Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с VASIMR )
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 для ограничения и ускорения расширяющейся плазмы , создавая тягу . Это плазменный двигательный двигатель , один из нескольких типов электрических двигательных установок космических аппаратов . [1]

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 пока не продемонстрировал высокую тягу. Концепция VASIMR возникла в 1977 году с бывшим астронавтом НАСА Франклином Чанг Диасом , который с тех пор занимается разработкой этой технологии. [2]

Устройство и работа [ править ]

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 исключает эрозию электродов, которая сокращает срок службы обычного ионного двигателя малой тяги.конструкции. [ необходима цитата ]

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, отрывая электроны от атомов топлива и создавая плазму из 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. [3] Вторая фаза двигателя - это мощный электромагнит в форме 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 . [4]

Путь ионов и электронов через двигатель приближается к линиям, параллельным стенкам двигателя; однако частицы фактически 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). [3] [5]

Преимущества [ править ]

В отличие от типичных процессов нагрева циклотронного резонанса , ионы VASIMR немедленно выбрасываются из магнитного сопла, прежде чем они достигнут термализованного распределения . На основе новой теоретической работы в 2004 году Алексея В. Арефьева и Бориса Н. Брейзмана 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. [3]

VASIMR не использует электроды; вместо этого он магнитно экранирует плазму от большинства деталей оборудования, тем самым предотвращая эрозию электродов - основной источник износа ионных двигателей. [6] По сравнению с традиционными ракетными двигателями с очень сложной системой трубопроводов, высокопроизводительными клапанами, исполнительными механизмами и турбонасосами, VASIMR почти не имеет движущихся частей (кроме таких второстепенных, как газовые клапаны), что обеспечивает максимальную долговечность. [ необходима цитата ]

Недостатки [ править ]

По данным Ad Astra на 2015 год, двигателю VX-200 требуется 200 кВт электроэнергии для создания тяги 5 Н или 40 кВт / Н. [5] Напротив, обычный ионный двигатель NEXT вырабатывает 0,327 Н с мощностью всего 7,7 кВт, или 24 кВт / Н. [5] С точки зрения электричества, NEXT почти вдвое эффективнее и успешно прошел 48 000 часов (5,5 лет) теста в декабре 2009 года. [7] [8]

С VASIMR также возникают новые проблемы, такие как взаимодействие с сильными магнитными полями и управление температурой. Неэффективность, с которой работает VASIMR, генерирует значительные отходы тепла, которые необходимо отводить, не создавая тепловой перегрузки и теплового напряжения. В сверхпроводящие электромагниты , необходимые для горячей плазмы содержит генерации TESLA -range магнитных полей [9] , 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 магнитный квадруполь с нулевым крутящим моментом . [10]

Необходимая технология производства энергии для быстрых межпланетных путешествий в настоящее время не существует, и она неосуществима с использованием современных технологий. [11]

Исследования и разработки [ править ]

Первый эксперимент VASIMR был проведен в Массачусетском технологическом институте в 1983 году. Важные усовершенствования были внесены в 1990-е годы, в том числе использование геликонного источника плазмы, который заменил первоначально задуманную плазменную пушку и ее электроды, что повысило надежность и увеличило срок службы. [ необходима цитата ]

С 2010 года 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 . [12]

VX-10 - VX-50 [ править ]

В 1998 г. на АСПЛ был проведен первый эксперимент с геликонной плазмой. В эксперименте VASIMR (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 тягой 50 кВт, 0,5 ньютона (0,1 фунт-силы) VX-50. [13] Опубликованные данные по VX-50 мощностью 50 кВт показали, что электрический КПД составляет 59% при 90% эффективности связи и 65% эффективности увеличения скорости ионов. [13]

VX-100 [ править ]

Эксперимент VASIMR мощностью 100 киловатт был успешно запущен к 2007 году и продемонстрировал эффективное производство плазмы с затратами на ионизацию ниже 100  эВ. [14] Плазменная мощность VX-100 утроила предыдущий рекорд VX-50. [14]

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. [13] [15] В отличие от этого, современные и проверенные конструкции ионных двигателей 2009 года, такие как High Power Electric Propulsion (HiPEP) НАСА, работали с 80% -ной общей энергоэффективностью двигателя малой тяги / PPU . [16]

