100 كيلوواط فئة حقل تطبيق ستدمر ماجنيتوبلاسماديناميك
Summary
والهدف من هذا البروتوكول إدخال تصميم 100 كيلوواط ميدان تطبيق فئة الصاروخ ماجنيتوبلاسماديناميك والأساليب التجريبية ذات الصلة.
Abstract
ميدان تطبيق الدفاعات ماجنيتوبلاسماديناميك (AF-MPD الدفاعات) المسرعات الهجين التي الكهرومغناطيسية وتسريع العمليات الدينامية الغاز البلازما بسرعة عالية؛ لديهم إمكانات كبيرة لتطبيقات الفضاء في المستقبل مع مزايا هامة عالية خاصة بدفعه وفحوى الكثافة. في هذه الورقة، نقدم مجموعة من البروتوكولات لتصميم وتصنيع فئة 100 كيلوواط من ستدمر AF MPD مع تبريد المياه الهياكل وجهد تصريف أقصى الخامس 130، 800 ألف إبراء الحد أقصى الحالي وقوامها المجال المغنطيسي أقصى 0.25 T. كاثود تنغستن التنتالوم جوفاء بمثابة مدخل الوقود فقط تحول دون أداء شعاعي، ويتم وضع محوريا في الجزء خلفي اﻷنود بغية التخفيف من المجاعة اﻷنود. يعمل أنود نحاس أسطواني متباينة إنقاص ترسب الطاقة اﻷنود، حيث تم تخفيض الطول إلى إنقاص منطقة اتصال جدار البلازما. تجارب استخدمت فراغ النظام التي يمكن أن تحقق من 0.01 فراغ عمل السلطة الفلسطينية لتدفق جماعي الداسر مجموع معدل أقل من 40 مغ/s وهدفا فحوى موقف. وقد أجريت اختبارات ستدمر لقياس آثار المعلمات العامل مثل معدلات تدفق الوقود والتصريف الحالي وقوة المجال المغناطيسي المطبق على الأداء ويسمح بتحليل مناسب. يمكن أن يدار الصاروخ بصورة مستمرة لفترات طويلة من الزمن مع تآكل قليلاً على سطح الكاثود جوفاء. الطاقة القصوى للصاروخ هو 100 كيلو واط، والأداء لهذا التكوين المبردة قابل للمقارنة مع أن من الدفاعات التي ذكرت في الأدبيات.
Introduction
الدفاعات MPD معروفة جيدا لكثافة التوجه مرتفع نسبيا وعالية خاصة بدفعه1،،من23. الكفاءة التوجه النموذجية1 من الدفاعات MPD غير منخفضة نسبيا، لا سيما مع الوقود الدفعي من الغازات الخاملة4،،من56. لمعظم MPD الدفاعات، يتم حقن جزء من تدفق الوقود في قاعة التفريغ من فتحه بين اﻷنود والكاثود7،8 ، مما يؤدي إلى أن عنصر شعاعي، أن نسبة كبيرة من مجموع تصريف. ومع ذلك، من أجل توليد الزخم، حاجة التأثيرات الحركية شعاعي ليتم تحويلها إلى محوري الحركة الحركية مع فوهة مادية أو فوهة مغناطيسية. تبعاً لذلك، هو سمة رئيسية للصاروخ MPD التصميم الجديد أن يتم توفير جميع الوقود عن طريق الكاثود، التي يمكن أن تحول دون تفريغ شعاعي؛ وبهذه الطريقة، يمكن زيادة نسبة الطاقة المحورية. هناك مضاف أ إليه تأثير في أن يمكن زيادة المعلمة قاعة في البلازما حول اﻷنود بانخفاض كثافة عدد حول اﻷنود، التي يمكن أن تعزز عنصر تسريع قاعة9. منذ الوقود قريبة من السطح الداخلي الكاثود حيث تنبعث كميات كبيرة من الإلكترونات الأولية في هذا الوضع للحقن، يمكن زيادة معدل التأين الوقود إلى حد كبير. وعلاوة على ذلك، تم تصغيره طول اﻷنود لإنقاص منطقة اتصال جدار البلازما وخفض اﻷنود السلطة ترسب10،11. كما يطبق أنود متباينة، وهذا إنقاص زاوية بين اﻷنود وخطوط المجال المغناطيسي وإنقاص اﻷنود السلطة ترسب المزيد12،13.
