The superconducting electromagnetic propulsion system has been proposed as one of new alternative propulsion systems. Especially, the helical-type propulsion system has the greatest merit that is able to use the solenoid-type superconducting magnets with high magnetic fields. In this study, calculations of characteristics of the large scale helical-type thruster are carried out on the basis of our experimental results. As a couple of results of calculations, it is found that the thruster efficiency quickly increases with the length of electrode up to about 5 m and then goes up to about 0.9. The thruster efficiency peaks at a certain point ($^{\sim}0.6\;m$) and then falls as length of pitch increases.
다양한 에너지원들을 전력발생용으로 활용할 수 있다는 점과 화학추진기로는 얻을 수 없는 높은 분사추진속도를 구현할 수 있다는 점은 전기추진기만의 장점으로 대두된다. 수많은 비화학추진기들이 연구개발중에 있으나 현재로서는 200s에서 5000s까지의 넓은 비추력 범위를 갖는 전기추진기의 연구개발이 가장 많은 진전을 이루고 있다. 따라서 본 논문의 주요내용은 전기추진기에 할애되어 있으며 전력으로 열을 발생시켜 추력을 얻는 전열추력기(electrothermal thruster), 정전기장을 응용한 정전기추력기(electrostatic thruster)와 플라스마 상태의 고온가스를 자기장으로 가속시키는 전자기추력기(electromagnetic thruster)에 대한 작동원리, 특성 및 개발현황들을 소개한다.
Masatoshi Kawakami;Hideyuki Horisawa;Kim, Itsuro ura
한국추진공학회:학술대회논문집
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한국추진공학회 2004년도 제22회 춘계학술대회논문집
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pp.294-299
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2004
An assessment of a novel laser-electric hybrid propulsion system was conducted, in which a laser-induced plasma was induced through laser beam irradiation onto a solid target and accelerated by electrical means instead of direct acceleration only by using a laser beam. A fundamental study of newly developed rectangular laser-assisted pulsed-plasma thruster (PPT) was conducted. On discharge characteristics and thrust performances with increased peak current compared to our previous study to increase effects of electromagnetic forces on plasma acceleration. Maximum peak current increased for our early study by increasing electromagnetic effects in a laser assisted PPT. At 8.65 J discharge energy, the maximum current reached about 8000 A. Plasma behaviors emitted from a thruster in various cases were observed with an ICCD camera. It was shown that the plasma behaviors were almost identical between low and high voltage cases in initial several hundred nanoseconds, however, plasma emission with longer duration was observed in higher voltage cases. Canted current sheet structures were also observed in the higher voltage cases using a larger capacitor. With a newly developed torsion-balance type thrust stand, thrust performances of laser assisted PPT could be estimated. The impulse bit and specific impulse linearly increased. On the other hand, coupling coefficient and the thrust efficiency did not increase linearly. The coupling coefficient decreased with energy showing maximum value (20.8 ?Nsec/J) at 0 J, or in a pure laser ablation cases. Thrust efficiency first decreased with energy from 0 to 1.4 J and then increased linearly with energy from 1.4 J to 8.6 J. At 8.65 J operation, impulse bit of 38.1 ?Nsec, specific impulse of 3791 sec, thrust efficiency of 8 %, and coupling coefficient of 4.3 ?Nsec/J were obtained.
본 연구에서는 $360^{\circ}$의 조향 기능을 갖는 듀얼 구동식의 선박 접이안 시스템 개발에 대해 다룬다. 대형 선박의 경우, 부두에 접이안시 bow thruster, side thruster, pod propulsor 등이 사용되고 있으나 최근 해양레저선박이 대형화(슈퍼요트 등)됨에 따라 마리나 시설을 이용할 경우 접이안시 선박 대 선박, 선박 대 계류시설과의 사고가 증가 추세에 있다. 따라서, 이를 해결하기 위한 방안으로 듀얼 구동식 추진체를 이용하여 접이안이 가능한 시스템에 대해 연구를 수행하였다. 주요 내용은 조이스틱을 이용한 선수, 선미의 듀얼 구동과 마그네틱 기어를 이용한 동력 전달이다. 조이스틱에서 두 구동 모터 및 프로펠러로 이어지는 제어 응답성을 확인하고, 전자기 설계를 통한 마그네틱 기어 제작 및 시험으로 수중 추진기에 회전력을 전달 가능한 토크를 확보하였다. 또한, 실해상 시운전을 통하여 개발 시스템의 성능을 확인하였다.
Electromagnetic seawater thrusters may be classified into four general categories : internal duct dc, external field dc, internal peristaltic ac, and external peristaltic ac. Internal duct dc thrusters offer the advantages of low magnetic field leakage, simple construction, and potentially high reliability. The most efficient internal duct configuration consists of converging inlet nozzle and a straight discharge duct. Ideal efficiency calculations based on the one-dimensional Bernoulli equation show that thrusters should be designed with large cross-sectional areas and operate at low discharge velocities. In practice, this may be accomplished by using multiple thruster ducts. Conductivity enhancement, high magnetic fields, and long electrodes will also improve efficiency.
