L'obiettivo di questo protocollo è quello di introdurre la progettazione di un propulsore magnetoplasmadinamico a campo applicato di classe 100 kilowatt e il relativo metodo sperimentato. Il propulsore magnetoplasmadinamico, cioè il propulsore MPD, è un tipico acceleratore elettrico. È ben noto per l'alto impulso specifico e un'alta densità del propulsore, ed è trattato come candidato primario per la nostra propulsione principale nelle nostre future missioni spaziali ad alta potenza.
In questo articolo, introdurremo un progetto di un propulsore MPD a campo applicato di classe 100 kilowatt, i sistemi di esperimento necessari per tenere un relativo esperimento propulsore e le fasi operative per completare questo esperimento. Progettazione propulsore. Il propulsore è costituito principalmente da anodo, catodo e isolante.
L'anodo è realizzato in rame con un ugello divergente del cilindro, il cui diametro interno minimo è di 60 millimetri. Il catodo è costruito in tungsteno tantalio con nove canali propellenti, il cui diametro esterno è di 16 millimetri. C'è un connettore catodo cavo sul lato sinistro.
Il propellente scorre attraverso il centro del connettore e raggiunge il catodo cavo. C'è una grande cavità all'interno della base del catodo che si collega con nove canali cilindrici. La cavità funge da cuscinetto per aumentare l'uniformità della distribuzione del propellente in nove canali.
Il catodo è collegato al cavo elettrico con un blocco di rame anulare, che viene installato attorno al connettore catodo. Oltre al corpo principale del propulsore, è necessaria anche una bobina magnetica esterna per il funzionamento del propulsore MPD. La bobina è costituita da 288 tubi di rame a cerchio che fungono da passaggio sia per la corrente elettrica che per l'acqua di raffreddamento.
Il diametro interno della bobina è di 150 millimetri, mentre il diametro esterno è di 500 millimetri. La forza di campo più alta al centro è di 0,25 telsa. Sistema sperimentale.
Il sistema sperimentale fornisce le condizioni necessarie per l'esperimento, che comprende principalmente sei sottosistemi. In primo luogo, il sistema di vuoto fornisce l'ambiente vuoto necessario per il propulsore. E il diametro della camera è di tre metri, mentre la lunghezza è di due metri.
La pressione dell'ambiente può mantenere meno di 0,01 pascal. In secondo luogo, il sistema di alimentazione. Il sistema di alimentazione è costituito da fonte di alimentazione di accensione, fonte di alimentazione del propulsore, fonte di alimentazione della bobina e cavi.
La fonte di alimentazione di accensione può fornire una tensione di scarica di otto kilovolt o 15 kilovolt. La fonte di alimentazione del propulsore fornisce una corrente diretta fino a 1.000 ampere. La fonte di alimentazione della bobina fornisce una corrente diretta fino a 240 ampere.
Il terzo è il sistema di alimentazione del propellente, che alimenta il propellente gassoso per propulsori. Questo sistema comprende principalmente la fonte di gas, il controllore della portata di massa e le condotte di approvvigionamento di gas. Il quarto è il sistema di raffreddamento ad acqua, che fornisce acqua ad alta pressione per scambiare il calore extra del propulsore, della bobina magnetica e delle fonti di energia.
Poi c'è il sistema di acquisizione e controllo, che può registrare i segnali delle condizioni operative del propulsore e controllare altri sistemi. L'ultimo è il sistema di misurazione della spinta bersaglio, che può essere utilizzato per misurare la spinta. Il supporto di spinta target è costituito principalmente da bersaglio a piastre, fascio sottile, sensore di spostamento, telaio di supporto, piattaforma mobile assiale e piattaforma mobile radio.
Il plasma può essere intercettato dal bersaglio e il bersaglio sarà spinto dal plasma. Lo spostamento del bersaglio può essere misurato dal sensore posizionato dietro il bersaglio. In questo modo, possiamo valutare la spinta.
Preparazione all'esperimento. Installare il propulsore. Pulire i componenti del propulsore con alcool in una stanza pulita.
Assemblare l'anodo con l'isolante. Riunire il catodo, il portacatolo e il connettore catodo. Aggiungere la parte catodo alla parte anodica.
Installare il connettore centrale nell'assemblaggio e fissarlo con le viti. Stabilire il sedile della bobina sulla piattaforma di esperimento con carrello elevatore. Posizionare la piattaforma di esperimento sulla guida della camera a vuoto.
Installare il propulsore sulla bobina. Collegare l'anodo e il catodo con i corrispondenti cavi elettrici. Collegare la bobina magnetica con la fonte di alimentazione della bobina.
Unire i tubi di raffreddamento ad acqua e il tubo di alimentazione del propellente con propulsore. Unire i tubi di raffreddamento dell'acqua con la bobina. Installare la piattaforma mobile all'interno della camera e fissare il corpo principale del supporto di spinta su di esso.
