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Engineering

Un 100 KW classe champ appliqué Magnetoplasmadynamic Thruster

Published: December 22, 2018 doi: 10.3791/58510
Automatic Translation
1, 2, 1, 1, 3, 1, 3, 3, 4, 2
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

Summary

Ce protocole vise à introduire la conception d’un 100 magnetoplasmadynamic thruster de kW classe champ appliqué et méthodes expérimentales pertinentes.

Abstract

Applied-field magnetoplasmadynamic propulseurs (propulseurs MPD-AF) sont des accélérateurs de l’hybride dans lequel électromagnétique et processus de dynamique de gaz accélèrent plasma à haute vitesse ; ils possèdent un potentiel considérable pour des applications spatiales futures avec des avantages importants de haute impulsion spécifique et la densité de poussée. Dans cet article, nous présentons une série de protocoles pour concevoir et fabriquer une classe de 100 kW de propulseur AF-MPD avec refroidissement par eau des structures, une tension de décharge maximale 130 V, un 800 une décharge maximale actuelle et une force maximale de 0,25 T de champ magnétique. Une cathode de tungstène de tantale creux sert l’entrée seulement propergol pour inhiber la décharge radiale, et il est positionné selon l’axe à l’arrière de l’anode afin de soulager la famine de l’anode. Une anode de cuivre cylindrique divergente est employée pour réduire les dépôts de puissance anode, où la longueur a été réduite pour diminuer la zone de raccordement mural-plasma. Expériences utilisé un vide qui peut atteindre une pression de travail de 0,01 Pa pour un débit total de masse propulsif taux inférieur à 40 mg/s et une cible butée stand. Les tests de propulseur ont été réalisées pour mesurer les effets des paramètres du travail tels que les débits de propergol, le courant de décharge et la force du champ magnétique appliqué sur la performance et de permettre une analyse appropriée. Le propulseur peut fonctionner en continu pendant de longues périodes de temps avec peu d’érosion sur la surface de la cathode creuse. La puissance maximale de l’hélice est de 100 kW et la performance de cette configuration refroidi à l’eau est comparable à celle de propulseurs rapportées dans la littérature.

Introduction

Propulseurs MPD sont bien connus pour une densité relativement élevée de poussée et une forte impulsion spécifique1,2,3. Cependant, l’efficacité de poussée typique1 de propulseurs MPD est relativement faible, surtout avec les propulseurs des gaz nobles4,5,6. Pour la plupart des propulseurs MPD, une partie du débit carburant est injectée dans la chambre de décharge d’une fente entre l’anode et la cathode7,8 , de sorte qu’une composante radiale est une part importante de la décharge totale. Cependant, afin de générer la poussée, les effets cinétiques radiales doivent être convertis en mouvement cinétique axial avec une buse de physique ou d’une tuyère magnétique. Par conséquent, un élément clé de l’hélice de MPD de conception nouvelle est que tous les ergols est fourni par le biais de la cathode, qui peut agir pour empêcher le refoulement radial ; de cette façon, la proportion d’énergie axial peut être augmentée. Il y a un effet additionnel que le paramètre de Hall dans le plasma autour de l’anode peut être augmenté par la diminution de la densité autour de l’anode, ce qui peut renforcer la composante d’accélération Hall9. Puisque le propulseur est proche de la surface intérieure de la cathode où des quantités importantes d’électrons initiaux sont émises dans ce mode d’injection, le taux d’ionisation propergol peut être augmenté considérablement. En outre, la longueur de l’anode a été réduit au minimum pour réduire la zone de raccordement mural-plasma et réduire anode puissance dépôts10,11. Comme une anode divergente est appliquée, ce va diminuer l’angle entre l’anode et les lignes de champ magnétique et réduire anode puissance dépôts autres12,13.

Malgré les avantages susmentionnés pour améliorer les performances, complète approvisionnement en carburant par injection de cathode peut augmenter le risque de mourir de faim d’anode qui peut se traduire par « apparition » phénomènes14. Pour empêcher ce comportement, nous avons retiré la cathode à la base de l’anode. Les électrons peuvent alors se diffuser suffisamment dans le sens radial avant de quitter à la sortie de l’anode, qui agira pour soulager la famine de l’anode. En outre, une cathode creuse multicanal est adoptée ; par rapport à la cathode creuse monocanal, une cathode creuse multicanal peut augmenter la surface d’émission électronique et faire la distribution du propergol plus uniforme. Avec cette modification, la durée de vie et la stabilité de l’hélice peuvent être accrue de15,16,17.

