Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом - Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

Отпечаток художника от многомегаваттного космического корабля ВАСИМР

Переменные Удельный импульс Магнитоплазменная Ракета ( VASIMR ) представляет собой электротермический ракетный двигатель на стадии разработки для возможного использования в космических аппаратах двигательных установок . Он использует радиоволны для ионизации и нагрева инертного топлива , образуя плазму, а затем магнитное поле, чтобы удерживать и ускорять расширяющуюся плазму , создавая тягу . Это плазменный двигательный двигатель , один из нескольких типов электрических двигательных установок космических аппаратов .

Метод VASIMR для нагрева плазмы был первоначально разработан во время исследований ядерного синтеза . VASIMR предназначен для преодоления разрыва между химическими ракетами с высокой тягой, малым удельным импульсом и электрической силовой установкой с малой тягой и высоким удельным импульсом, но еще не продемонстрировал высокую тягу. Концепция VASIMR зародилась в 1977 году бывшим астронавтом НАСА Франклином Чанг Диасом , который с тех пор занимается разработкой этой технологии.

Конструкция и работа

Схема VASIMR

VASIMR - это тип электротермического плазменного двигателя / электротермического магнитоплазменного двигателя. В этих двигателях нейтральное инертное топливо ионизируется и нагревается с помощью радиоволн. Образовавшаяся плазма затем ускоряется магнитными полями для создания тяги. Другими связанными концепциями силовых установок космических аппаратов с электрическим приводом являются безэлектродный плазменный двигатель малой тяги , дуговая реактивная микроволновая ракета и импульсный индуктивный двигатель малой тяги . Каждая часть двигателя VASIMR имеет магнитную защиту и не контактирует напрямую с плазмой, что увеличивает долговечность. Кроме того, отсутствие электродов устраняет эрозию электродов, которая сокращает срок службы традиционных ионных двигателей малой тяги .

Пропеллент, нейтральный газ, такой как аргон или ксенон , впрыскивается в полый цилиндр, покрытый электромагнитами. При входе в двигатель газ сначала нагревается до «холодной плазмы» с помощью геликонной РЧ-антенны / ответвителя, которая бомбардирует газ электромагнитной энергией с частотой от 10 до 50 МГц , отрывая электроны от атомов топлива и создавая плазму. ионов и свободных электронов. За счет изменения количества радиочастотной энергии нагрева и плазмы, VASIMR, как утверждается, способен генерировать выхлоп с малой тягой и высоким удельным импульсом, либо выхлоп с относительно высокой тягой и низким удельным импульсом. Вторая фаза двигателя - это мощный электромагнит с конфигурацией соленоида, который направляет ионизированную плазму, действуя как сходящееся-расходящееся сопло, подобное физическому соплу в обычных ракетных двигателях.

Второй ответвитель, известный как секция ионного циклотронного нагрева (ICH), излучает электромагнитные волны в резонансе с орбитами ионов и электронов, когда они проходят через двигатель. Резонанс достигается за счет уменьшения магнитного поля в этой части двигателя, которое замедляет орбитальное движение частиц плазмы. Эта секция дополнительно нагревает плазму до температуры более 1 000 000 К (1 000 000 ° C; 1 800 000 ° F), что примерно в 173 раза превышает температуру поверхности Солнца .

Путь ионов и электронов через двигатель приближается к линиям, параллельным стенкам двигателя; однако частицы на самом деле вращаются вокруг этих линий, путешествуя линейно через двигатель. Последняя, ​​расходящаяся часть двигателя содержит расширяющееся магнитное поле, которое выбрасывает ионы и электроны из двигателя со скоростью до 50 000 м / с (180 000 км / ч).

Преимущества

В отличие от типичных процессов нагрева с помощью циклотронного резонанса , ионы VASIMR немедленно выбрасываются из магнитного сопла, прежде чем они достигнут термализованного распределения . Основываясь на новой теоретической работе, проведенной в 2004 году Алексеем В. Арефьевым и Борисом Н. Брейзманом из Техасского университета в Остине , практически вся энергия ионной циклотронной волны равномерно передается ионизированной плазме в процессе однопроходного циклотронного поглощения. Это позволяет ионам покидать магнитное сопло с очень узким распределением энергии и значительно упрощает и компактное расположение магнитов в двигателе.

VASIMR не использует электроды; вместо этого он магнитно экранирует плазму от большинства деталей оборудования, тем самым устраняя эрозию электродов, которая является основным источником износа ионных двигателей. По сравнению с традиционными ракетными двигателями с очень сложной сантехникой, высокопроизводительными клапанами, приводами и турбонасосами, VASIMR почти не имеет движущихся частей (кроме второстепенных, таких как газовые клапаны), что обеспечивает максимальную долговечность.

