Summary
Das Ziel dieses Protokolls ist einzuführen das Design einer 100 kW-Klasse angewendet-Feld magnetoplasmadynamic Thruster und experimentellen Methoden.
Abstract
Angewendet-Feld magnetoplasmadynamic Triebwerke (AF-MPD-Triebwerke) sind Hybrid-Beschleuniger in der elektromagnetischen und Gas dynamische Prozesse beschleunigen Plasma Hochgeschwindigkeits; Sie haben großes Potenzial für zukünftige Raumfahrtanwendungen mit den wesentlichen Vorteilen des hohen spezifischen Impuls und Dichte Schub. In diesem Papier stellen wir eine Reihe von Protokollen für Design und Fertigung einer 100 kW-Klasse des AF-MPD Thruster mit Wasserkühlung, Strukturen, eine 130 V maximale Entladespannung, eine 800 A maximale-Entladestrom und eine 0,25 T maximale Stärke des Magnetfeldes. Eine hohle Tantal-Wolfram-Kathode fungiert als nur Treibmittel Zulauf, die radiale Entlastung zu hemmen, und es ist axial auf der Rückseite der Anode positioniert, um die Anode Hunger zu lindern. Eine zylindrische abweichende Kupfer-Anode wird eingesetzt, um die Anode macht Ablagerung zu verringern, wo die Länge reduziert wurde, um Wand-Plasma verbindenden Bereich zu verringern. Experimenten verwendet ein Vakuum System, das Vakuum arbeiten von 0,01 erreichen Pa für eine totale Treibmittel Massenfluss bewerten niedriger als 40 mg/s und ein Ziel Schub Stand. Die Thruster Tests erfolgten um die Auswirkungen der Arbeitsparameter wie Treibmittel Flussraten, Entladestrom und die Stärke des angelegten Magnetfeldes auf die Leistung zu messen und entsprechende Analysen ermöglichen. Der Thruster konnte kontinuierlich über längere Zeiträume hinweg mit wenig Erosion an der Oberfläche hohl Kathode betrieben werden. Die maximale Leistung des Thruster beträgt 100 kW und die Leistung dieser wassergekühlte Konfiguration ist vergleichbar mit der Triebwerke in der Literatur beschrieben.
Introduction
MPD-Triebwerke sind bekannt für eine relativ hohe Schubkraft Dichte und einen hohen spezifischen Impuls1,2,3. Die typischen Schub Effizienz1 von MPD-Triebwerke ist jedoch relativ gering, vor allem mit Treibmitteln Edelgase4,5,6. Für die meisten MPD-Triebwerke wird ein Teil der Treibladung in Auslaßkammer aus einem Schlitz zwischen Anode und Kathode7,8 , mit dem Ergebnis injiziert, eine radiale Komponente ist ein Großteil der Tiefentladung. Um Schub zu erzeugen, müssen jedoch radial kinetische Effekte in axialer kinetische Bewegung mit einer physischen Düse oder eine magnetische Düse umgewandelt werden. Dementsprechend ist ein wesentliches Merkmal des neuen Design MPD Thruster, dass alle Treibmittel über der Kathode zugeführt wird, dienen kann, um radiale Entlastung zu hemmen; auf diese Weise kann der Anteil der axiale Energie erhöht werden. Es gibt ein zusätzlicher Effekt, dass der Hall-Parameter in das Plasma in der Anode durch die Abnahme der Dichte um die Anode erhöht werden kann die Halle Beschleunigung Komponente9stärken können. Da das Treibmittel nah an der inneren Oberfläche der Kathode wo entstehen große Mengen an ersten Elektronen in diesem Modus der Injektion ist, können die Treibmittel Ionisation sehr stark erhöht werden. Darüber hinaus wurde die Anode Länge zur Wand-Plasma verbindenden Bereich zu verringern und Reduzierung von Anode macht Ablagerung10,11minimiert. Wie eine abweichende Anode anliegt, wird dies den Winkel zwischen der Anode und der magnetischen Feldlinien zu verringern und verringern Anode macht Ablagerung weiteren12,13.