La puissance conçue de l’hélice est de 100 kW et une structure de refroidissement est nécessaire avec fonctionnement stabilisé. Les expériences de laboratoire présente une structure efficace de refroidissement par eau est employée. Toutefois, pour évaluer la performance de la conception de propulseur MPD, il est essentiel d’obtenir la poussée. Avec l’application d’un système d’eau à haute pression pour transférer la chaleur, il y aura de fortes vibrations lors de l’opération de refroidissement, qui peut créer une interférence significative si nous avons utilisé des mesures traditionnelles de poussée. En conséquence, un stand de cible de poussée sert à mesurer la poussée.

Propulseur MPD

Comme illustré à la Figure 1, le propulseur MPD se compose d’anode, cathode et l’isolant. L’anode est en cuivre avec une tuyère divergente cylindrique, le diamètre intérieur minimal qui est de 60 mm. Il y a un canal de refroidissement en forme de S autour de la paroi interne de l’anode. L’entrée et la sortie du canal sont sur le dessus de l’anode, qui sont séparées par une cloison. Un bloc de cuivre mince est employé pour se connecter à l’anode et le câble électrique. La jonction est sur la surface externe de l’anode.

La cathode est fabriquée en tungstène de tantale, 9 canaux de propergol. Le diamètre extérieur de la cathode est 16 mm. Le refroidissement de la cathode est réalisé avec un support de refroidissement par eau autour de la base de la cathode. Il y a un canal en forme d’anneau à l’intérieur de la porte. L’eau froide est injectée dans la porte du fond et s’écoule par le haut. Il y a un connecteur de cathode creuse sur le côté gauche de la cathode. Le carburant traverse le centre du connecteur et dans la chambre de la cathode creuse ; Il y a une grande cavité à l’intérieur de la base de cathode reliant 9 canaux cylindrique étroit. La cavité agit comme un tampon pour augmenter l’uniformité de la distribution de propergol dans neuf canaux. La cathode est reliée au câble électrique avec un bloc de cuivre annulaire, qui est installé autour du connecteur de la cathode.

Outre le corps principal de l’hélice, une bobine magnétique externe est également nécessaire pour générer des champs pour les mécanismes dans le propulseur MPD-AF ; champs magnétiques fournissent un champ magnétique convergente-divergente pour accélérer le plasma ainsi que le champ électrique. La bobine de champ se compose de 288 tours de tuyaux en cuivre circulaire, qui agissent comme le passage pour les deux eau actuel et refroidissement électrique. Le diamètre intérieur de la bobine est 150 mm, tandis que le diamètre extérieur est de 500 mm. La plus haute résistance de champ au centre est de 0,25 T avec courant de 230 A.

Système d’expérience

Le système d’expérience comprend six sous-systèmes. Le schéma de la disposition générale du système expérimental est illustré à la Figure 2; la disposition de l’hélice à l’intérieur de la chambre à vide est illustrée à la Figure 3.

Tout d’abord, le système d’aspiration, qui fournit l’environnement sous vide nécessaire pour le fonctionnement de l’hélice d’étrave, se compose d’une chambre à vide, deux pompes mécaniques, une pompe moléculaire et quatre pompes cryogéniques. Le diamètre de la chambre est de 3 m et la longueur est de 5 m. La pression de l’environnement peut être maintenue en vertu de 0,01 Pa lorsque le débit de gaz propulseur (argon) n’est pas plus de 40 mg/s.

Deuxièmement, ce système source fournit une impulsion de haute tension pour enflammer le propulseur, fournit la puissance pour le propulseur d’accélérer le plasma et fournit l’alimentation de la bobine de champ magnétique maintenir le champ magnétique externe. Le système de source d’alimentation se compose d’une source de courant d’allumage, un propulseur électrique, une source d’alimentation de bobine et câbles. La source de courant d’allumage peut fournir 8 kV ou tension de 15 kV de décharge. La source d’alimentation de propulseur fournit un courant continu jusqu'à 1000 A. La source d’alimentation de bobine fournit un courant continu jusqu'à 240 A.

Troisièmement, le système d’approvisionnement en carburant nourrit de propulseur de gaz pour les propulseurs. Le système comprend principalement la source de gaz, le contrôleur de débit massique et gaz d’alimentation pipelines.

