Thermionic generator for re-entry vehicles

Abstract

A novel design of a thermionic generator for use on re-entry vehicles is analyzed analytically and experimentally. Equations are derived for prediction of the output current, output power, and conditions of maximum power for the device. The electrical power output potential of a typical re-entry vehicle is obtained by solving the temperature history of a thin-walled emitter. Given the wall temperature and the work function, the saturated Richardson current is easily obtained. Other parameters needed for predicting output power are obtained from curves in the literature. To simulate re-entry conditions, a test model was built and inserted in either a nitrogen or argon plasma jet. Graphite, thoriated tungsten, tungsten and molybdenum were used for the emitter and collector. Of the materials tested, graphite was the only material that met, to some degree, the qualifications needed for operation of the hypersonic plasma thermionic generator

Исследование Эффекта Электронного Охлаждения. Обзор Современного Состояния Работ

“…B работе [20] результаты математического моделирования эффекта ЭО высокоэнтропийного слоя сравниваются с результатами экспериментальных исследований по генерации тока с использованием термоэмиссионных материалов, проводимых в аэродинамической трубе с электродуговым подогревателем в плазме азота и аргона [6,7]. Сравнения проводятся для высокоэнтропийных слоев азота и аргона: 7000 и 3000 kcal/kg соответственно, с числом Маха M = (2.5−3).…”

“…Для сравнения используются две различные геометрии обтекателя с различным радиусом кривизны. В работе проводится сравнение современных подходов к моделированию термоэлектронной эмиссии с экспериментами [6,7] Исследование показало, что выбор модели с радиусом носовой части 0.73 cm, работы выхода 4.8 eV и аргона в качестве среды, приводят к повышению температуры поверхности. Однако эта тенденция не наблюдается для геометрии с радиусом носовой части 1.0 cm, работой выхода 4.48 eV и азота в качестве среды, где наблюдается снижение температуры поверхности и увеличение конвективного теплообмена.…”

“…В настоящий момент по данной тематике нам известны только теоретические работы, связанные с численными оценками и математическим моделированием. Первые работы, в которых был описан способ генерации электрического тока при помощи термоэмиссионных материалов на поверхности гиперзвукового летательного аппарата, появились еще в 1960-х годах [6,7]. В этих работах проводится анализ и экспериментальное исследование новой конструкции термоэлектронного генератора электрического тока для летательных аппаратов.…”

“…В работах [6,7] не обсуждается возможность применения термоэмиссионных материалов для активной теплозащиты ЭО. На тот момент достижение летательными аппаратами необходимых скоростей было невозможным, поэтому технология не получила развития.…”

Comparisons of Computations with Experiments for Electron Transpiration Cooling at High Enthalpies

“…In the 1960s there was a push to use thermo-electric materials on the nose of re-entry vehicles and collect the emitted electrons as a source of power generation. 5,6 Experiments were performed using the plasma arc tunnel at Sandia Corporation using a range of different flow conditions, emissive materials, and geometries. 7 This study aims to assess the computational fluid dynamics (CFD) modeling approach using these experiments.…”