Trotz der Vorteile, die oben erwähnt werden, um Leistung zu verbessern kann komplette Treibmittel Versorgung durch Kathode Injektion das Risiko von Anode Hunger erhöhen die "Ausbruch" Phänomene14führen kann. Um dieses Verhalten zu verhindern, haben wir die Kathode zurück zur Basis der Anode eingefahren. Die Elektronen können dann ausreichend diffundieren in radialer Richtung vor dem Verlassen der Anode Ausfahrt, die fungieren wird, um Anode Hunger zu lindern. Darüber hinaus ist eine Multichannel-hohle Kathode angenommen; im Vergleich zu der hohle Einkanal-Kathode, kann eine Mehrkanal-hohle Kathode vergrößert den Elektron Emission und die Verteilung der das Treibmittel gleichmäßiger. Mit dieser Änderung kann die Lebensdauer und die Stabilität des Thruster erhöhte15,16,17.
Gestaltete der Thruster ist 100 kW und eine Kühlung Struktur ist bei stationären Betrieb. In den heutigen Laborversuchen ist eine effiziente Wasserkühlung Struktur beschäftigt. Jedoch um die Leistung der MPD Thruster Konstruktion zu bewerten, ist es wichtig, den Schub zu erhalten. Mit der Anwendung eines Hochdruck-Wasser-Systems zur Wärmeübertragung werden starke Vibrationen während des Betriebs des solche Kühlung, was erhebliche Störungen führen kann, wenn wir traditionelle Schub Messungen verwendet. Dementsprechend wird ein Ziel Schub Stand eingesetzt, um den Schub zu messen.
MPD-Thruster
Wie in Abbildung 1dargestellt, besteht der MPD-Thruster aus Anode, Kathode und Isolator. Die Anode besteht aus Kupfer mit einer zylindrischen divergente Düse der minimalen Innendurchmesser von denen 60 mm ist. Es gibt eine s-förmige Kühlkanal um die Innenwand der Anode. Den Einlass und Auslass des Kanals sind auf der Oberseite der Anode, die durch eine Trennwand getrennt sind. Ein schlanke Kupfer Block wird eingesetzt, um die Anode und elektrische Kabel zu verbinden. Die Ausfahrt ist auf der äußeren Oberfläche der Anode.
Das Kathodenmaterial wird Tantal Wolfram, mit neun Treibmittel Kanäle. Der Außendurchmesser der Kathode beträgt 16 mm. Die Kühlung der Kathode wird mit einer Wasserkühlung Halterung um die Kathode Basis erreicht. Es ist ein ringförmiger Kanal in der Halterung. Das kalte Wasser wird in die Halterung von unten und von oben strömt injiziert. Es gibt einen hohlen Kathode-Anschluss auf der linken Seite der Kathode. Das Treibmittel fließt durch die Mitte des Steckers und in die hohlen Kathodenkammer; Es gibt ein großen Hohlraum im Inneren der Kathode-Basis mit neun schmalen zylindrischen Kanälen zu verbinden. Der Hohlraum wirkt als Puffer, um die Einheitlichkeit der Treibsatz Verteilung in neun Kanäle zu erhöhen. Die Kathode ist mit das Stromkabel mit einem ringförmigen Kupfer Block verbunden, um die Kathode-Connector installiert ist.
Neben den Hauptteil des Thruster muss eine externe magnetische Spule auch Felder für die Mechanismen in der AF-MPD-Thruster erzeugen; magnetische Felder bieten ein konvergent-divergente Magnetfeld um das Plasma zusammen mit dem elektrischen Feld zu beschleunigen. Die Erregerspule besteht aus 288 Umdrehungen des kreisförmigen Kupferrohre, die fungieren als die Passage für beide elektrische aktuelle und kühlen Wasser. Der innere Durchmesser der Spule beträgt 150 mm, während der äußere Durchmesser 500 mm ist. Die höchsten Feldstärke in der Mitte ist 0,25 T mit Strom von 230 A.
Experiment-System
Das Experiment-System umfasst sechs Subsysteme. Abbildung 2zeigt die schematische Darstellung des das Gesamtlayout des experimentellen Systems; Das Layout der Thruster innerhalb der Vakuumkammer ist in Abbildung 3dargestellt.