Le sous-système de quatrième est le système de refroidissement par eau, qui fournit de l’eau à haute pression cool pour échanger la chaleur du propulseur, bobine magnétique et sources d’énergie. Comme illustré à la Figure 4, le système compose du groupe de pompes, réservoir d’eau, réfrigérateur, contrôleurs de pompes et des canalisations d’eau. Les tuyaux non conductrice à l’intérieur de la chambre à vide fournissent un terminal refroidissement de l’eau pour le propulseur et la bobine magnétique et assure l’isolation électrique entre l’anode et la cathode au sol.

L’acquisition et le système de contrôle peuvent d’enregistrer les signaux de mesure les conditions de fonctionnement de propulseur et contrôle fonctionnement des autres systèmes. Il est composé de trois ordinateurs correspondants logiciels, carte d’acquisition de données et câbles.

Comme illustré à la Figure 5, le stand de la cible de poussée se compose de cible plaque, mince faisceau, capteur de déplacement, piétement, plate-forme mobile axial et radial plate-forme mobile. La cible peut intercepter le plasma qui pousse la cible. Le déplacement de la cible peut être mesuré par un capteur placé derrière la cible, de cette façon permettant l’évaluation de la poussée18.

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Protocol

1. Préparation pour expérience

  1. Installer le propulseur.
    1. Essuyer les composants de la toile de withnon-poussière de propulseur, imbibée d’alcool anhydre, dans une salle blanche.
    2. Assembler l’anode avec l’isolant.
    3. Réunir le cathode, le titulaire de la cathode et le connecteur de la cathode.
    4. Ajouter une partie de la cathode à la partie de l’anode.
    5. Installez le connecteur intermédiaire dans l’assemblage et le fixer avec les vis (vis à tête cylindrique à six pans creux, M5 × 16).
    6. Établir le siège de la bobine sur la plate-forme d’expérimentation avec chariot élévateur.
    7. Placez la plateforme d’expérimentation sur le rail de guidage de la chambre à vide.
    8. Installer le propulseur sur la bobine.
    9. Lien vers l’anode et la cathode avec des câbles électriques correspondants.
    10. Lien vers la bobine magnétique avec la source d’alimentation de bobine.
    11. Rejoignez les tuyaux de refroidissement par eau et le tuyau d’approvisionnement en carburant avec le propulseur.
    12. Rejoindre les tuyaux de refroidissement par eau avec la bobine.
    13. Installer la plateforme mobile à l’intérieur de la chambre et le fixer que le corps principal de poussée se tenir dessus.
    14. Régler la position de la plate-forme mobile radiale pour faire les lignes de commande de l’hélice et la cible coïncident avec l’autre.
  2. Calibrer le stand de poussée.
    1. Charger un poids différent (10 g, 50 g, 100 g, 200 g), un par un, sur le dispositif d’étalonnage et le dossier correspondants sortie du stand poussée.
    2. Décharger les poids un par un.
    3. Répétez l’opération trois fois au moins.
    4. Calculer le coefficient élastique du stand poussée selon les données de calibration.
  3. Évacuer la chambre à vide.
    1. Fermer la porte de la chambre.
    2. Démarrer les pompes mécaniques.
    3. Démarrer les pompes moléculaires lorsque la pression de fond dans la chambre est inférieure à 5 pa.
    4. Démarrer les pompes cryogéniques, quand la pression de fond dans la chambre est inférieure à 0,05 pa.
    5. Attendre que la pression atteindre 1 x 10-4 pa.