Недостатки

По данным Ad Astra на 2015 год, двигателю VX-200 требуется 200 кВт электроэнергии для создания тяги 5 Н или 40 кВт / Н. Напротив, обычный ионный двигатель NEXT вырабатывает 0,327 Н при мощности всего 7,7 кВт, или 24 кВт / Н. С точки зрения электричества, NEXT почти вдвое эффективнее и успешно прошел 48000 часов (5,5 лет) испытаний в декабре 2009 года.

С VASIMR также возникают новые проблемы, такие как взаимодействие с сильными магнитными полями и управление температурой. Неэффективность, с которой работает VASIMR, генерирует значительное количество отработанного тепла, которое необходимо отводить, не создавая тепловой перегрузки и термического напряжения. В сверхпроводящие электромагниты , необходимые для горячей плазмы содержит генерации TESLA -range магнитных полей , которые могут вызвать проблемы с другими устройствами на борту и производят нежелательный крутящий момент при взаимодействии с магнитосферой . Чтобы противодействовать этому последнему эффекту, два двигателя малой тяги могут быть объединены с магнитными полями, ориентированными в противоположных направлениях, создавая чистый магнитный квадруполь с нулевым крутящим моментом .

Необходимая технология выработки энергии для быстрых межпланетных путешествий в настоящее время не существует, и она неосуществима с современными технологиями.

Исследования и разработки

Первый эксперимент VASIMR был проведен в Массачусетском технологическом институте в 1983 году. В 1990-х годах были внесены важные усовершенствования, в том числе использование геликонного источника плазмы, который заменил первоначально задуманную плазменную пушку и ее электроды, что повысило надежность и долговечность.

По состоянию на 2010 год компания Ad Astra Rocket Company (AARC) отвечала за разработку VASIMR, подписав первое соглашение Space Act 23 июня 2005 года о приватизации технологии VASIMR. Франклин Чанг Диас - председатель и главный исполнительный директор Ad Astra, и у компании был испытательный центр в Либерии, Коста-Рика, в кампусе Университета Земли .

VX-10 - VX-50

В 1998 г. на АСПЛ был проведен первый эксперимент с геликонной плазмой . В эксперименте VASIMR 10 (VX-10) в 1998 г. был получен геликонный высокочастотный плазменный разряд мощностью до 10 кВт, а в VX-25 в 2002 г. - до 25 кВт. К 2005 году прогресс в ASPL включал полное и эффективное производство плазмы и ускорение ионов плазмы с VX-50 тягой 50 кВт, 0,5 ньютона (0,1 фунт-силы). Опубликованные данные по VX-50 мощностью 50 кВт показали, что электрический КПД составляет 59% при 90% эффективности связи и 65% эффективности увеличения скорости ионов.

VX-100

Эксперимент VASIMR мощностью 100 киловатт был успешно запущен к 2007 году и продемонстрировал эффективное производство плазмы с затратами на ионизацию ниже 100  эВ. Плазменная мощность VX-100 утроила предыдущий рекорд VX-50.

Ожидалось, что VX-100 будет иметь эффективность повышения скорости ионов 80%, но не смог достичь этой эффективности из-за потерь от преобразования постоянного электрического тока в радиочастотную энергию и вспомогательного оборудования для сверхпроводящего магнита. В отличие от этого, современные и проверенные конструкции ионных двигателей 2009 года, такие как High Power Electric Propulsion (HiPEP) NASA, работали с 80% -ной общей энергоэффективностью двигателя малой тяги / PPU .

VX-200

Плазменный двигатель VX-200 на полной мощности, использующий обе ступени с полным магнитным полем

24 октября 2008 года компания объявила в пресс-релизе, что компонент геликонной генерации плазмы двигателя VX-200 мощностью 200 кВт достиг рабочего состояния. Ключевой технологией, позволяющей использовать твердотельные преобразователи постоянного и радиочастотного питания, достигнута эффективность 98%. В геликонном разряде для превращения газообразного аргона в плазму использовались радиоволны мощностью 30 кВт . Оставшиеся 170 кВт мощности были выделены на ускорение плазмы во второй части двигателя за счет нагрева ионным циклотронным резонансом.

Основываясь на данных испытаний VX-100, ожидалось, что, если когда-либо будут обнаружены сверхпроводники при комнатной температуре, двигатель VX-200 будет иметь КПД системы 60–65% и потенциальный уровень тяги 5 Н. Появился оптимальный удельный импульс. около 5000 с при использовании недорогого аргона. Один из оставшихся непроверенных вопросов заключался в том, действительно ли горячая плазма отделилась от ракеты. Другой проблемой было управление отходящим теплом. Около 60% входящей энергии стало полезной кинетической энергией. Большая часть оставшихся 40% приходится на вторичную ионизацию из-за пересечения плазменными силовыми линиями магнитного поля и расходимости истощения. Значительная часть этих 40% приходилась на отработанное тепло (см. Эффективность преобразования энергии ). Управление и отказ от этого отходящего тепла имеет решающее значение.