Erstens besteht die Vakuum-System, die sorgt für die nötige Vakuum Umgebung für den Thruster-Betrieb, eine Vakuumkammer, zwei mechanische Pumpen, ein Molekularpumpe und vier kryogenen Pumpen. Der Durchmesser der Kammer beträgt 3 m und die Länge beträgt 5 m. Der Druck der Umgebung erhalten Sie unter 0,01 Pa wenn die Durchflussmenge (Argon) Treibstoff nicht mehr als 40 mg/s beträgt.
Zum anderen bietet dieses Quellsystem ein Hochspannungsimpuls entzünden den Thruster liefert Strom für das Bugstrahlruder, das Plasma zu beschleunigen, und liefert Strom für die Spule Magnetfeld, das äußere Magnetfeld aufrecht zu erhalten. Die Power-Source-System besteht aus einer Zündquelle macht, ein Thruster Stromquelle, eine Spule Stromquelle und Kabel. Die Zündquelle macht bieten 8 kV oder 15 kV Entladespannung. Die Thruster Stromquelle liefert einen Gleichstrom bis zu 1000 A. Die Spule Stromquelle liefert einen Gleichstrom bis zu 240 A.
Drittens: das Treibmittel Versorgungssystem feeds Gas Treibgas für Triebwerke. Das System umfasst vor allem die Gasquelle, mass Flow Rate Controller und Gas liefern Rohrleitungen.
Die vierte Sub-System ist der Wasserkühlung, bietet cool Hochdruck-Wasserstrahl um den Wärmeaustausch der Thruster, Magnetspule und Stromquellen. Wie in Abbildung 4dargestellt, besteht das System aus Pumpen Gruppe, Wassertank, Kühlschrank, Wasserversorgung Rohrleitungen und Pumpen-Steuerungen. Die nichtleitenden Rohre innerhalb der Vakuumkammer bieten einen kühlende Wasser-Terminal für die Thruster und Magnetspule und sorgt dafür, dass elektrische Isolierung zwischen der Anode, Kathode und den Boden.
Die Übernahme und Steuerung können die Signale messen Thruster Betriebsbedingungen und Steuerbetrieb anderer Systeme aufnehmen. Es besteht aus drei Computer und entsprechende Software, Übernahme Datenkarte und Kabel.
Wie in Abbildung 5gezeigt, besteht der Ziel Schub Stand Platte Ziel, schlanken Strahl, Wegsensor, Tragrahmen, axial bewegliche Plattform und radial bewegliche Plattform. Das Ziel kann das Plasma abfangen drückt das Ziel. Die Verschiebung des Ziels kann über einen Sensor platziert hinter dem Ziel, auf diese Weise ermöglicht die Bewertung der Schubkraft18gemessen werden.
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Protocol
1. Vorbereitung auf experiment
- Installieren Sie das Bugstrahlruder.
- Wischen Sie die Komponenten der Thruster Withnon Staub Tuch, getränkt mit wasserfreiem Alkohol in einem Reinraum.
- Montieren Sie die Anode mit dem Isolator.
- Die Kathode, Kathode Halter und Kathode Stecker zusammenbringen.
- Die Anode Teil den Kathode Teil hinzufügen.
- Installieren Sie den mittleren Stecker in der Assemblage und befestigen Sie sie mit Schrauben (Hexagon Socket Head Schraube, M5 × 16).
- Die Spule Sitz im Experiment Plattform mit Gabelstapler zu etablieren.
- Legen Sie die Experiment-Plattform auf Führungsschiene der Vakuumkammer.
- Installieren Sie die Thruster auf der Spule.
- Die Anode und Kathode mit entsprechenden elektrischen Leitungen zu verbinden.
- Die Magnetspule mit der Spule Stromquelle zu verbinden.
- Die Wasserkühlung Rohre und Treibmittel Zuleitung mit der Thruster zusammenschließen.
- Verbinden Sie sich die Wasserkühlung Rohre mit der Spule.
- Die bewegliche Plattform innerhalb der Kammer und befestigen Sie der Hauptteil des Schubes stehen darauf zu installieren.