2. allumage et expérience de mesure de poussée

  1. Préchauffer le propulseur si elle a été exposée à l’air.
    1. Démarrer l’enregistrement du signal.
    2. Définir le débit massique de propergol à 40 mg/s et la fourniture de conserver pendant au moins 20 minutes
    3. Allumez l’alimentation en eau refroidissement.
    4. Définissez la fréquence de travail de refroidissement des pompes à eau à 10 Hz.
    5. Déplacer le meuble de poussée à la position éloignée du propulseur.
    6. Allumez la source d’alimentation de bobine avec le courant de la bobine de 90 A.
    7. Allumez la source de puissance d’étrave avec le courant de décharge de 240 A.
    8. Allumez la source de courant d’allumage.
    9. Gardez le propulseur fonctionne pendant au moins 5 minutes.
    10. Couper la source d’alimentation de propulseur et l’approvisionnement en carburant.
    11. Arrêter l’enregistrement.
  2. Mesure de la poussée
    1. Déplacer la barre de poussée vers la position 550 mm du propulseur.
    2. Démarrer l’enregistrement du signal.
    3. Commencer l’approvisionnement en carburant.
    4. Enflammer le propulseur avec 90 bobine A actuel et 240 une décharge actuelle.
    5. Augmenter la spirale actuelle à 150 A.
    6. Augmentation de la décharge actuelle à 800 A.
    7. Augmenter la bobine en courante à 230 A.
    8. Éteignez le propulseur lors de la sortie du stand de la poussée devient stable.
    9. Arrêter l’approvisionnement en carburant.
    10. Arrêter l’enregistrement.

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Representative Results

Dans l’expérience, nous contrôlons le courant de décharge (Id), masse propulsive flux rate(m) et appliqué champ magnétique (Ba). En fonctionnement, on mesure la valeur de tension de décharge (Vd) et (T) de poussée, de quelle base nous pouvons obtenir d’autres performances paramètres comme puissance (P), impulsion spécifique (Isp) et efficacité (η)1de poussée.

Un signal typique de tension de décharge est illustré à la Figure 6. Lors de l’initiation de la source d’alimentation, il y aura une tension de circuit ouvert entre l’anode et la cathode, dont la valeur est environ 230 V. Cette tension en circuit ouvert n’est pas assez élevée pour décomposer le propulseur neutre dans la chambre de décharge ; Nous avons besoin d’appliquer une tension de décharge haute fréquence pour enflammer le propulseur. Après l’allumage, la tension diminuera rapidement ; Ensuite, les tendances de tension à une valeur constante après une période d’oscillation.

Un résultat de mesure de poussée typique est montré à la Figure 7. Nous avons commencer l’enregistrement du signal de la barre de poussée avant d’amorcer l’approvisionnement du propergol, qui est traité comme point zéro poussée. Il y aura une faible poussée après le début de l’approvisionnement du propergol. Après l’allumage de l’étrave, il y aura un grand signal avec des oscillations, après quoi la poussée est généralement de valeur constante. Ensuite nous couper le propulseur. Il y aura une dérive de zéro en raison de la déformation thermique de la cible ; l’erreur causée par cet effet sera pas plus de 1 %.

La figure 8 montre l’Influence du courant de décharge, champ appliqué et le débit-masse propulsive orientation pour arc sur alimenter jusqu'à 25 kW. Nous choisissons : Id = 200 A, Ba = 100 mT, ṁ = 40 mg/s, comme une condition de fonctionnement de base ; une série d’expériences sont menées pour comparer avec les données de base. Paramètre d’opération qu’une seule sera changé dans chaque expérience de contraste : le courant de décharge réglable de 160 A à 360 A ; la force de champ appliqué peut varier de 34 mT à 258 mT ; le débit massique de propergol peut varier de 20 mg/s à 80 mg/s. Pour la commodité de comparaison, nous normalisons ces paramètres de fonctionnement, comme illustré dans l’axe des abscisses du bas de la Figure 8. Lorsque les paramètres d’opération normalisées sont 1.0, cela signifie que les conditions de fonctionnement sont les mêmes que celui de base. Ainsi que l’axe des abscisses du bas, il y a trois x-axes plus sur le dessus, qui correspondent aux valeurs d’origine des trois paramètres, respectivement.

La figure 9 illustre les caractéristiques de décharge pendant une demi-heure de fonctionnement continu. On voit que les tendances de propulseur à un état d’équilibre rapidement après l’allumage et la tension est stable pendant cette période.

La figure 10 présente des photographies de la cathode de tungstène de tantale, avant et après les essais. La duree totale des tests a été de 10 h, y compris le fonctionnement continu d’une demi-heure et peu de temps stable pour plus de 90 commence. On voit que l’érosion est légère et distribués uniformément sur la surface extérieure de la cathode. Selon ce résultat, le propulseur a le potentiel pour l’exploitation pendant une longue période.

Après les essais de fonctionnement en continu, nous avons exploré la performance de l’hélice dans la gamme de puissance de 50 à 100 kW. La poussée a été mesurée avec le stand de la cible de poussée et la mesure des résultats sont indiquées à la Figure 11. Les meilleurs résultats sont obtenus à 99,5 kW, où la poussée est 3052 mN, impulsion spécifique est 4359 s et efficacité de la poussée est de 67 %. En outre, une valeur théorique de poussée a été calculée, comme dans l’équation 1 (Mikellides12 ), à comparer avec les valeurs de la poussée mesurée ; la plus grande différence entre eux était de 11,6 %.

Equation 1(1)

(un est rayon cathodique à rapport de longueur d’électrode ; R est le rapport du rayon électrode ; A est la masse atomique en unité de masse atomique et Equation 2 est l’ionisation facteur12.)

Effet de l’optimisation de l’hélice d’étrave

Les valeurs résultantes de poussée en réponse aux variations des paramètres du système est illustré à la Figure 8, où il s’avère que l’influence du débit massique de propergol sur le chevauchement est semblable à celle du champ appliqué. Comme gaz accélération dynamique19 est sensible à ṁ, on peut conclure que le composant de gaz accélération dynamique est renforcé dans notre étrave. En outre, le champ actuel et appliquée de décharge affecte l’accélération électromagnétique dans plusieurs mécanismes et leur influence devrait être évidente1. Dans nos expériences, la poussée est beaucoup plus sensible à une augmentation du débit actuel par rapport à celui du champ appliqué, comme illustré à la Figure 8. Un des aspects de ce comportement peuvent être dû à renforcer les effets dynamiques de gaz d’augmenter axial décharge de courant en raison du mode d’approvisionnement en carburant spécifique par le biais de la cathode. En outre, tel qu’illustré à la Figure 11, le propulseur MPD atteint une plus grande efficacité de la poussée de 67 %, ce qui est comparable à l’efficacité supérieure de propulseurs MPD avec poudre de métal alcalin20. Ainsi, les effets des modifications de la conception sont vus à améliorer de manière significative les performances du propulseur MPD.

En outre, malgré le fait qu’il n’y a aucun approvisionnement en carburant anode région, notre étrave avait un fonctionnement stable à un courant de décharge de 800 A et le taux d’approvisionnement en carburant de 70 mg/s. Par comparaison, le propulseur MPD SX321 avec l’approvisionnement en carburant partielle de l’anode, atteint un régime apparition à un courant de décharge de 500 A et le taux d’approvisionnement en carburant de 60 mg/s. basé sur la stabilité d’un propulseur MPD avec la valeur critique, j’ai2/ṁ 22, le propulseur présent est légèrement supérieur au SX3.

Erreurs de mesure de poussée cible

Avec l’évaluation de la cible de poussée, il faut éviter de surestimer la poussée à l’opération de rendement plus élevée. Ici, nous supposons que la collision entre la cible et les particules lourdes dans le plasma est parfaitement élastique. Ainsi, la moitié de la poussée mesurée est considérée comme la vraie poussée. En outre, dans le flux de carburant à la cible, nous supposons que le plasma est complètement limité par le champ magnétique. Nous avons choisi les lignes de champ magnétique qui passent par la plage extérieure de l’anode comme limite de tuyère magnétique. En supposant que les particules de plasma sont distribuées uniformément dans la buse, comme illustré à la Figure 12, nous pouvons obtenir la gamme du plasma sur le plan de la cible, 704 mm de diamètre. Alors la relation entre la poussée mesurée et la vraie poussée peut être exprimée comme :

Equation 3(2)

où F est la poussée mesurée par la cible et T est la vraie poussée.

En outre, en raison du comportement de la barrière de la cible, particules de propergol peuvent refluer dans la chambre de décharge. En supposant que toutes les particules sont libérées par le centre de la cible, tel qu’illustré à la Figure 13, et que les distributions de reflux particules obéissent le cosinus loi23, puis la proportion de particules de rentrée peut être évaluée avec EQ. 3. Si les particules de reflux distribuent uniformément dans toutes les directions de l’espace, la proportion sera exprimée avec EQ. 4. Les variations des proportions avec la cible-propulseur distance z, selon deux hypothèses de répartition, sont répertoriées à la Figure 14. Dans la mesure de la poussée, la distance de la cible-propulseur était de 550mm ; ainsi, la proportion de particules de rentrée a été évaluée à pas plus de 0,3 %.

La pression de fond peut aussi influer sur les performances de la poussée mesurée. Lorsque le propulseur atteint les performances les plus élevées, la pression de fond dans le système peut être maintenue à 0,2 Pa avec le débit massique de 70 mg/s. Cependant, la poussée mesurée peut être supérieure à la valeur réelle en raison de l’influence de ce fond haute pression20,24,25,. Pour éliminer cette éventuelle influence la vitesse de la pompe du système sous vide doit être augmentée, et il s’agit d’une mise à niveau planifiée.

La cible est en matériau conducteur électrique, et elle est isolée du sol pendant la mesure de la poussée. Cependant, il y a une sortie courant dans le panache qui peut-être interagir avec la cible et influencent le comportement pour le MPD propulseur mesure15. Ceci peut être un facteur qui influe sur l’ampleur de l’efficacité de la poussée et mérite un examen plus approfondi.

Equation 4(3)

Equation 5(4)

Figure 1
Figure 1 . Diagramme schématique de l’hélice de l’AF-MPD
Le corps du propulseur MPD comprend anode (cuivre), cathode (tungstène de tantale), isolant (nitrure de bore), titulaire de la cathode (cuivre) et connecteur de cathode (cuivre). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 . Schéma de principe du système de l’expérience
Bleu de lignes dans le système de refroidissement : l’eau froide à haute pression ; les lignes rouges dans le système de refroidissement : l’eau chauffée. Vert les lignes dans le système de contrôle et d’acquisition : signaux des paramètres d’exploitation ; dorer les lignes dans le système de contrôle et d’acquisition : signaux d’instructions de contrôle. Blue lines en système de source d’alimentation : câbles de connexion à l’anode d’hélice d’étrave et bobine magnétique ; ligne rouge dans le système de source d’alimentation : fils se reliant à la cathode de propulseur et la bobine magnétique. Trapèze bleu au milieu : faisceau de l’hélice.  S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 . Présentation d’expérience à l’intérieur de la chambre à vide
Le propulseur est positionné à l’intérieur de la bobine de champ magnétique. La bobine est derrière le stand cible de poussée ; ainsi, la vue de propulseur est obstruée par la cible de l’angle visuel sur la figure. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 . Système de refroidissement
(un) groupe de pompes, réservoir d’eau et réfrigérateur (placé à l’extérieur du laboratoire). (b) métal haute pression tuyaux fournissant le refroidissement de l’eau (à l’extérieur de la chambre à vide). (c) Joints et tuyaux isolants fournissant l’eau de refroidissement pour électrodes et bobine magnétique (à l’intérieur de la chambre à vide). (d) contrôleurs de pompes à régler le débit des pompes à eau. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 . Stand de chevauchement de méthode cible
La ligne centrale de l’étrave et la cible sont coïncider entre eux. La position axiale de la cible est réglable avec la plate-forme mobile. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 . Tension de décharge typique pour le propulseur
Décharge de courant de 240 A, champ appliqué sur 258 mT, débit massique gaz propulseur de 40 mg/s. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 7
Figure 7 . Signal de mesure de poussée typique
Décharge de courant de 240 A, champ appliqué sur 258 mT, débit massique gaz propulseur de 40 mg/s. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 8
Figure 8 . Influence de la décharge actuelle, appliqué champ et le débit massique de propergol sur le sien, avec arc de puissance maximum de 25 kW. Abscisse en bas représente les paramètres de fonctionnement normalisées, y compris :
ID (courant de décharge), Ba (intensité du champ magnétique appliquée) et ṁ (débit massique de propergol) avec l’Id = 200 A, Ba = 100 mT, ṁ = 40 mg/s sélectionné comme des conditions de fonctionnement de base, correspondant à la valeur de 1 sur l’axe des abscisses bas. Abcisse sur le dessus correspondre aux valeurs d’origine des trois paramètres. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 9
Figure 9 . Fonctionnement continu courant et tension de puissance d’arc de 36 kW
Trois lignes pleines sont des signaux de sortie pour la tension de décharge, décharge actuelle et calculées arc puissance, respectivement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 10
Figure 10 . Apparence initiale de cathode et cathode après opération pour totales 10 heures.
Le côté gauche de la figure montre l’image de la cathode creuse de tantale tungstène avant de subir la décharge ; du côté droit montre la cathode après un total de 10 heures en vertu de la décharge. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 11
Figure 11 . Rendement de l’hélice dans la gamme de puissance de 50 à 100 kW
Points avec étoiles symboles sont des valeurs de poussée calculée par la formule orientation12. Autres symboles sont des valeurs de la poussée mesurée avec le support de cible de poussée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 12
Figure 12 . Schématique de la taille de la cible par rapport à la géométrie du champ magnétique
Les lignes pointillées représentent les lignes de champ magnétique à travers la gamme externe de l’anode. Le champ magnétique dans les lignes pointillées peuvent former une tuyère magnétique élancée dans l’espace. Le diamètre de la buse est 704 mm sur le plan de la cible, qui est de 550 mm de l’étrave à l’expérimentation. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 13
Figure 13 . Schématique de la dynamique de particules de reflux 
Les flèches rayonnées à la cible représentent des particules de rebond depuis le centre de la cible. Ici, nous supposons que toutes les particules rebondissement après le point central de la cible. Cette hypothèse surestime le calcul de la proportion des particules de la rentrée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 14
Figure 14 . Pourcentage de propergol de reflux dans la chambre de décharge
La ligne avec les symboles des carrés représente la proportion des particules de rentrée basée sur l’hypothèse que les particules de refoulement obéissent à une distribution de cosinus. La ligne avec symboles de diamant qui représente d’une distribution uniforme. L’abscisse est la distance entre la cible et la sortie de l’anode. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Ce protocole décrit les processus d’allumage, fonctionnement et mesure de la poussée d’un propulseur MPD champ de 100 kW classe appliqué. Le point clé dans la conception d’un propulseur MPD pour une performance optimale est de choisir la bonne configuration selon l’objectif spécifique. Propulseurs MPD avec anode convergente-divergente peuvent fonctionner stationnaire dans une plage de la grande opération. Cependant, la performance peut être plus bas que le propulseur avec anode divergente. La cathode creuse, en particulier la cathode creuse multicanaux, est supérieure à une cathode de canne traditionnelle dans la plupart des aspects. Application de la cathode creuse est bénéfique pour améliorer la performance de l’hélice d’étrave, et il permet de choisir des modes d’approvisionnement en carburant. Coût d’une cathode creuse de fabrication est relativement élevé par rapport à la cathode solide.

Un circuit de fluide structure de refroidissement est nécessaire pour le fonctionnement de l’hélice si il est conçu pour fonctionner pendant plus de 10 minutes. Alternativement, le rayonnement est un autre choix26, qui peut éviter des conduites de liquide de refroidissement complexe. Toutefois, cela peut entraîner une grande taille radiale de l’hélice. En outre, un tuyau de chaleur peut être un autre choix lorsqu’ils travaillent dans la mission dans l’espace réel.

Un champ magnétique externe est indispensable pour le propulseur MPD-AF. Le champ peut être fourni par une bobine traditionnelle, comme décrit dans le protocole, ou à un aimant permanent. En outre, la supraconductivité est un candidat potentiel, qui peut apporter beaucoup plus fort champ magnétique que les traditionnelles bobines et la masse que qui est également inférieur à la bobine magnétique traditionnel.

Pour maintenir l’expérience de mesure de poussée, la pression de fond doit être inférieure à 0,013-0,13 Pa1. Dans le cas contraire, le fonctionnement de l’hélice peut être influencé. En outre, selon la recherche27, il y a des courants de sortie dans les panaches de propulseurs MPD et le courant plus éloigné peut atteindre la position 90 cm du propulseur dans le sens axial. Ainsi, il est bénéfique pour diminuer l’influence de l’installation sur le propulseur d’augmentation de la taille de la chambre.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par le programme de recherche fondamentale (No. JCKY2017601C). Nous vous remercions de l’aide de Thomas M. York, professeur émérite à l’Université Ohio State.

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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References

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Tags

Ingénierie numéro 142 propulsion électrique 100 classe kW état d’équilibre cible de refroidissement par eau propulseur AF-MPD conception de propulseur multicanaux cathode creuse tungstène de tantale mesure de poussée
Un 100 KW classe champ appliqué Magnetoplasmadynamic Thruster
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Wang, B., Tang, H., Wang, Y., Lu,… More

Wang, B., Tang, H., Wang, Y., Lu, C., Zhou, C., Dong, Y., Wang, G., Cong, Y., Luu, D., Cao, J. A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster. J. Vis. Exp. (142), e58510, doi:10.3791/58510 (2018).

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