, שבו ניתן לראות כי השפעת קצב זרימת מסה הטען על הדחף דומה לזה של שדה יישומית. כמו דלק האצה דינמי19 רגישים ṁ, ניתן להסיק שמקדם כי הרכיב האצת דינמי גז מוגברת במנוע שלנו. יתר על כן, השדה הנוכחי ויישם פריקה משפיעות על ההאצה אלקטרומגנטית ב מספר מנגנונים שונים ועל השפעתם צריך להיות ברור1. בניסויים שלנו, הדחף הוא משמעותי יותר רגיש לעליה של הפרשה הנוכחית לעומת זה של השדה יישומית, כמוצג באיור8. היבט אחד של אופן פעולה זה יכול להיות בגלל חיזוק גז אפקטים דינאמיים מהעלאת הנוכחי בשל מצב האספקה הטען ספציפי צירית הפרשות דרך הקתודה. עוד, כמוצג באיור11, מנוע MPD מגיע עם דחף יעילות מרבית של 67%, אשר אינו היעילות מעולה של המדחפים MPD עם דלק של מתכת אלקלית20. לפיכך, ההשפעות של שינויי העיצוב נראים כדי לשפר את הביצועים של מנוע MPD באופן משמעותי.
בנוסף, למרות העובדה כי יש אספקת הטען אין אזור אנודת, מנוע שלנו היה פעולה יצי ב זרם פריקה של 800 A וקצב הטען האספקה של 70 מ"ג/s. לשם השוואה, מנוע MPD SX321 עם אספקת הטען חלקית מן האנודה, להגיע אל משטר של תחילת הפרשה הנוכחית של 500 א', אספקת הטען שיעור של 60 מ ג/ס מבוסס על יציבות מנוע MPD עם הערך הקריטי אני2/ṁ 22, מנוע נוכח עדיפה במקצת SX3.
היעד דחף שגיאות מדידה
עם המטרה דחף המדידה, זה הכרחי למנוע מופרזת של הדחף בפעולה הביצועים הגבוהה ביותר. כאן אנו מניחים כי ההתנגשות בין המטרה לבין החלקיקים כבד ב הפלזמה היא אלסטית לחלוטין. לפיכך, החצי של דחף נמדד נלקח כמו דחף אמיתי. יתר על כן, בזרם של דלק אל המטרה, אנו מניחים כי הפלזמה לחלוטין מוגבלת על-ידי השדה המגנטי. בחרנו את קווי השדה המגנטי לעבור דרך שבקצה טווח האנודה כגבול של זרבובית מגנטי. בהנחה כי חלקיקי פלזמה מופצים בצורה אחידה בתוך הנחיר, כפי שמוצג באיור12, נוכל להוציא את טווח הפלזמה המטוס היעד, אשר 704 מ מ קוטר. ואז ניתן לבטא את הקשר בין דחף נמדד דחף אמיתי כמו:
(2)
כאשר F הוא דחף נמדד על ידי המטרה ו T הוא האמיתי דחף.
עוד יותר, בשל ההתנהגות מכשול של היעד, חלקיקים הטען עשוי לזרום חזרה אל החדר פריקה. בהנחה כי כל החלקיקים משתחררים מן המרכז של היעד, כפי שמוצג באיור13, חלוקות של הגב-זרימת חלקיקים לציית קוסינוס החוק23, ואז את הפרופורציה של חלקיקים לאטמוספרה שניתן להעריכו עם הציוד 3. אם החלקיקים זרימה חזרה להפיץ בצורה אחידה לכל הכיוונים של שטח, שחלקן יבואו לידי ביטוי עם הציוד 4. וריאציות של הפרופורציות עם המטרה-מנוע מרחק z, תחת שתי השערות הפצה, מוצגים באיור14. במדידה דחף, המרחק היעד-מנוע היה 550 מ מ; לכן, היחס של חלקיקים לאטמוספרה מחושב להיות לא יותר מ- 0.3%.
הלחץ רקע יכול גם להשפיע על הביצועים דחף נמדד. מנוע מגיעה לביצועים האיכותיים ביותר, רקע הלחץ במערכת יכול להישמר ב 0.2 הרשות הפלסטינית עם קצב זרימת מסה של 70 מ"ג/s. עם זאת, דחף נמדד עשוי להיות גבוה יותר הערך בפועל בשל השפעת זה רקע בלחץ20,24,25,. לחסל את זה יכול להשפיע להגדיל את מהירות המשאבה של מערכת ואקום, וזה שדרוג המתוכנן.