VX-200 [ править ]

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

24 октября 2008 г. компания объявила в пресс-релизе, что компонент геликонной генерации плазмы двигателя VX-200 мощностью 200 кВт достиг рабочего состояния. Ключевая технология, обеспечивающая обработку мощности постоянного и радиочастотного сигналов, достигла эффективности 98%. Геликонный разряд использовал 30 кВт радиоволн для превращения газообразного аргона в плазму. Оставшиеся 170 кВт мощности были выделены на ускорение плазмы во второй части двигателя за счет нагрева ионным циклотронным резонансом. [17]

На основании данных испытаний VX-100 [9] 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. Оптимальный удельный импульс составил 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% - это вторичная ионизация 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. [18]

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». [19] В течение ноября 2010 года были проведены длительные пусковые испытания на полной мощности, в результате которых был достигнут установившийся режим работы в течение 25 секунд и подтверждены основные проектные характеристики. [20]

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. [21]

VX-200SS [ править ]

В марте 2015 года Ad Astra объявила о присуждении НАСА награды в размере 10 миллионов долларов для повышения технологической готовности следующей версии двигателя VASIMR, VX-200SS, для удовлетворения потребностей полетов в дальний космос. [22] SS в названии означает «установившееся состояние», поскольку цель длительного испытания - продемонстрировать непрерывную работу в установившемся тепловом режиме. [23]

В августе 2016 года Ad Astra объявила о завершении основных этапов первого года своего трехлетнего контракта с НАСА. Это позволило произвести первые мощные плазменные зажигания двигателей с заявленной целью достичь 100  часов и 100 кВт к середине 2018 года. [24] В августе 2017 года компания сообщила о завершении этапов 2-го года разработки электрического плазменного ракетного двигателя VASIMR. НАСА дало разрешение Ad Astra продолжить работу в течение 3-го 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, которые не упоминаются в пресс-релизе. [25]

В августе 2019 года [26] 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)

Возможные приложения [ править ]

VASIMR имеет сравнительно низкую тяговооруженность 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. [27] Однако это утверждение не повторялось за 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», поддерживая возвращение НАСА к усилиям на Луне. . [28]

Марс за 39 дней [ править ]

Чтобы осуществить воображаемое путешествие на Марс с экипажем за 39 дней [29], VASIMR потребует уровня электрической мощности, намного превышающего все, что возможно или предсказано в настоящее время.

Кроме того, любая технология производства электроэнергии будет производить отходящее тепло. Необходимый 200- мегаваттный реактор «с удельной мощностью 1000 ватт на килограмм » ( цитата Диаса ) потребовал бы чрезвычайно эффективных радиаторов, чтобы избежать необходимости в «радиаторах размером с футбольное поле» ( цитата Зубрина ). [30]

См. Также [ править ]

  • Сравнение орбитальных ракетных двигателей

Электродвигатель

  • Двухслойный двигатель Helicon
  • Магнитоплазмодинамический двигатель
  • Двигатель для извлечения поля наночастиц
  • Импульсный плазменный двигатель

Космические реакторы

  • Проект Прометей
  • Безопасный доступный двигатель деления
  • Системы вспомогательной ядерной энергетики
  • Ядерный реактор ТОПАЗ