- Passen Sie die Position der radialen bewegliche Plattform, die Steuerleitungen des Thrusters zu machen und das Ziel miteinander übereinstimmen.
- Kalibrieren Sie den Schub Stand.
- Laden Sie verschiedene Gewichte (10 g, 50 g, 100 g, 200 g), eins nach dem anderen auf die Kalibriervorrichtung und Aufzeichnung der entsprechenden Ausgabe des Standes Schub.
- Entladen Sie die Gewichte eins nach dem anderen.
- Wiederholen Sie den Vorgang mindestens dreimal.
- Berechnung der elastischen Koeffizient der Schub stehen nach der Kalibrierdaten.
- Die Vakuumkammer zu evakuieren.
- Schließen Sie die Tür der Kammer.
- Starten Sie die mechanischen Pumpen.
- Die molekularen Pumpen zu starten, wenn der Hintergrund-Druck in der Kammer niedriger als 5 ist PA.
- Die kryogenen Pumpen zu starten, wenn der Hintergrund-Druck in der Kammer geringer als 0,05 ist PA.
- Warten Sie, bis des Drucks, 1 x 10-4 PA zu erreichen
2. Zündung und Schub-Messung-Experiment
- Heizen Sie den Thruster, wenn es der Luft ausgesetzt war.
- Die Aufnahme des Signals.
- Die Treibladung Massenstrom auf 40 mg/s festgelegt und halten für mindestens 20 Minuten liefern
- Schalten Sie die Kühlwasserversorgung.
- Die Arbeitsfrequenz der Kühlung Wasserpumpen bei 10 Hz eingestellt.
- Bewegen Sie die Schub-Stand in die Position weit von der Thruster.
- Hilfsenergie einschalten der Spule mit der Spulenstrom von 90 A.
- Hilfsenergie einschalten der Thruster mit dem Entladestrom von 240 A.
- Hilfsenergie einschalten der Zündung.
- Halten Sie den Thruster für mindestens 5 Minuten arbeiten.
- Schalten Sie die Thruster Stromquelle und Treibmittel Lieferung.
- Beenden Sie die Aufnahme.
- Schub-Messung
- Verschieben Sie die Schub-Stand aus der Thruster zur Position 550 mm.
- Die Aufnahme des Signals.
- Starten Sie die Treibladung Versorgung.
- Entzünden des Thrusters mit 90 A Spulenstrom und 240 A Entladestrom.
- Erhöhung der Spulenstrom bis 150 A.
- Erhöhung der Entladestrom bis 800 A.
- Erhöhung der Spulenstrom bis 230 A.
- Der Thruster schalten Sie aus, wenn der Ausgang der Schub Stand stabil wird.
- Die Treibladung Versorgung zu stoppen.
- Beenden Sie die Aufnahme.
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Representative Results
Im Experiment wir Steuern Entladestrom (Id), Treibmittel Masse fließen rate(m) und Magnetfeld (Ba) angewendet. In Betrieb wir messen den Wert der Entladungsspannung (Vd) und Schub (T), von welcher Basis wir andere Leistung bekommen können Parameter wie Leistung (P), spezifische Impuls (Isp) und Effizienz (η)1Schub.
Ein typisches Signal der Entladespannung ist in Abbildung 6dargestellt. Nach Einleitung der Stromquelle werden eine Leerlaufspannung zwischen Anode und Kathode, dessen Wert etwa 230 V ist. Diese Ruhespannung ist nicht hoch genug, um das neutrale Treibmittel in der Entlastung Kammer brechen; Wir müssen eine hohe Frequenz Entladungsspannung zum Zünden des Thrusters anwenden. Nach der Zündung sinkt die Spannung schnell; dann die Spannung-Trends auf einen konstanten Wert nach einer Periode der Schwingung.