Regolare la posizione della piattaforma mobile in modo che la linea centrale del propulsore e il bersaglio conceda tra loro. Poi collaboriamo con il supporto di spinta. In primo luogo, caricare pesi diversi sul dispositivo di collaborazione e registrare l'uscita corrispondente del supporto di spinta.
Ripetere il processo almeno tre volte. Quindi possiamo calcolare il coefficiente elastico del supporto di spinta in base ai dati di calibrazione. Aspirare la camera a vuoto.
Chiudi la porta della camera. Avviare le pompe meccaniche. Avviare le pompe molecolari quando la pressione di fondo nella camera è inferiore a cinque pascal.
Avviare le pompe criogeniche quando la pressione di fondo nella camera è inferiore a 0,05 pascal. Attendere che la pressione raggiunga 10 alla potenza di meno quattro pascal. Esperimento di accensione e misurazione della spinta.
Dobbiamo preriscaldare il propulsore se il propulsore è stato esposto all'aria. Inizia a registrare il segnale. Impostare la portata di massa del propellente a 40 milligrammi e continuare a fornire per almeno 20 minuti.
Accendere l'alimentazione dell'acqua di raffreddamento. Impostare la frequenza di lavoro delle pompe di raffreddamento ad acqua anodo e catodo a 10 hertz. Spostare il supporto di spinta nella posizione lontano dal propulsore.
Accendere la fonte di alimentazione della bobina con la corrente della bobina di 90 ampere. Accendere la fonte di alimentazione del propulsore con la corrente di scarica di 240 ampere. Accendere la fonte di alimentazione di accensione.
Mantenere il propulsore funzionante per almeno cinque minuti. Spegnere la fonte di alimentazione del propulsore e l'alimentazione del propellente. Smettila di ricondificarti.
Dopo il preriscaldamento, possiamo eseguire la misurazione della spinta. Spostare il supporto di spinta nella posizione a 550 millimetri dal propulsore. Inizia a registrare il segnale.
Avviare l'alimentazione del propellente. Accendi il propulsore con corrente a bobina a 90 ampere e corrente di scarica ampere 240. Aumentare la corrente della bobina a 90 ampere.
Successivamente, aumentare la corrente di scarico a 800 ampere. Quindi aumentare la corrente della bobina a 230 ampere. Spegnere il propulsore quando l'uscita del supporto di spinta diventa stabile.
Fermare l'alimentazione del propellente. Smettila di ricondificarti. Risultati rappresentativi.
Negli esperimenti, controlliamo la corrente di scarico, la portata di massa del propellente e il campo magnetico applicato. Quindi misuriamo il valore della tensione di scarica e della spinta in base al quale possiamo ottenere altri parametri di prestazioni come potenza, impulso specifico ed efficienza di spinta. Un tipico segnale di tensione di scarica è mostrato in questa figura.
Dopo aver accendeto la fonte di alimentazione, verrà utilizzata un'alta tensione sul propulsore per abbattere il propellente neutro. Dopo l'accensione, la tensione si a tendenze a un valore costante e sostanzialmente mantiene costante. Quindi possiamo dire che l'accensione ha successo.
Un tipico risultato di misurazione della spinta è mostrato in questa figura. Iniziamo a registrare il segnale del propulsore davanti al propellente che fornisce, che viene trattato come un punto di spinta zero. Ci sarà una leggera spinta dopo aver fornito il propellente.
Dopo l'accensione, ci sarà una grande oscillazione. Quindi la spinta tende ad un valore costante. Ci sarà una deriva zero a causa della deformazione termica del bersaglio, il cui valore è di 50 millinewton.
L'errore causato dalla deriva non è superiore all'1%La cifra mostra le caratteristiche di scarico durante mezz'ora di lavoro continuo. Confondiamo che il propulsore si tendenze rapidamente allo stato stazionario dopo l'accensione, e la tensione è molto stabile durante questo periodo. Questa figura mostra i cambiamenti di aspetto del catodo cavo di tungsteno tantalio prima e dopo gli esperimenti.
Il tempo totale dell'esperimento è superiore a 10 ore. Possiamo trovare una leggera erosione che si distribuisce uniformemente sulla superficie esterna del catodo, il che significa che il propulsore ha il potenziale per lavorare per un tempo molto più lungo di 10 ore. Dopo il continuo test di lavoro, abbiamo esplorato le prestazioni del propulsore nella gamma di potenza da 50 a 100 kilowatt.
Le migliori prestazioni si ottengono a 99,5 kilowatt mentre la spinta è di 3.052 millinewton. L'impulso specifico è di 4.359 secondi e l'efficienza di spinta è del 67%È degno di nota che quando il propulsore raggiunge le migliori prestazioni, la pressione di fondo è di 0,2 pascal. Le prestazioni misurate possono essere superiori al valore effettivo a causa dell'influenza dell'alta pressione.
Il tester è fatto di tungsteno di tantalio e mostra la resistenza all'operazione. La potenza del gas è di 100 kilowatt con una spinta di 3.050 millinewton, l'impulso specifico di 4.300 secondi e l'efficienza del 67%