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Ad Astra Rocket Company. «ВАСИМР» . Компания Ad Astra Rocket. Архивировано из оригинала 7 июля 2019 года . Проверено 9 июля 2019 года .
  2. ↑ Ad Astra Rocket Company. «История» . Компания Ad Astra Rocket . Проверено 9 июля 2019 года .
  3. ^ a b c Тим В. Гловер; и другие. (13–17 февраля 2005 г.). «Основные результаты VASIMR и текущие цели» (PDF) . Международный форум космических технологий и приложений - Staif 2005 . 746 : 976–982. Bibcode : 2005AIPC..746..976G . DOI : 10.1063 / 1.1867222 . Проверено 27 февраля 2010 года .
  4. ↑ Бет Дики (март 2004 г.). «Звездная сила» . Воздух и космос, Смитсоновский институт . Проверено 7 февраля 2014 года .
  5. ^ а б в Ad Astra Rocket Company (2009). «Технологии» . Компания Ad Astra Rocket . Проверено 10 декабря 2012 года .
  6. ^ Джаред П. Сквайр; Франклин Р. Чанг Диас; Верлин Т. Якобсон; Тим В. Гловер; Ф. Уолли Бэйти; Ричард Х. Гулдинг; Роджер Бенгтсон; и другие. «ПРОГРЕСС ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДВИГАТЕЛЯ ВАЗИМР» (PDF) . 28 -я Международная конференция Electric Propulsion, Тулуза, Франция, 17-21 марта 2003 . 28-я Международная конференция по электродвигателям . Проверено 7 февраля 2014 года .
  7. ^ Дуэйн Браун; Кэтрин К. Мартин; Гленн Махоун. «Двигатель НАСА достигает мировых рекордов за 5+ лет эксплуатации» . Проверено 24 июня 2013 года .
  8. ^ Нэнси Смит Килкенни, SGT, Inc. «NEXT обеспечивает длительную тягу и высокие скорости для миссий в дальний космос» . Проверено 29 сентября 2013 года .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ a b Джаред П. Сквайр; и другие. (5–6 сентября 2008 г.). «Измерения характеристик VASIMR при мощностях, превышающих 50 кВт, и приложения для лунных робототехнических миссий» (PDF) . Международный междисциплинарный симпозиум по газовой и жидкой плазме . Проверено 27 февраля 2010 года .
  10. ^ "Миссия Международной космической станции" . Компания Ad Astra Rocket. 2011. Архивировано из оригинала 15 марта 2011 года . Проверено 8 февраля 2011 года . VX-200 предоставит критически важный набор данных для создания VF-200-1, первого летного аппарата, который будет испытываться в космосе на борту Международной космической станции (МКС). Электроэнергия будет поступать с МКС на низком уровне мощности, накапливаться в батареях и использоваться для запуска двигателя мощностью 200 кВт.
  11. ^ «Факты о движке VASIMR® и его развитии» (PDF) . Компания Ad Astra Rocket. 15 июля 2011 г.
  12. ^ "Краткое содержание" (PDF) . Компания Ad Astra Rocket. 24 января 2010 года Архивировано из оригинального (PDF) на 31 марта 2010 года . Проверено 27 февраля 2010 года .
  13. ^ a b c Сквайр, Джаред П.; и другие. (17–20 сентября 2007 г.). «Эксперименты VASIMR высокой мощности с использованием дейтерия, неона и аргона» (PDF) . Международная конференция по электродвигателям 2007 . Проверено 27 февраля 2010 года .
  14. ^ a b «Испытательный стенд Ad Astra VX-100 демонстрирует рекордные характеристики плазменной резки» (PDF) . ПРЕСС - РЕЛИЗ 061207, 12 июня 2007 . Ad Astra . Проверено 7 февраля 2014 года .
  15. ^ Беринг, Эдгар А; и другие. (9–12 января 2006 г.). "Недавние улучшения в стоимости ионизации и эффективности ионного циклотронного нагрева в двигателе VASIMR" (PDF) . Встреча и выставка AIAA Aerospace Sciences . Проверено 27 февраля 2010 года .
  16. ^ Эллиотт, Фредерик W; и другие. (11–14 июля 2004 г.). «Обзор проекта мощной электрической тяги (HiPEP)» (PDF) . Совместная конференция и выставка AIAA / ASME / SAE / ASEE . Проверено 27 февраля 2010 года . [ постоянная мертвая ссылка ]
  17. ^ «Первая ступень VASIMR VX-200 выходит на полную мощность» (PDF) (пресс-релиз). Компания Ad Astra Rocket. 24 октября 2008 . Проверено 27 февраля 2010 года .
  18. ^ де Фаоит, Дайти; Браун, Дэвид Дж; Чанг-Диас, Франклин Р.; Стэнтон, Кеннет Т. (17 ноября 2011 г.). «Обзор обработки, состава и температурно-зависимых механических и термических свойств диэлектрической технической керамики». Журнал материаловедения . 47 (10): 4211–4235. Bibcode : 2012JMatS..47.4211F . DOI : 10.1007 / s10853-011-6140-1 . hdl : 10197/8477 .
  19. ^ «VASIMR VX-200 достиг отметки в 200 кВт мощности» (PDF) (пресс-релиз). Компания Ad Astra Rocket. 30 сентября 2011 . Проверено 24 февраля 2012 года .
  20. ^ Benwl (15 декабря 2010). «Видео выстрела VASIMR VX-200 в течение 25 секунд на полной мощности» . Компания Ad Astra Rocket . Проверено 4 января 2011 года .
  21. ↑ Ильин, Андрей В .; Гилман, Дэниел А .; Картер, Марк Д .; Чанг Диас, Франклин Р.; Сквайр, Джаред П .; Фарриас, Джозеф Э. (2013). VASIMR Solar Powered Missions for NEA Retrieval and NEA Deflection (PDF) . 33-я Международная конференция по электродвигателям. 6–10 октября 2013 г. Вашингтон, округ Колумбия IEPC-2013-336.
  22. ^ НАСА объявляет о новом партнерстве с промышленностью США по ключевым возможностям дальнего космоса . 30 марта 2015 года.
  23. ^ AD ASTRA Rocket Company Wins Major NASA Advanced Propulsion контракта . Пресс-релиз. 31 марта 2015 г.
  24. ^ [adastrarocket.com/pressReleases/AdAstra-Release-080316-final.pdf КОМПАНИЯ AD ASTRA ROCKET УСПЕШНО ЗАВЕРШАЕТ ВСЕ ЭТАПЫ КОНТРАКТА НАСА NEXTSTEP НА ПЕРВЫЙ ГОД, ПОЛУЧАЕТ УТВЕРЖДЕНИЕ НАСА НА ПРОДОЛЖЕНИЕ ВТОРОГО ГОДА]. ПРЕСС-РЕЛИЗ 080316, 3 августа 2016
  25. ^ "ПРЕСС-РЕЛИЗ Компания Ad Astra Rocket успешно завершила все этапы контракта НАСА NextStep на второй год, получила одобрение НАСА на продолжение третьего года, 09.08.17" (PDF) . Компания Ad Astra Rocket . Проверено 9 августа 2017 года .
  26. ^ "ПРЕСС-РЕЛИЗ 082019" (PDF) . 20 августа 2019.
  27. ^ Морринг, Фрэнк (2010). «Торговый путь». Авиационная неделя и космические технологии . 172 (6): 20–23.
  28. ↑ Ирэн Клотц (7 августа 2008 г.). «Плазменная ракета может быть испытана на космической станции» . Новости открытия . Проверено 27 февраля 2010 года .
  29. ↑ Видео: « Марс за 39 дней ?: Плазменный двигатель VASIMR. Франклин Чанг-Диаз, доктор философии ».
  30. ↑ Видео: Дебаты VASIMR / Обман VASIMR - доктор Роберт Зубрин - 14-я Международная конвенция Марсианского общества , Time Index 14:30

Дальнейшее чтение [ править ]

  • «Соглашение о коммерциализации усовершенствованной концепции ракеты НАСА; бывший астронавт Франклин Чанг-Диас возглавит усилия» (пресс-релиз). Космический центр Джонсона. 23 января 2006 г. J06-009 . Проверено 18 января 2008 года .
  • Наоне, Эрика (25 сентября 2007 г.). «Ученый-ракетоносец Франклин Чанг Диас говорит об обнаружении мощности и движения, необходимых для колонизации космоса» . Обзор технологий . Проверено 27 февраля 2010 года .
  • Апсон, Сандра (июнь 2009 г.). «Ракеты для Красной планеты» . IEEE Spectrum . Архивировано из оригинального 22 июля 2011 года . Проверено 27 февраля 2010 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • «Плазменная ракета» (видео). Бринк . Наука . 18 декабря 2008 г.
Документы НАСА
  • Технический документ: "Быстрые переходы Марса с помощью плазменного двигателя с модулированным выхлопом" (PDF)
  • Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (технический обзор)
  • Лаборатория перспективных космических двигателей: ВАСИМР
  • Двигательные установки будущего