Ein typischer Schub Messergebnis ist in Abbildung 7dargestellt. Wir starten das Signal der Schub stehen vor dem Beginn der Versorgung mit Treibstoff, die als Null-Schub Punkt behandelt wird. Es werden ein schwache Schub nach Beginn der Versorgung mit dem Treibstoff. Nach der Zündung der Thruster werden ein großes Signal mit Schwingungen, woraufhin der Schub auf stetige Wert trends. Dann schalten wir Sie der Thruster. Es werden eine Null-Drift durch die thermische Verformung des Ziels; der Fehler verursacht durch diesen Effekt werden nicht mehr als 1 %.
Abbildung 8 zeigt den Einfluss der Entladestrom, angewandte Feld und Treibmittel Massenstrom auf Schub für Bogen macht bis zu 25 kW. Wir wählen: Id = 200 A, Ba = 100 mT, ṁ = 40 mg/s als Basisoperation Bedingung; eine Reihe von Experimenten werden durchgeführt, um mit den Basisdaten zu vergleichen. Nur eine Operation-Parameter ändert sich in jedem Kontrast-Experiment: der Entladestrom variierbar von 160 A bis 360 A; die angewandte Feldstärke ist von 34 mT bis 258 m variierbar; die Treibladung Massenstrom kann von 20 mg/s auf 80 mg/s variiert werden. Für die Bequemlichkeit des Vergleichs normalisieren wir diese drei Betriebsparameter, wie in der unteren x-Achse in Abbildung 8dargestellt. Wenn normalisierte Betriebsparameter 1.0 sind, bedeutet dies, dass die Betriebsbedingungen sind identisch mit der Basissuche. Zusammen mit der unteren x-Achse gibt es drei weitere x-Achsen auf der Oberseite, die zu den ursprünglichen Werten der drei Parameter entsprechen.
Abbildung 9 zeigt die Entlastung Eigenschaften während einer halben Stunde Dauerbetrieb. Es ist ersichtlich, dass die Thruster Trends eine Steady-State rasch nach der Zündung und die Spannung ist in diesem Zeitraum stabil.
Abbildung 10 zeigt Fotografien von der Tantal-Wolfram-Kathode vor und nach den Tests. Die Gesamtlaufzeit der Tests war 10 h, einschließlich eine halbe Stunde Dauerbetrieb und kurze Zeit testen für mehr als 90 beginnt. Es ist ersichtlich, dass die Erosion leicht und gleichmäßig auf der äußeren Oberfläche der Kathode verteilt ist. Nach diesem Ergebnis hat der Thruster das Potenzial, für eine lange Zeit zu betreiben.
Im Anschluss an den Dauerbetrieb Tests erkundeten wir die Leistung der Thruster im Leistungsbereich von 50-100 kW. Der Schub wurde gemessen, mit dem Ziel Schub-Stand und die Messung, die Ergebnisse sind in Abbildung 11dargestellt. Die beste Leistung erhält man bei 99,5 kW, wo die Stoßrichtung ist 3052 mN und spezifische Impuls ist 4359 s Schub Wirkungsgrad liegt bei 67 %. Darüber hinaus wurde ein theoretische Schubkraft-Wert berechnet, wie in GL. 1 (Mikellides12 ), mit gemessenen Schub Werte vergleichen; der größte Unterschied zwischen ihnen war 11,6 %.
(1)
(eine Kathode Radius ist Elektrode-Länge-Verhältnis; R ist Radius Verhältnis Elektrode; A ist Atomgewicht in atomare Masseneinheit und 
ist die Ionisation Faktor12.)
Wirkung der Thruster-Optimierung
Die resultierenden Werte des Schubes als Reaktion auf Veränderung der Systemparameter ist in Abbildung 8, wo ist ersichtlich, dass der Einfluss der Treibsatz Massenstrom auf den Schub des angelegten Feld ähnelt gezeigt. Da Gas dynamische Beschleunigung19 für ṁ empfindlich ist, kann es geschlossen werden, dass dynamische Beschleunigung Gaskomponente in unserem Thruster verstärkt wird. Darüber hinaus sollte Entlastung aktuelle und angewandten Bereich beeinflussen die elektromagnetischen Beschleunigung in mehrere verschiedene Mechanismen und deren Einfluss offensichtlich1. In unseren Experimenten ist die Stoßrichtung deutlich empfindlicher auf eine Erhöhung der Entladestrom im Vergleich zu der angewandten Bereich, wie in Abbildung 8dargestellt. Ein Aspekt dieses Verhalten möglicherweise aufgrund Gas dynamische Effekte von steigenden axiale Entladestrom aufgrund der spezifischen Treibmittel Versorgungsbetrieb durch die Kathode zu stärken. Darüber hinaus erreicht wie in Abbildung 11gezeigt, der MPD-Thruster eine höchste Schub-Effizienz von 67 %, vergleichbar mit die überlegene Effizienz der MPD-Triebwerke mit Treibgas von Alkalimetall-20. So sind die Auswirkungen von Änderungen am Entwurf zur Verbesserung der Leistung des MPD Thruster deutlich gesehen.