وعلى الرغم من المزايا المذكورة أعلاه لتحسين الأداء، يمكن زيادة كاملة إمدادات الوقود عن طريق الحقن الكاثود خطر المجاعة اﻷنود مما يؤدي إلى ظاهرة “بداية”14. لمنع هذا السلوك، ونحن قد تراجع عن الكاثود العودة إلى قاعدة اﻷنود. ثم نشر الإلكترونات بما فيه الكفاية في اتجاه شعاعي قبل مغادرته خروج اﻷنود، الذي سيعمل على التخفيف من المجاعة اﻷنود. علاوة على ذلك، اعتمد كاثود جوفاء متعددة؛ بالمقارنة مع الكاثود أجوف قناة واحدة، كاثود أجوف الأقنية يمكن زيادة منطقة انبعاث الإلكترون وجعل توزيع الوقود أكثر توحيدا. مع هذا التعديل، سواء في مدى الحياة والاستقرار للصاروخ يمكن أن تكون زيادة15،،من1617.
مصممة بقوة الصاروخ هو 100 كيلوواط وبنية تبريد ضروري مع العملية حالة ثابتة. وتستخدم في التجارب المعملية الحالية، هيكل فعال الماء. ومع ذلك، لتقييم أداء تصميم الصاروخ MPD، أنها الحرجة للحصول على الاتجاه العام. مع تطبيق نظام المياه ذات الضغط العالي نقل الحرارة، سيكون هناك قوي الاهتزاز أثناء عملية التبريد هذه، التي يمكن أن تخلق تدخلا كبيرا إذا استخدمنا مقاييس الاتجاه التقليدي. وبناء على ذلك، يعمل موقفا هدف التوجه لقياس الاتجاه العام.
MPD ستدمر
كما هو مبين في الشكل 1، وستدمر MPD يتكون اﻷنود والكاثود وعازل. اﻷنود مصنوع من النحاس مع فوهة متباينة أسطواني، الحد الأدنى للقطر الداخلي الذي 60 ملم. وهناك قناة تبريد على شكل S حول الجدار الداخلي اﻷنود. مدخل ومخرج للقناة على رأس اﻷنود، التي تكون مفصولة بواسطة يربك. كتلة نحاس مرهف يستخدم لتوصيل اﻷنود والكابلات الكهربائية. التقاطع على السطح الخارجي اﻷنود.
مادة الكاثود من التنغستن التنتالوم، مع تسع قنوات الوقود الداسر. القطر الخارجي الكاثود 16 مم. ويتحقق تبريد الكاثود مع حامل الماء حول قاعدة الكاثود. وهناك قناة على شكل خاتم داخل الحامل. يتم حقن الماء البارد في الحامل من تدفقات الخروج من الجزء العلوي والسفلي. وهناك رابط كاثود جوفاء على الجانب الأيسر من الكاثود. الوقود يتدفق عبر وسط الموصل وإلى غرفة مجوفة الكاثود؛ وهناك تجويف كبير داخل قاعدة الكاثود الاتصال مع تسع قنوات أسطوانية ضيقة. التجويف يعمل كمخزن مؤقت لزيادة تجانس توزيع الوقود في تسع قنوات. الكاثود متصلاً بكبل كهربائي مع كتلة نحاس حلقية، يتم تثبيت جميع أنحاء الموصل الكاثود.
بالإضافة إلى النص الأساسي للصاروخ، أيضا لفائف مغناطيسية خارجية اللازمة لإنشاء حقول للآليات في الصاروخ AF MPD؛ توفر الحقول المغنطيسية حقل مغناطيسي متقاربة متباينة لتسريع البلازما جنبا إلى جنب مع الحقل الكهربائي. لفائف حقل يتكون من 288 يتحول من أنابيب النحاس الدائرية، التي تعمل بمثابة المرور لكل من المياه الحالية والتبريد الكهربائية. القطر الداخلي للملف 150 مم، بينما القطر الخارجي 500 مم. أعلى مستوى للقوام الميداني في المركز هو 0.25 T مع تيار 230 ألف
تجربة النظام
ويشمل نظام تجربة النظم الفرعية الستة. يظهر الرسم التخطيطي للتخطيط العام للنظام التجريبي في الشكل 2؛ ويرد في الشكل 3تخطيط ستدمر داخل الدائرة فراغ.