A coaxial pulsed plasma thruster (PPT) with a Teflon cavity was designed, and its performance characteristics were examined varying stored energy, cavity length and capacitance. The PPT was tested as the entire system including the discharge circuit, and the results were explained with both the transfer efficiency and the acceleration efficiency. The transfer efficiency is defined as the fraction of energy in capacitors supplied into plasma, and the acceleration efficiency as the fraction of energy supplied into plasma converted to thrust energy. To estimate these efficiencies, the equivalent plasma resistance was defined and calculated using energy conservation during discharge. The equivalent plasma resistance proportionally increased with cavity length, and therefore the current peak increased with decreasing cavity length. The energy density calculated by the transfer efficiency was increased with decreasing cavity length. As a result, higher acceleration efficiency and lower transfer efficiency were obtained with shorter cavity length. Accordingly, there was an optimal cavity length for the thrust efficiency. The specific impulse and the impulse bit per unit stored energy ranged from 390 s and 50 $\mu$ Ns/J for a cavity length of 34 mm to 825 s and 11 $\mu$ Ns/J for a cavity length of 4 mm when the stored energy was fixed to 21.4J. Thus, it was showed that the performance of this PPT approached that of electromagnetic-acceleration-type PPT with decreasing cavity length. The PPT achieved thrust efficiencies of 10-12% at 21.4 J and 6-7% at 5.35 J at cavity lengths between 14 mm and 29 mm.
Electric propulsion systems, including electrothermal, electrostatic, and electromagnetic thrusters, are promising systems for producing thrust from satellites. These systems generally operate under vacuum plasma conditions and exhibit high specific impulses and thrust-to-weight ratios. Despite their high efficiencies, electric propulsion systems are susceptible to performance variations due to physical factors such as plasma instabilities, which require an accurate diagnosis of their status during operation. In this study, we review various measurement systems adopted to diagnose electric propulsion systems operating under vacuum conditions. Specifically, we review electrical, optical, and other methods that can directly or indirectly measure the status of a thruster, with a particular focus on Hall effect thrusters. The system configurations and fundamental mechanisms of the different measurement systems are described based on case studies of the diagnosis of propulsion systems. We anticipate that this study will contribute to the efficient development and safe operation of electric propulsion systems for use in artificial satellites.
This paper presents the results of the application of a computational fluid dynamics algorithm for the simulation of plasma flows of arc-heated jet. The underlying physical model is based on the axisymmetric form of the conservation equations that are coupled with an arc model including Ohm heating, electromagnetic forces. The arc model given as a source term in fluid dynamic equations is determined by a solution of electric potential field governed by an elliptic partial differential equation. The governing equation of electric field is loosely coupled with fluid dynamic equations by an electric conductivity that is a function of state variables. However, the electric fields and flow fields cannot be solved In fully coupled manner, but should be solved iteratively due to the different characteristics of governing equations. With this solution approach, several applications of arc flow analysis will be presented including Arc Thruster and Circuit Breaker.
Stesina, Fabrizio;Corpino, Sabrina;Borras, Eduard Bosch;Amo, Jose Gonzalez Del;Pavarin, Daniele;Bellomo, Nicolas;Trezzolani, Fabio
Advances in aircraft and spacecraft science
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제9권3호
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pp.195-215
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2022
The increasing interest in CubeSat platforms ant their capability of enlarging the frontier of possible missions impose technology improvements. Miniaturized electrical propulsion (EP) systems enable new mission for multi-unit CubeSats (6U+). While electric propulsion systems have achieved important level of knowledge at equipment level, the investigation of the mutual impact between EP system and CubeSat technology at system level can provide a decisive improvement for both the technologies. The interaction between CubeSat and EP system should be assessed in terms of electromagnetic emissions (both radiated and conducted), thermal gradients, high electrical power management, surface chemical deposition, and quick and reliable data exchanges. This paper shows how a versatile CubeSat Test Platform (CTP), together with standardized procedures and specialized facilities enable the acquisition fundamental and unprecedented information. Measurements can be taken both by specific ground support equipment placed inside the vacuum facility and by dedicated sensors and subsystems installed on the CTP, providing a completely new set of data never obtained before. CTP is constituted of a 6U primary structure hosting the EP system, representative CubeSat avionics and batteries. For the first test campaign, CTP hosts the ambipolar plasma propulsion system, called Regulus and developed by T4I. After the integration and the functional test in laboratory environment, CTP + Regulus performed a Test campaign in relevant environment in the vacuum chamber at CISAS, University of Padua. This paper is focused on the test campaign description and the main results achieved at different power levels for different duration of the firings.
This paper presents experimental results for the vibration characteristics of the small unmanned underwater vehicle (UUV) OPKO 300, which was designed and manufactured by Daewoo ship and Marine Engineering Ltd. The autonomy of UUVs has led to an increase in their use in scientific, military, and commercial areas because their autonomy makes it possible for UUVs to be utilized instead of humans in hazardous missions such as mine countermeasure missions (MCM). Since it is impossible to use devices based on electromagnetic waves to gather information in an underwater environment, only sonar systems, which use sound waves, can be used in underwater environments, and their performance can strongly affect the autonomy of a UUV. Since a thruster system, which combines a motor and propeller in a single structure, is widely used as the propulsion system of a UUV and is mounted on the outside of a UUV’s stern, it can generate vibration, which can be transferred throughout the shell of the UUV from its stern to its bow. The transferred vibration can affect the performance of various sonar systems such as side-scan sonar or forward-looking sonar. Therefore, it is necessary to estimate the effect of the transferred vibration of the UUV on the sonar systems. Even if various numerical methods were used to analyze the vibration problem of a UUV, it would be hard to predict the vibration phenomena of a UUV at the initial design stage. In this work, an experimental study using OKPO 300 and an impact hammer was carried out to analyze the vibration feature of a small real UUV in the air. The frequency response function of the vibration based on the experimental results is presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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