Darüber hinaus hatte unsere Thruster trotz der Tatsache, dass es keine Anode Region Treibmittel Versorgung, stabilen Betrieb bei einem Entladestrom von 800 A und Treibmittel Einspeisetarif von 70 mg/s. Zum Vergleich: der MPD-Thruster SX321 mit Treibmittel Teilleistung von der Anode erreicht eine Ausbruch Regime bei einem Entladestrom von 500 A und Treibmittel Einspeisetarif von 60 mg/s. basierend auf die Stabilität von einem MPD-Thruster mit kritischen Wert2/ṁ 22, ist der gegenwärtige Thruster SX3 leicht überlegen.
Ziel Schub Messfehler
Mit der Ziel-Schub-Messung ist es notwendig, Überschätzung der Schub bei der höchsten Leistung Operation zu vermeiden. Hier gehen wir davon aus, dass die Kollision zwischen dem Ziel und der schweren Teilchen im Plasma perfekt elastisch ist. So wird die Hälfte des gemessenen Schub als die wahren Schub übernommen. Darüber hinaus in der Strömung der Treibmittel zum Ziel, gehen wir davon aus, dass das Plasma vollständig durch das magnetische Feld beschränkt ist. Wir entschieden uns für die magnetischen Feldlinien, die durch den äußeren Bereich der Anode als die Grenze des magnetischen Düse übergeben. Geht man davon aus, dass die Plasmateilchen gleichmäßig in der Düse verteilt sind, wie in Abbildung 12dargestellt, bekommen wir die Reichweite des Plasmas in der Zielebene 704 mm im Durchmesser. Dann kann die Beziehung zwischen der gemessenen Schub und wahren Schub ausgedrückt werden:
(2)
wo F ist die gemessene Schub durch das Ziel und T wird die wahre gestoßen.
Darüber hinaus können aufgrund des Verhaltens der Barriere des Ziels, Treibmittel Partikel zurück in die Entlastung Kammer fließen. Vorausgesetzt, dass alle Partikel aus der Mitte des Ziels, freigegeben werden, wie in Abbildung 13dargestellt, und, dass die Verteilungen der Rückstrom Partikel der Kosinus Gesetz23, dann der Anteil der Wiedereintritt Teilchen gehorchen mit GL. 3 bewertet werden kann. Wenn der Rückfluss Partikel gleichmäßig in alle Richtungen des Raumes verteilen, wird der Anteil mit GL. 4 ausgedrückt werden. Die Variationen der Proportionen mit dem Ziel-Thruster Abstand Z, unter zwei Verteilung Annahmen sind in Abbildung 14aufgeführt. Bei der Messung Schub war die Ziel-Thruster Entfernung 550mm; So wurde der Anteil der Wiedereintritt Teilchen berechnet nicht mehr als 0,3 %.
Der Hintergrund-Druck beeinflussen auch die gemessenen Schubleistung. Wenn der Thruster die höchste Leistung erreicht, kann der Hintergrund-Druck im System auf 0,2 gehalten werden Pa mit den Massenstrom von 70 mg/s. Jedoch möglicherweise die gemessene Schub höher als der tatsächliche Wert wegen des Einflusses dieser hohen Hintergrund Druck20,24,25,. Um diese möglichen Einfluss zu beseitigen die Pumpendrehzahl des Vakuum-Systems erhöht werden sollte, und dies ist eine geplante Aktualisierung.