В период с апреля по сентябрь 2009 г. были проведены испытания прототипа VX-200 мощностью 200 кВт со сверхпроводящими магнитами мощностью 2 тесла , которые питаются отдельно и не учитываются ни в каких расчетах «эффективности». В течение ноября 2010 года были проведены длительные пусковые испытания на полной мощности, в результате которых удалось достичь установившегося режима работы в течение 25 секунд и подтвердить основные проектные характеристики.

Результаты, представленные в январе 2011 года, подтвердили, что расчетной точкой оптимальной эффективности VX-200 является скорость выхлопа 50 км / с, или I _{sp, равный} 5000  с. К 2013 году двигатель VX-200 мощностью 200 кВт выполнил более 10 000 запусков двигателей с использованием аргона на полной мощности, продемонстрировав КПД двигателя более 70% по сравнению с потребляемой ВЧ мощностью.

VX-200SS

В марте 2015 года Ad Astra объявила о присуждении НАСА премии в размере 10 миллионов долларов на повышение технологической готовности следующей версии двигателя VASIMR, VX-200SS, для удовлетворения потребностей полетов в дальний космос. SS в названии означает «установившееся состояние», поскольку цель длительного испытания - продемонстрировать непрерывную работу в установившемся тепловом режиме.

В августе 2016 года Ad Astra объявила о завершении основных этапов первого года своего трехлетнего контракта с НАСА. Это позволило произвести первые мощные плазменные запуски двигателей с заявленной целью достичь 100  часов и 100 кВт к середине 2018 года. В августе 2017 года компания сообщила о завершении этапов 2-го года разработки электрического плазменного ракетного двигателя VASIMR. НАСА одобрило для Ad Astra продолжение третьего года после завершения 10-часового кумулятивного испытания двигателя VX-200SS на 100  кВт. Похоже, что запланированный проект 200 кВт работает на 100 кВт по причинам, не упомянутым в пресс-релизе.

В августе 2019 года Ad Astra объявила об успешном завершении испытаний радиочастотного ( RF ) блока обработки питания (PPU) нового поколения для двигателя VASIMR, построенного канадской компанией Aethera Technologies Ltd. Ad Astra заявила о мощности 120 кВт и КПД> 97% между электрической и высокочастотной мощностью, и что при весе 52 кг новый RF PPU примерно в 10 раз легче, чем PPU конкурирующих электрических двигателей (соотношение мощности к весу: 2,31 кВт / кг)

В июле 2021 года Ad Astra объявила о завершении рекордных испытаний двигателя, которые проработали 28 часов на уровне мощности 82,5  кВт. Во втором испытании, проведенном с 12 по 16 июля, двигатель успешно проработал 88 часов на уровне мощности 80  кВт. Ad Astra планирует провести  испытания уровня мощности 100 кВт во второй половине 2021 года.

Возможные приложения

VASIMR имеет сравнительно низкую удельную тягу и требует окружающего вакуума.

Предлагаемые приложения для VASIMR, такие как быстрая транспортировка людей на Марс, потребуют очень мощного источника энергии с малой массой, в десять раз более эффективного, чем ядерный реактор (см. Ядерную электрическую ракету ). В 2010 году администратор НАСА Чарльз Болден сказал, что технология VASIMR может стать прорывной технологией, которая сократит время полета на Марс с 2,5 лет до 5 месяцев. Однако это утверждение не повторялось в последнее десятилетие.

В августе 2008 года Тим Гловер, директор по развитию Ad Astra, публично заявил, что первое ожидаемое применение двигателя VASIMR - это «транспортировка вещей [нечеловеческих грузов] с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту» в поддержку возвращения НАСА к Луне. .

Марс за 39 дней

Чтобы совершить воображаемое путешествие на Марс с экипажем за 39 дней, VASIMR потребуется уровень электрической мощности, намного превышающий все возможные или предсказанные в настоящее время.

Кроме того, любая технология производства электроэнергии будет производить отходящее тепло. Необходимый 200- мегаватный реактор «с удельной мощностью 1000 Вт на килограмм » ( цитата Диаса ) потребовал бы чрезвычайно эффективных радиаторов, чтобы избежать необходимости в «радиаторах размером с футбольное поле» ( цитата Зубрина ).

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение