Yöntem makalesi

100 KW sınıf uygulanan alan Magnetoplasmadynamic pervane

DOI:

10.3791/58510

⸱

22 Aralık 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

Bu makalede

Özet

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

Bu protokol bir 100 tasarımını tanıtmak için hedeftir kW sınıf uygulanan alan magnetoplasmadynamic pervane ve ilgili deneysel yöntemleri.

Özet

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

Uygulanan alan magnetoplasmadynamic (AF-MPD iticileri) hibrid gaz pedalı içinde hangi elektromanyetik iticiler ve gaz dinamik süreçler plazma için yüksek hız hızlandırmak; Onlar yüksek özel dürtü önemli avantajları ile gelecekteki uzay uygulamaları için önemli bir potansiyel var ve yoğunluk itme. Bu yazıda, tasarlama ve yapıları, 130 V en fazla deşarj gerilim, 800 A maksimum basma geçerli ve bir 0,25 T en güçlü manyetik alan yüzgeçlerini ile AF-MPD itici bir 100 kW sınıf üretim için kullanılan protokol bir dizi mevcut. İçi boş Tantal tungsten katot radyal deşarj etkisizleştirmek için sadece yakıt giriş davranır ve bu eksenel anot arkatarafında anot açlık rahatlatmak için yerleştirilir. Silindirik ıraksak Bakır anot anot güç biriktirme, nerede uzunluğu duvar-plazma bağlantı alanı azaltmak için azaltılmış azaltmak için istihdam edilmektedir. Deneylerde kullanılan bir vakum bir çalışma vakum 0.01 elde edebilirsiniz sistem Pa bir toplam yakıt kitle akış oranı 40 mg daha düşük/s ve bir hedef itme stand. Pervane testler uygun analiz izin veren ve performans yakıt akış oranları, basma geçerli ve uygulanan manyetik alan gücü gibi çalışma parametreleri etkilerini ölçmek için yapılmıştır. Pervane sürekli oyuk katot yüzeyinde küçük erozyon ile önemli bir süre için ameliyat. 100 en büyük itici güçtür kW ve bu su soğutmalı yapılandırmasının performansını bu literatürde bildirilen iticileri ile karşılaştırılabilir.

Giriş

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

MPD iticiler bir nispeten yüksek itme yoğunluğu ve yüksek özel dürtü1,2,3için bilinen. Ancak, MPD iticileri tipik itme verimliliği1 göreceli olarak düşük, özellikle İtici motorları noble gazlar4,5,6ile biridir. Çoğu MPD motorlar için yakıt akışının bir parçası bir yarık anot ve katot7,8 , radyal bir bileşen toplam deşarj önemli bir bölümünü sonuç ile arasında deşarj odasından içine enjekte edilir. Ancak, itme oluşturmak için radyal kinetik etkileri fiziksel bir meme veya manyetik bir meme ile Aksiyel kinetik hareket halinde dönüştürülmesi gerekir. Buna göre bir ana yeni tasarım MPD pervane bütün itici radyal deşarj etkisizleştirmek için hareket edebilir katot sağlanan özelliğidir; Bu şekilde, eksenel enerji oranı artabilir. Plazma anot etrafında Hall parametresinde Hall ivme bileşen9güçlendirebilir anot çevresinde sayı yoğunluğu azaltmak tarafından artırılabilir o eklenen bir etkisi vardır. İtici nerede ilk elektron büyük miktarlarda enjeksiyon Bu modda yayılan katot iç yüzeyine yakın olduğundan, itici iyonlaşma oranı büyük ölçüde artırılabilir. Ayrıca, anot uzunluğu duvar-plazma bağlantı alanı azaltmak ve anot güç ifade10,11azaltmak için minimize. Farklı bir anot uygulandığı gibi bu anot ve manyetik alan çizgileri arasındaki açı azaltmak ve anot güç ifade daha fazla12,13azaltmak.