Das Ziel besteht aus elektrisch leitendem Material, und es ist vom Boden isoliert, während Schub-Messung. Allerdings gibt es ein Abfluss in die Wolke, die Interaktion mit dem Ziel und beeinflussen das Verhalten für die MPD Thruster Messung15aktuelle. Dies kann ein Einflussfaktor für das Ausmaß der Schub Effizienz und weitere Überlegung Wert ist.
(3)
(4)
Abbildung 1 . Schematische Darstellung des AF-MPD Thruster
Der Hauptteil des MPD Thruster umfasst Anode (Kupfer), Kathode (Tantal Wolfram), Isolator (Bornitrid), Kathode Halter (Kupfer) und Kathode Connector (Kupfer). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2 . Schematische Darstellung des Experiments System
Blaue Linien in Wasserkühlung: Hochdruck Kaltwasser; rote Linien in Wasserkühlung: Wasser erhitzt. Grüne Linien in Datenerfassungs-und Steuerungssystem: Signale der Betriebsparameter; braune Linien in Datenerfassungs-und Steuerungssystem: Signale der Steuerbefehle. Blaue Linien im Quellsystem macht: Drähte verbinden mit der Anode der Thruster und Magnetspule; rote Linie im Quellsystem macht: Drähte verbinden mit der Kathode der Thruster und Magnetspule. Blaues Trapez in der Mitte: Strahl des Thrusters. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3 . Experiment-Layout innerhalb der Vakuumkammer
Der Thruster befindet sich im Inneren der Spule Magnetfeld. Die Spule ist hinter dem Ziel Schub Stand; so wird der Thruster-Blick vom Ziel aus der Gesichtswinkel in der Abbildung behindert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4 . Wasserkühlung
(ein) Pumpen Gruppe, Wassertank und Kühlschrank (platziert außerhalb des Labors). (b) Hochdruck Metall Rohre liefern die Kühlung Wasser (außerhalb der Vakuumkammer). (c) Gelenke und isolierende Rohre liefern Kühlwasser für Elektroden und Magnetspule (innerhalb der Vakuumkammer). ()d) Pumpen Controller Einstellen der Durchflussmenge der Wasserpumpen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5 . Ziel-Methode-Schub-Stand
Die central Line der Thruster und das Ziel sind deckungsgleich mit einander. Die axiale Position des Ziels kann mit der beweglichen Plattform eingestellt werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6 . Typische Entladungsspannung für den Thruster
Entlade-Strom von 240 A, angewandte Feld 258 MT, Treibmittel Massenstrom von 40 mg/s. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7 . Typische Schub Mess-Signal
Entlade-Strom von 240 A, angewandte Feld 258 MT, Treibmittel Massenstrom von 40 mg/s. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8 . Eine Beeinflussung der Entlastung aktuelle, angewandte Feld und Treibmittel Massenstrom Schub, mit Bogen macht bis zu 25 kW. Abszisse unten stellt die normalisierten Betriebsparameter einschließlich:
ID (Entladestrom), Ba (angewandte magnetische Feldstärke) und ṁ (Treibsatz Massenstrom) mit Id = 200 A, Ba = 100 mT, ṁ = 40 mg/s als grundlegende Bedingungen, entsprechend dem Wert von 1 auf der unteren Abszisse ausgewählt. Abszissen oben entsprechen den ursprünglichen Werten der drei Parameter. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 9 . Aktuelle Dauerbetrieb und Spannung für Bogen macht der 36 kW
Drei durchgezogenen Linien sind bzw. Ausgangssignale für Entladespannung, Entlastung aktuelle und berechneten Bogen macht. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 10 . Anfängliche Kathode aussehen und Kathode nach Operation für insgesamt 10 Stunden.
Die linke Seite der Abbildung zeigt das Bild von Tantal Wolfram hohlen Kathode vor einer Entlastung; die Rechte Seite zeigt die Kathode nach insgesamt 10 Stunden unter Entlastung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 11 . Leistung des Thruster im Leistungsbereich von 50-100 kW
Punkte mit Stern-Symbole sind Werte der Schub durch Schub Formel12berechnet. Andere Symbole sind Werte des Schubes, gemessen mit dem Ziel, die Schub-Ständer. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 12 . Größe des Ziels im Vergleich zu der Geometrie des magnetischen Feldes schematische
Die gestrichelten Linien stellen Magnetische Feldlinien durch den äußeren Bereich der Anode. Das Magnetfeld innerhalb der gestrichelten Linien bilden eine schlanke magnetische Düse in den Raum. Der Durchmesser der Düse beträgt 704 mm bei der Zielebene, die 550 mm aus der Thruster im Experiment. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 13 . Schaltplan der Rückströmung Partikel Dynamik
Die abgestrahlten Pfeile aus dem Ziel stellen Rebound Partikel aus der Mitte des Ziels. Hier gehen wir davon aus, dass alle Partikel von der zentrale Punkt des Zieles erholen. Diese Annahme wird die Berechnung des Anteils der Wiedereintritt Partikel überschätzen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 14 . Prozentsatz der Rückfluss Treibmittel in die Entlastung Kammer
Die Linie mit den Symbolen der Quadrate repräsentiert den Anteil der Wiedereintritt Partikel basiert auf der Annahme, dass der Rückfluss-Partikel eine Kosinus-Verteilung gehorchen. Die Zeile mit Diamanten Symbole darstellt, die von einer Gleichverteilung. Die Abszisse ist der Abstand zwischen dem Ziel und der Anode verlassen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Discussion
Dieses Protokoll beschreibt die Prozesse der Schub Messung eine 100 kW-Klasse angewendet Feld MPD Thruster, Zündung und Betrieb. Der springende Punkt bei der Gestaltung einer MPD-Thruster für optimale Leistung ist die Wahl der richtigen Konfiguration entsprechend der spezifischen Zielsetzung. MPD-Triebwerke mit konvergent-divergente Anode können Steady State in einem großen Betriebsbereich funktionieren. Jedoch möglicherweise die Leistung niedriger als das Bugstrahlruder mit divergierenden Anode. Die hohle Kathode, vor allem der Multichannel-hohle Kathode, ist eine traditionelle Stab-Kathode in den meisten Aspekten überlegen. Anwendung der hohlen Kathode ist vorteilhaft zur Verbesserung der Thruster Leistung, und es bietet Möglichkeiten für Treibmittel Versorgung Modi. Herstellungskosten von einem hohlen Kathode ist relativ hoch, verglichen mit einer soliden Kathode.
Ein Flüssigkeitskreislauf Kühlung Struktur ist notwendig für den Betrieb des Thruster, wenn es mehr als 10 Minuten einwirken soll. Alternativ ist die Strahlung Kühlung eine andere Wahl26, die komplexe Kühlmittel Rohre vermeiden können. Dies kann jedoch eine große radiale Größe des Thruster führen. Darüber hinaus kann eine Heatpipe eine andere Wahl, als im eigentlichen Weltraummission beschäftigt sein.
Ein äußeres Magnetfeld ist unverzichtbar für die AF-MPD-Thruster. Das Feld kann durch eine traditionelle Magnetspule bereitgestellt werden, wie beschrieben in das Protokoll oder ein Permanent-Magnet. Darüber hinaus ist die Supraleitung ein potenzieller Kandidat, der viel stärkeres Magnetfeld als traditionelle Spule und der Masse, von denen auch kleiner als die traditionellen Magnetspule ist, bieten können.
Um die Schub-Messung-Experiment zu halten, die Hintergrund-Druck sollte niedriger sein als 0,013-0,13 Pa1. Andernfalls kann der Vorgang des Thruster beeinflusst werden. Darüber hinaus nach Forschung27gibt es Abfluss Strömungen in den Federn der MPD-Triebwerke und der am weitesten Strom erreichen die Position 90 cm von dem Thruster in axialer Richtung. Somit ist die Erhöhung der Größe der Kammer für verringern den Einfluss der Anlage am Thruster vorteilhaft.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der grundlegenden Research Program (Nr. unterstützt. JCKY2017601C). Wir freuen uns über die Unterstützung von Thomas M. York, emeritierter Professor an der Ohio State University.
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 |
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