Плазменный ракетный двигатель представляет собой тип электрических двигателей , который генерирует тягу от квазинейтральной плазмы . Это контрастирует с ионными двигателями малой тяги , которые генерируют тягу за счет извлечения ионного тока из источника плазмы , который затем ускоряется до высоких скоростей с помощью решеток / анодов. Они существуют во многих формах (см. Электрическая тяга ). Однако в научной литературе термин « плазменный двигатель малой тяги » иногда охватывает двигатели малой тяги, обычно обозначаемые как « ионные двигатели ». [1]
Плазменные двигатели обычно не используют высоковольтные сети или аноды / катоды для ускорения заряженных частиц в плазме, а скорее используют токи и потенциалы, которые генерируются внутри плазмы для ускорения ионов плазмы. Хотя это приводит к более низкой скорости истечения из-за отсутствия высоких ускоряющих напряжений, этот тип двигателя малой тяги имеет ряд преимуществ. Отсутствие высоковольтных сеток анодов устраняет возможный ограничивающий элемент в результате ионной эрозии сетки. Выхлоп плазмы является «квазинейтральным», что означает, что ионы и электроны существуют в равном количестве, что позволяет проводить простую ионно-электронную рекомбинацию в выхлопе для нейтрализации выхлопного шлейфа, устраняя необходимость в электронной пушке (полый катод). Этот тип двигателя малой тяги часто генерирует исходную плазму, используя радиочастотную или микроволновую энергию, используя внешнюю антенну. Этот факт в сочетании с отсутствием полых катодов (которые очень чувствительны ко всем, кроме немногих благородных газов) дает интригующую возможность использования этого типа двигателя малой тяги на огромном диапазоне ракетного топлива, от аргона до диоксида углерода. воздушные смеси, к моче космонавта. [2]
Плазменные двигатели лучше подходят [ неопределенно ] для межпланетных межпланетных путешествий на большие расстояния . [3]
В последние годы многие агентства разработали несколько форм плазменных двигательных систем, в том числе Европейское космическое агентство , Иранское космическое агентство и Австралийский национальный университет , которые совместно разработали более совершенный тип, описанный как двухслойный двигатель малой тяги . [4] [5] Однако эта форма плазменного двигателя - только один из многих типов.
Преимущества
Плазменные двигатели имеют гораздо более высокое значение удельного импульса ( I sp ), чем большинство других типов ракетной техники. Двигатель VASIMR может дросселироваться на импульс более 12000 с, а двигатели Холла достигли около 2000 с. Это значительное улучшение по сравнению с двухкомпонентным топливом обычных химических ракет с удельными импульсами в диапазоне 450 с. [6] Обладая высоким импульсом, плазменные двигатели способны достигать относительно высоких скоростей в течение продолжительных периодов ускорения. Бывший астронавт Франклин Чанг-Диас утверждает, что двигатель VASIMR может отправить полезную нагрузку на Марс всего за 39 дней, достигая максимальной скорости 34 мили в секунду. [7]
Некоторые плазменные двигатели, такие как мини-геликон, славятся своей простотой и эффективностью. Их принцип действия относительно прост и может использовать различные газы или их комбинации в качестве пропеллента.
Эти качества предполагают, что плазменные двигатели будут полезны для многих миссий. [8]
Недостатки
Возможно, наиболее серьезной проблемой для жизнеспособности плазменных двигателей является потребность в энергии. [5] Двигатель VX-200, например, требует 200 кВт электроэнергии для создания тяги 5 Н или 40 кВт / Н. Этому требованию мощности могут соответствовать реакторы деления, но масса реактора (включая системы отвода тепла) может оказаться чрезмерно высокой. [9] [10]
Еще одна проблема - плазменная эрозия. Во время работы плазма может термически разрушать стенки полости двигателя малой тяги и опорной конструкции, что в конечном итоге может привести к отказу системы. [11] Улучшение дизайна и материалов может решить эту проблему.
Из-за крайне низкой тяги плазменные двигатели не подходят для запуска на орбиту на Земле. В среднем эти ракеты обеспечивают максимальную тягу около 2 фунтов. [6] Плазменные двигатели очень эффективны в открытом космосе, но ничего не делают, чтобы свести на нет затраты на запуск химических ракет.
Плазменные двигатели в эксплуатации
В то время как большинство плазменных двигателей все еще ограничено лабораториями, некоторые видели активное время полета и использовались в миссиях. В 2011 году НАСА в партнерстве с аэрокосмической компанией Busek запустило первый двигатель на эффекте Холла на борту спутника Tacsat-2 . Двигатель был главной двигательной установкой спутника. С тех пор компания запустила еще один двигатель на эффекте Холла в 2011 году. [12] По мере развития технологий, вероятно, будет увеличиваться время полета для большего числа плазменных двигателей. [ необходима цитата ] В 2020 году Уханьский университет опубликовал исследование о том, как может выглядеть плазменная струя . [13]
Типы двигателей
Плазменные двигатели Helicon
Плазменные двигатели Helicon используют низкочастотные электромагнитные волны (волны Helicon), которые существуют внутри плазмы при воздействии статического магнитного поля. Радиочастотная антенна, которая охватывает газовую камеру, используется для создания волн и возбуждения газа. Как только энергия, обеспечиваемая антенной, соединяется с газом, создается плазма. Как только плазма образуется, она выбрасывается с высокой скоростью для создания тяги с использованием различных стратегий ускорения, которые требуют различных комбинаций электрических и магнитных полей с идеальной топологией. Эти двигатели могут использовать множество различных ракетных двигателей, что делает их идеальными для долгосрочных миссий, поскольку они относятся к категории безэлектродных двигателей. Простой дизайн также делает его универсальным, так как он может быть изготовлен из простых материалов, таких как стеклянная бутылка из-под газировки. [8]
Магнитоплазмодинамические двигатели
Магнитоплазмодинамические двигатели (MPD) используют силу Лоренца (сила, возникающая в результате взаимодействия между магнитным полем и электрическим током ) для создания тяги - электрического заряда, протекающего через плазму в присутствии магнитного поля, заставляющего плазму ускоряться из-за генерируемая магнитная сила. Сила Лоренца также важна для работы большинства импульсных плазменных двигателей .