Performansı artırmak için yukarıda belirtilen avantajları rağmen katot enjeksiyonla tam yakıt kaynağı "başlangıcı" olayları14' te oluşabilir anot açlık riski artırabilir. Bu davranışı engellemek için katot anot üsse geri çekildi. Elektron sonra yeterince anot açlık azaltmak için hareket edecek anot çıkış ayrılmadan önce radyal yönde yaygın. Ayrıca, çok kanallı bir oyuk katot benimsenmiştir; tek kanal içi boş katot için karşılaştırıldığında, çok kanallı bir oyuk katot elektron emisyon alan artırmak ve itici dağıtımını daha düzgün hale getirebilirsiniz. Bu değişiklik ile ömür boyu ve pervane kararlılığını artan15,16,17olabilir.

100 tasarlanmış itici güçtür kW ve soğutma bir yapı ile kararlı duruma işlemi gereklidir. Mevcut laboratuvar deneylerinde verimli bir gereksinimi yapısı istihdam edilmektedir. Ancak, MPD pervane tasarım performansını değerlendirmek için itme elde etmek için önemlidir. Isı transferi uygulanması için yüksek basınçlı su sistemi ile hangi-ebilmek yaratmak önemli etkileşim geleneksel itme ölçümleri kullandıysanız böyle soğutma işlemi sırasında güçlü titreşim olacak. Buna göre bir itme hedef stand itme ölçmek için istihdam edilmektedir.

MPD pervane

Şekil 1' de gösterildiği gibi MPD pervane anot, katot ve yalıtkan oluşur. Anot bakır hangi en az iç çapı 60 mm olan silindirik bir ıraksak meme ile yapılır. Anot iç duvar civarında S şeklinde bir soğutma kanalı vardır. Giriş ve çıkış kanal anot üst kısmında bir bölme ile ayrılmış bulunmaktadır. Bir ince bakır blok anot ve elektrik kablo bağlamak için istihdam edilmektedir. Kavşak anot dış yüzeyi üzerinde yer alır.

Tantal akkor lamba ışığı, dokuz yakıt kanalları katot malzemedir. Katot dış çapı 16 mm olduğunu. Soğutma Katot katot tabanı etrafında bir gereksinimi sahibi ile elde edilir. Bir halka şeklinde kanal sahibi içinde vardır. Soğuk su alt ve üstten dışarı akışı sahibinden içine enjekte edilir. Katot sol tarafında bir oyuk katot bağlayıcı vardır. Merkezi bağlantılarının ve oyuk katot odasına yakıt akıyor; Dokuz Dar silindirik kanal ile bağlanma katot Üssün içinden büyük bir boşluk vardır. Kavite dokuz kanalları yakıt dağıtım tekdüzelik artırmak için bir tampon görevi görür. Katot katot bağlayıcı yüklü bir annüler bakır blok, Elektrik kablosuyla bağlanır.

Pervane ana gövdesini ek olarak, harici bir manyetik bobin da AF-MPD pervane mekanizmaları için alanları oluşturmak gereklidir; manyetik alanları ile birlikte elektrik alanı plazma hızlandırmak için farklı yakınsak bir manyetik alan sağlar. 288 turnike geçiş için her iki elektrik mevcut ve soğutma suyu olarak hareket dairesel bakır boru alan bobin oluşur. Dış çapı 500 mm iç çap bobin 150 mm iken. Ortasındaki en yüksek alan şiddeti 0,25 T ile 230 A. mevcut olduğunu

Deney sistemi

Deney sistemi altı alt sistemleri içerir. Deneysel sistemin genel düzenini Şematik diyagramı Şekil 2' de gösterilen; vakum odası içinde pervane yerleşimini Şekil 3' te gösterilmiştir.

İlk olarak, bir vakum odası, iki mekanik pompa, bir moleküler pompa ve dört kriyojenik pompalar pervane operasyon için gerekli vakum ortamı sağlar, vakum sistemi oluşur. Odası çapı 3 m ve 5 m uzunluğundadır. Ortam basıncı 0,01 altında tutulabilir (argon) barut akış hızı en fazla 40 mg/s olduğunda Pa.