המטרה עשוי מחומר מוליך חשמלי, הוא מצויד בסוללה מן הקרקע במהלך המדידה דחף. עם זאת, אין יצוא הנוכחי נוצה זה ייתכן אינטראקציה עם היעד ולהשפיע על הפעולה עבור ה MPD מדידה של מנוע15. זה יכול להיות גורם המשפיעים על היקף דחף יעילות, ראוי יותר שיקול דעת.
(3)
(4)
איור 1 . תרשים סכמטי של מנוע AF-MPD
הגוף העיקרי של מנוע MPD כולל אנודת (נחושת), קטודית (טנטלום טונגסטן), בידוד חשמלי (ניטריד בורון), מחזיק קטודית (נחושת), מחבר קטודית (נחושת). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2 . תרשים סכמטי של מערכת הניסוי
כחול שורות מערכת קירור מים: מים קרים בלחץ גבוה; קווים אדומים במים מערכת הקירור: חימום מים. ירוק קווים במערכת של רכישת שליטה: אותות מפרמטרי הפעולה; חום קווים במערכת של רכישת שליטה: אותות הבקרה ההוראות. . כחול קווי מערכת מקור כוח: חוטי חיבור אל האנודה של מנוע, סליל מגנטי; הקו האדום במערכת מקור כוח: חוטי חיבור אל הקתודה של מנוע, סליל מגנטי. טרפז כחול באמצע: קרן מנוע. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3 . ניסוי פריסה בתוך החדר ואקום
מנוע ממוקם בתוך הסליל שדה מגנטי. הגליל נמצא מאחורי הדוכן היעד דחף; לפיכך, מנוע התצוגה נחסמת על-ידי המטרה לפי הזווית חזותי באיור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4 . מערכת קירור מים
קבוצה () משאבות, מיכל מים, מקרר (ממוקם מחוץ למעבדה). (b) בלחץ גבוה מתכת צינורות ויישם את קירור מים (מחוץ לחדר ואקום). (ג) המפרקים, בידוד צנרת לאספקת מים קירור אלקטרודות וסליל מגנטי (בתוך תא ואקום). (d) משאבות בקרי להגדיר קצב הזרימה של משאבות מים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 5 . היעד שיטת דחף לעמוד
הקו המרכזי של מנוע לבין המטרה חופפות אחד עם השני. ניתן להתאים את מיקום מפוח המטרה עם פלטפורמת ניד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 6 . מתח פריקה אופייני עבור מנוע
הפרשות הנוכחי של 240 A, שדה יישומית של mT 258, קצב זרימת מסה הטען של 40 מ ג/s. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 7 . דחף אופייני מדידת אות
הפרשות הנוכחי של 240 A, שדה יישומית של mT 258, קצב זרימת מסה הטען של 40 מ ג/s. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 8 . ההשפעה של השדה הנוכחי, יישומי פריקה וקצב זרימת מסה הטען על דחף, עם קשת כוח עד 25 קילוואט. Abscissa בתחתית מייצג את הפרמטרים של הפעולה מנורמל כולל:
מזהה (הפרשה הנוכחית), Ba (עוצמת שדה מגנטי יישומית) ו ṁ (קצב זרימת מסה הטען) עם מזהה = 200 A, Ba = 100 הר, ṁ = 40 מ ג/s נבחר תנאי המבצע הבסיסיים, המתאים לערך של 1 על abscissa התחתון. Abscissas על גבי תואמות לערכים המקוריים של שלושה פרמטרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 9 . פעולה רציפה הנוכחי ומתח לכוח קשת של 36 kW
שלושה קווים מלאים הם אותות הפלט עבור שחרור מתח חשמלי, פריקה arc הנוכחי ומחושב כוח, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 10 . המראה הראשוני קטודית, קטודית לאחר ניתוח הכולל 10 שעות.
הצד השמאלי של האיור מראה את התמונה של טנטלום טונגסטן קטודית חלול לפני השחרור; הצד הימני מציג הקתודה לאחר סך של 10 שעות תחת פריקה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 11 . הביצועים של מנוע בטווח של 50-100 קילוואט חשמל
נקודות עם סימני כוכבים הם ערכים של דחף מחושב על ידי דחף נוסחה12. סמלים אחרים הם ערכים של דחף נמדד עם דוכן היעד דחף. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 12 . סכמטי של גודל המטרה לעומת הצורה הגיאומטרית של שדה מגנטי
הקווים המנוקדים מייצגים קווי שדה מגנטי דרך שבקצה טווח האנודה. השדה המגנטי בתוך הקווים המנוקדים יכולים ליצור זרבובית מגנטי ודק בחלל. הקוטר של הצינור הוא מ מ 704-המטוס היעד, אשר הוא 550 מ מ מנוע לניסוי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 13 . סכמטי של דינמיקה של חלקיקים מזרימה חוזרת
החצים הקרין מן המטרה מייצגים ריבאונד חלקיקים מן המרכז של היעד. כאן אנו מניחים כי כל החלקיקים ריבאונד מן הנקודה המרכזית של היעד. הנחה זו מפריז בערך חישוב היחס של חלקיקים לאטמוספרה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 14 . אחוז זרם אחורי דלק אל החדר הפרשות
השורה עם סימנים של ריבועים מייצגת את הפרופורציה של חלקיקים לאטמוספרה מבוסס על ההנחה כי החלקיקים זרם אחורי לציית התפלגות הקוסינוס. השורה עם יהלום סמלים מייצגת את זה מתוך התפלגות אחידה. Abscissa הוא המרחק בין המטרה לבין היציאה אנודת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
פרוטוקול זה מתאר את התהליכים של הצתה, הפעולה ואת דחף מדידה של שדה שיעור חלה kW 100 MPD מנוע. נקודת המפתח בעיצוב של מנוע MPD עבור ביצועים מיטביים היא בחירת התצורה הנכונה על פי המטרה ספציפיים. מדחפים MPD עם אנודת מתכנסת מתבדרת יכול לתפקד מצב יציב בטווח מבצע גדול. עם זאת, הביצועים עשוי להיות נמוך יותר מנוע עם אנודת מתבדרת. הקתודה חלול, במיוחד הקתודה חלול רב-ערוצי, עדיפה הקתודה רוד מסורתי לרוב תחומי. יישום של הקתודה חלול מועיל לשיפור ביצועי מנוע, זה מספק אפשרויות עבור אספקת הטען מצבי. לייצור עלות הקתודה חלול הוא גבוה יחסית בהשוואה של הקתודה מוצק.
מעגל נוזל קירור המבנה הוא הכרחי עבור הפעולה של מנוע אם זה נועד כדי לעבוד עבור יותר מ-10 דקות. לחלופין, קרינה קירור היא עוד בחירה26, אשר יכול למנוע קירור מורכבת צנרת. עם זאת, הדבר עשוי לגרום בגודל רדיאלי גדול של מנוע. יתר על כן, צינור חום יכול להיות ברירה אחרת כאשר מועסקים משימה בחלל בפועל.
שדה מגנטי חיצוני היא הכרחית עבור מנוע AF-MPD. השדה יכול להתבצע באמצעות סליל לברז חשמלי המסורתית, כפי שמתואר הפרוטוקול או מגנט קבוע. בנוסף, מוליכות-על הוא מועמד פוטנציאלי, אשר יכול לספק הרבה שדה מגנטי חזק יותר מאשר סליל מסורתיים, המסה שאשר הוא גם פחות סליל לברז חשמלי מסורתיים.
להחזיק את הניסוי מדידה דחף, רקע הלחץ צריך להיות נמוך מ 0.013-0.13 הרשות הפלסטינית1. אחרת, הפעולה של מנוע עשויה להיות מושפעת. בנוסף, על פי המחקר27, ישנם זרמים תזרים נוצות של המדחפים MPD ואת הזרם הרחוקה ביותר אפשר להגיע לתנוחה 90 ס מ מנוע לכיוון צירית. ובכך, להגדיל את גודל החדר הוא מועיל להפחתת ההשפעה של המתקן על מנוע.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על-ידי התוכנית מחקר בסיסי (מס ' JCKY2017601C). אנחנו מעריכים את העזרה של תומאס מ יורק, פרופסור אמריטוס באוניברסיטת אוהיו.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cryogenic Pumps | Brooks Automation | Pumping speed: 10000L/s | |
| Displacement Sensor | Panasonic | HG-C1030 | Repetition precision: 10μm Linearity: ±0.1% F.S. |
| Mass Flow Rate Controller | Brooks Automation | Range: 0-120mg/s | |
| Molecular Pump | Oerlikon | Pumping speed: 2100L/s | |
| Moveable Plantform | Beijing Weina Guangke Automation equipment Co., Ltd. | Range:0-2000mm | |
| Plsatic Water Pipes | Xingye Xingye fluoroplastics (Jiaxing) Co., Ltd. | Ultimate pressure: 4.5MPa | |
| Propellant Argon | Beijing Huanyu Hinghui Gas Technology Co., Ltd. | Purity:99.999% | |
| Refrigerator | Beijing Jiuzhou Tongcheng Technology Co., Ltd. | Refrigeration power:45kW | |
| Water Pumps | Liaocheng vanguard Motor Co., Ltd.; Shanghai people pump industry group Manufacturing Co., Ltd.; Nanfang Pump Limited company |
Maximum Output pressure: Centrifugal pump:1MPa Plunger pump:10MPa |
References
- 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).
- Arakawa, Y., et al. Electromagnetic Effects in an Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster. Journal of Propulsion & Power. 8 (1), 98-102 (1992).
- Myers, R., Lapointe, M., Mantenieks, M. MPD thruster Technology. Conference on Advanced SEI Technologies, , AIAA paper 91-3568 (1991).
- Myers, R. Applied-field MPD thruster performance with hydrogen and argon propellants. Journal of Propulsion & Power. 9 (5), 781-784 (1993).
- 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).
- Lapointe, M., Strzempkowski, E., Pencil, E. High Power MPD Thruster Performance Measurements. AIAA paper 2004-3467, , (2004).
- 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).
- 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).
- Li, Z., et al. Increasing the Effective Voltage in Applied-Field MPD Thrusters. Journal of Physics D Applied Physics. 51, 085201 (2018).
- Myers, R., Mantenieks, M., Sovey, J. Geometric Effects in Applied-field MPD Thrusters. 21st International Electric Propulsion Conference, , AIAA paper 1990-2669 (1990).
- Myers, R. Geometric Scaling of Applied-Field Magnetoplasmadynamic Thrusters. Journal of Propulsion and Power. 11 (2), 343-350 (1995).
- Mikelides, P. Applied-Field Magnetoplasmadynamic Thrusters, Part 2: Analytic Expressions for Thrust and Voltage. Journal of Propulsion and Power. 16 (5), 894-901 (2000).
- 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).
- 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).
- Blackstock, A. W., et al. Experiments Using a 25-kW Hollow Cathode Lithium Vapor MPD Arcjet. AIAA Journal. 8 (5), 886-894 (1970).
- Krulle, G. Characteristics and local analysis of MPD thruster operation. AIAA Electric Propulsion and Plasmadynamics Conference. AIAA paper, , AIAA paper 1967-672 (1967).
- 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).
- Wang, B., et al. Target thrust measurement for applied-field magnetoplasmadynamic thruster. Measurement Science & Technology. 29, 075302 (2018).
- 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).
- Burkhart, J. A., et al. Low environmental pressure MPD arc tests. , AIAA paper 67-685 (1967).
- 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).
- Malliaris, A. C., et al. Performance of Quasi-Steady MPD Thrusters at High Powers. AIAA Journal. 10 (2), 121-122 (1972).
- Knudsen, B. M. The Kinetic Theory of Gases (London:Methuen). , 26-27 (1950).
- 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).
- Connolly, D., Sovie, R. Effect of background pressure on magnetoplasmadynamic thruster operation. Journal of Spacecraft and Rockets. 7 (3), 255-258 (1970).
- Esker, D., Kroutil, J., Sedrick, A. Cathode Studies of a Radiation Cooled MPD Arc Thruster. , AIAA paper 1970-1083 (1970).
- Myers, R. Plume characteristics of MPD thrusters - A preliminary examination. 25th Joint Propulsion Conference, , AIAA paper 89-2832 (1989).