Импульсные индуктивные подруливающие устройства
Импульсные индуктивные двигатели (PIT) также используют силу Лоренца для создания тяги, но, в отличие от магнитоплазменных двигателей малой тяги, в них не используются электроды, что устраняет проблему эрозии. Ионизация и электрические токи в плазме индуцируются быстро меняющимся магнитным полем.
Безэлектродные плазменные двигатели
Безэлектродные плазменные двигатели используют пондеромоторную силу, которая действует на любую плазму или заряженную частицу под действием сильного градиента плотности электромагнитной энергии для ускорения электронов и ионов плазмы в одном и том же направлении, что позволяет работать без нейтрализатора.
ВАСИМР
VASIMR, короткий для переменных удельных импульса Магнитоплазменных Rocket, использует радиоволны , чтобы ионизировать с пропеллент в плазму. Затем магнитное поле ускоряет плазму от ракетного двигателя , создавая тягу . VASIMR разрабатывается компанией Ad Astra Rocket Company со штаб-квартирой в Хьюстоне, штат Техас. Новая Шотландия , Канада базовой компании Nautel , производит радиочастотные генераторы 200 кВт , необходимые для ионизации ракетного топлива. Некоторые тесты компонентов и эксперименты "Plasma Shoot" проводятся в лаборатории в Либерии, Коста-Рика . Этот проект возглавляет бывший астронавт НАСА доктор Франклин Чанг-Диас (CRC-США).
Коста-риканский аэрокосмический альянс объявил о разработке внешней поддержки для VASIMR, который будет установлен за пределами Международной космической станции . Ожидается, что этот этап плана по испытанию VASIMR в космосе будет проведен в 2016 году. Прогнозируемый двигатель VASIMR мощностью 200 мегаватт может сократить время полета от Земли до Юпитера или Сатурна с шести лет до четырнадцати месяцев и от Земли до Марса. от 6 месяцев до 39 дней. [12]
Смотрите также
- Магнитный парус
- Ионный двигатель
- Космический полет
- Бескрылый электромагнитный летательный аппарат
- Движитель космического корабля с электроприводом
- Список статей по физике плазмы
Рекомендации
- ^ Mazouffre, Stéphane (2016-06-01). «Электродвигатели для спутников и космических аппаратов: отработанные технологии и новые подходы». Наука и технологии источников плазмы . 25 (3): 033002. DOI : 10,1088 / 0963-0252 / 25/3/033002 .
- ^ «Австралийский национальный университет разрабатывает геликонный плазменный двигатель» . Dvice. Январь 2010 . Проверено 8 июня 2012 года .
- ^ «Компания NS помогает строить плазменную ракету» . cbcnews. Январь 2010 . Проверено 24 июля 2012 года .
- ^ «Плазменный двигатель прошел начальные испытания» . BBC News . 14 декабря 2005 г.
- ^ а б «Плазменные реактивные двигатели, которые могут доставить вас с земли в космос» . Новый ученый . Проверено 29 июля 2017 .
- ^ а б "Космические путешествия с помощью плазменных двигателей: прошлое, настоящее и будущее | DSIAC" . www.dsiac.org . Архивировано из оригинала на 2017-08-08 . Проверено 29 июля 2017 .
- ^ «Антивещество для ионных двигателей: планы НАСА по движению в дальнем космосе» . Журнал "Космос" . Проверено 29 июля 2017 .
- ^ а б «Ракета нацелена на более дешевый толчок в космосе; плазменный двигатель мал, работает на недорогих газах» . ScienceDaily . Проверено 29 июля 2017 .
- ^ "Техническая информация | Ad Astra Rocket" . www.adastrarocket.com . Проверено 1 июня 2020 .
- ^ «Плазменный двигатель на 123 000 миль в час, который может наконец доставить астронавтов на Марс» . Популярная наука . Проверено 29 июля 2017 .
- ^ «Путешествие на Марс с бессмертными плазменными ракетами» . Проверено 29 июля 2017 .
- ^ а б «ТакСат-2» . www.busek.com . Проверено 29 июля 2017 .
- ^ «Может ли этот китайский плазменный двигатель сделать реальностью экологичное воздушное путешествие?» . Южно-Китайская утренняя почта . 8 мая 2020.
Внешние ссылки
- Плазменный двигатель в космосе - AIP, октябрь 2000 г.
- Плазменный двигатель Mini-Helicon