İkinci olarak, bu kaynak sistem roket tutuşturmak için bir yüksek gerilim darbe için plazma hızlandırmak itici güç sağlar ve dış manyetik alan sürdürebilmek manyetik alan bobin için güç sağlar sağlar. Güç kaynağı sistemi bir ateşleme güç kaynağı, bir itici güç kaynağı, bir bobin güç kaynağı ve kabloları oluşur. Ateşleme güç kaynağı 8 sağlayabilir kV veya 15 kV deşarj gerilim. Bir akım kadar 1000 A. itici güç kaynağı sağlar Bobin güç kaynağı bir akım ilâ 240 A. sağlar.

Üçüncü olarak, yakıt besleme sistemi gaz itici roketler için beslenir. Sistem esas olarak gaz kaynak içerir, kütle akış hızı denetleyicisi ve gaz boru hatları kaynağı.

Dördüncü alt sistemi serin yüksek basınçlı su itici, manyetik bobin ve güç kaynakları ısı alışverişi sağlar gereksinimi sistemidir. Şekil 4' te gösterildiği gibi sistem pompa grubu, su deposu, buzdolabı, su boru hatları ve pompa kumandası oluşur. Vakum odası içinde olmayan iletken borular soğutma su terminal pervane ve manyetik bobin için sağlamak ve anot, katot ve zemin arasında o elektrikli yalıtım sağlar.

Satın alma ve kontrol sistemi pervane operasyon koşulları ve denetim diğer sistemlerin ölçme sinyalleri kaydedebilirsiniz. Üç bilgisayar ve ilgili yazılım, veri alma kartı ve kabloları oluşur.

Şekil 5' te gösterildiği gibi itme hedef stand plaka hedef, ince ışın, deplasman sensör, destek çerçeve, eksenel hareket ettirilebilir platformu ve radyal hareketli platform oluşur. Hedef hedef iter plazma geçirebilir. Hedef deplasman itme18değerlendirilmesi olanaklı kılmak bu şekilde hedef arkasına yerleştirilen bir sensör tarafından ölçülebilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. Deney için hazırlık

  1. Pervane yükleyin.
    1. Bir temiz oda içinde susuz alkolle ıslatılmış roketli withnon-toz kumaş bileşenleri silin.
    2. Anot yalıtkan ile bir araya getirin.
    3. Katot katot tutucu ve katot bağlayıcı bir araya getirin.
    4. Katot kısmına anot bölümüne ekleyin.
    5. Orta bağlayıcı montaj yüklemek ve onları vida (Altıgen soket baş vida, M5 × 16) ile düzeltmek.
    6. Deney platform forklift ile bobin koltukta kurmak.
    7. Vakum odasının Kılavuzu demiryolu deney platformda bir yer.
    8. Pervane bobin yükleyin.
    9. Anot ve katot karşılık gelen elektrik kabloları ile bağlantı.
    10. Manyetik bobin bobin güç kaynağı ile bağlantı.
    11. Gereksinimi borular ve yakıt kaynağı boru pervane ile katılın.
    12. Gereksinimi borular bobin ile katılın.
    13. Odası ve ana gövdesi itme, stand düzeltme içinde hareketli platform üzerinde kurmak.
    14. Pervane ve hedef satırları birbirleri ile aynı tarihte denetim yapmak için radyal hareketli platform konumunu ayarlamak.
  2. İtme stand kalibre.
    1. Farklı ağırlıklar (10 g, 50 g, 100 g, 200 gr), tek tek ayarlama aygıtının ve buna karşılık gelen kaydı itme stand çıkış yükleyin.
    2. Ağırlık tek tek kaldırın.
    3. En az üç kez tekrarlayın.
    4. Kalibrasyon verilerine göre itme stand elastik katsayısını hesaplar.
  3. Vakum odası tahliye edin.
    1. Odasının kapısını kapatın.
    2. Mekanik pompa başlatın.
    3. Arka plan basınç odasında 5'ten düşük olduğunda moleküler pompa başlatmak baba.
    4. Arka plan basınç odasında 0,05 düşük olduğunda Kondansat pompaları başlatmak baba.
    5. 1 x 10-4 baba. ulaşmak için baskı için bekleyin