أولاً، بنظام فراغ، الذي يوفر البيئة الفراغ اللازم لتشغيل الصاروخ، تتألف الدائرة فراغ واحد واثنين من المضخات الميكانيكية، ومضخة جزيئية واحدة وأربع مضخات التبريد. قطر الدائرة 3 أمتار والطول 5 أمتار. يمكن الحفاظ على ضغط البيئة تحت 0.01 السلطة الفلسطينية عندما يكون معدل تدفق الوقود (الأرغون) لا يزيد عن 40 مغ/s.
وثانيا، يوفر هذا النظام المصدر نبضة عالية جهد لإشعال الصاروخ، يوفر الطاقة للصاروخ لتسريع البلازما، ويوفر الطاقة للفائف المجال المغناطيسي للحفاظ على المجال المغناطيسي الخارجي. يتألف نظام مصدر الطاقة مصدر طاقة إشعال ومصدر طاقة ستدمر، ومصدر طاقة لفائف والكابلات. يمكن أن توفر مصدر طاقة الإشعال 8 كيلو فولت أو 15 كيلو فولت التفريغ الكهربائي. يوفر مصدر طاقة ستدمر تيار المباشر ما يصل إلى 1000 ألف يوفر مصدر الطاقة لفائف تيار المباشر يصل إلى 240 ألف
ثالثا، يغذي نظام الإمداد بالوقود الداسر الغاز للدفاعات. ويشمل النظام أساسا مصدر الغاز، وحدة تحكم معدل التدفق الجماعي والغاز توريد الأنابيب.
النظام الفرعي الرابع هو نظام الماء، مما يوفر المياه ذات الضغط العالي بارد لتبادل الحرارة ستدمر ولفائف مغناطيسية ومصادر الطاقة. كما هو موضح في الشكل 4، يتألف النظام من مجموعة مضخات، وخزان المياه، ثلاجة، وحدات تحكم مضخات وأنابيب الإمداد بالمياه. الأنابيب غير إجراء داخل الدائرة فراغ توفير محطة مياه تبريد للصاروخ ولفائف مغناطيسية، ويضمن هذا العزل الكهربائي بين اﻷنود والكاثود والأرض.
اقتناء ونظام مراقبة تسجيل إشارات قياس الظروف العملية ستدمر وعملية التحكم في النظم الأخرى. وهو يتألف من ثلاثة أجهزة كمبيوتر والمقابلة البرمجيات وبطاقة اكتساب البيانات والكابلات.
كما هو موضح في الشكل 5، موقف الهدف الاتجاه يتكون من لوحة الهدف وشعاع مرهف واستشعار التشرد، إطار الدعم، منصة منقولة المحوري ومنصة منقولة شعاعي. يمكن اعتراض الهدف البلازما الذي يدفع الهدف. ويمكن قياس تشريد الهدف بجهاز استشعار وضعت وراء الهدف، وبهذه الطريقة تمكن تقييم الاتجاه18.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويصف هذا البروتوكول عمليات الإشعال، والعملية، وقياس الاتجاه من 100 كيلوواط فئة تطبيق الحقل MPD ستدمر. والنقطة الأساسية في تصميم ستدمر MPD للأداء الأمثل هو اختيار التكوين الصحيح وفقا للهدف المحدد. يمكن أن تعمل الدفاعات MPD مع اﻷنود متقاربة متباينة حالة ثابتة في عملية واسعة نطاق. ومع ذلك، قد يكو?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل كان يدعمها “برنامج البحوث الأساسية” (رقم JCKY2017601C). ونحن نقدر المساعدة من نيويورك م. توماس، أستاذ فخري في جامعة ولاية أوهايو.
Materials
| 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. , (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. , (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. , (2011).
- Lapointe, M., Strzempkowski, E., Pencil, E. High Power MPD Thruster Performance Measurements. , (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. , (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. , (2007).
- Kurtz, H., Auweter-Kurtz, M., Merke, W., Schrade, H. Experimental MPD thruster investigations. , (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. , (1967).
- Malliaris, A. C., Libby, D. R. Velocities of Neutral and Ionic Species in a MPD Flow. , (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. , (1995).
- Burkhart, J. A., et al. . Low environmental pressure MPD arc tests. , (1967).
- Boxberger, A., Jüstel, P., Herdrich, G. Performance of 100 kW Steady State Applied-Field MPD Thruster. , (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. , (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. , (1970).
- Myers, R. Plume characteristics of MPD thrusters – A preliminary examination. , (1989).