2. ateşleme ve itme ölçüm deney

  1. Eğer havaya maruz kalan pervane onceden.
    1. Sinyal kaydetmeye başlamak.
    2. 40 mg/s yakıt kütle akış oranını ayarlamak ve en az 20 dakika için tedarik tutmak
    3. Soğutma su kaynağını açın.
    4. Su pompaları, 10 Hz soğutma çalışma sıklığını belirleme.
    5. İtme stand pervane uzak konuma taşıyın.
    6. 90 A. bobin akımı bobin güç kaynağıyla geçiş
    7. Deşarj akımı 240 A. itici güç kaynağıyla geçiş
    8. Ateşleme güç kaynağında geçin.
    9. En az 5 dakika için çalışma pervane tutun.
    10. İtici güç kaynağı ve yakıt kaynağı geçiş yapar.
    11. Durmak belgili tanımlık yazmak.
  2. İtme ölçüm
    1. İtme stand pervane 550 mm konuma getirin.
    2. Sinyal kaydetmeye başlamak.
    3. Yakıt kaynağı başlatın.
    4. Pervane ile 90 A bobin geçerli ve 240 A deşarj geçerli tutuşturmak.
    5. Bobin 150 A. geçerli artırmak
    6. 800 A. geçerli deşarj artırmak
    7. 230 A. geçerli bobin artırmak
    8. İtme stand çıkışını istikrarlı hale geldiğinde pervane geçin.
    9. Yakıt kaynağı durdurmak.
    10. Durmak belgili tanımlık yazmak.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Deneyinde, biz deşarj akımı (ID) kontrol, yakıt kütlesi rate(m) akışı ve manyetik alan (Ba) uygulanır. Operasyonda, biz deşarj gerilim (Vd) değerini ölçmek ve (T) itme, baz biz-ebilmek almak diğer performans parametreleri gücü (P), özel dürtü (ISS) gibi ve verimlilik (η)1itme.

Tipik bir sinyal deşarj gerilim Şekil 6' da gösterilmiştir. Güç kaynağı başlatılması bir açık-voltaj...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Bu iletişim kuralı ateşleme, işlem ve 100 kW uygulanan sınıf alan MPD roket itici bir itme ölçümü işlemlerini açıklar. En iyi performans için bir MPD pervane tasarımında önemli nokta belirli amaç göre doğru yapılandırma seçmektir. Iraksak yakınsak anot MPD itici roketler kararlı durum geniş çalışma aralığı olarak işlev görebilir. Ancak, performansı farklı anot ile pervane daha düşük olabilir. Oyuk katot, özellikle çok kanallı oyuk katot, pek çok yönden içinde geleneksel çubuk katot üstündür. Oyuk katot uygulanması pervan...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

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

Bu eser temel araştırma programı (No tarafından desteklenmiştir JCKY2017601C). Thomas M. York, Ohio State Üniversitesi'nde emekli Profesör yardım için teşekkür ederiz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
KriyojenikPompalar Brooks OtomasyonPompalama hızı: 10000L/s
Deplasman SensörüPanasonicHG-C1030Tekrarlama hassasiyeti: 10 & mu; m
Doğrusallık: ± % 0.1 FS
Kütle Akış Hızı Kontrol CihazıBrooks OtomasyonAralığı: 0-120mg/s
Moleküler PompaOerlikonPompalama hızı: 2100L/s
Hareketli Bitki FormuPekin Weina Guangke Otomasyon ekipmanları Co., Ltd.Aralık: 0-2000mm
Plastik Su BorularıXingye Xingye floroplastik (Jiaxing) Co., Ltd.Nihai basınç: 4.5MPa
İtici ArgonPekin Huanyu Hinghui Gaz Technology Co., Ltd.Saflık:% 99,999
BuzdolabıPekin Jiuzhou Tongcheng Technology Co., Ltd.Soğutma gücü: 45kW
Su PompalarıLiaocheng vanguard Motor Co., Ltd.;
Şanghay insan pompası sanayi grubu Manufacturing Co., Ltd.;
Nanfang Pompa Limited şirketi		Maksimum Çıkış basıncı: < br / > Santrifüj pompa: 1MPa < br / > Dalgıç pompa: 10MPa

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

MPD tici Tasar mSu So utma Sistemii Bo KatotSilindirik AnotVakum OdasManyetik Bobintki l mtki Maddesi AkDe arj Ak m

İlgili makaleler