Електромагнітний ракетний прискорювач

Електромагнітний прискорювач із змінним питомим імпульсом (англ. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR) — електромагнітний плазмовий прискорювач, призначений для реактивного прискорення космічного апарату. Реактивний двигун використовує радіохвилі для іонізації робочого тіла з подальшим розгоном отриманої плазми за допомогою електромагнітного поля для отримання тяги.

VASIMR на випробувальному стенді

Метод нагріву плазми, який використовується в VASIMR, був розроблений в результаті досліджень в області термоядерного синтезу. Мета розробки VASIMR — заповнити розрив між високоефективними реактивними системами малої тяги з високим питомим імпульсом і низькоефективними системами великої тяги з низьким питомим імпульсом. VASIMR здатний працювати в режимах, близьких до систем великої тяги і малої.

Концепція двигуна запропонована астронавтом і вченим Франкліном Чанг-Діазом з Коста-Рики в 1979 році і продовжує розвиватися в даний час.

Основний проект

VASIMR, іноді розглядається як електротепловий плазмовий прискорювач (ЕПП), що використовує радіохвилі для іонізації і нагріву робочого тіла і електромагнітні поля для прискорення плазми для отримання прискорення. Цей тип двигуна можна розглядати як варіацію безелектродного плазмового прискорювача, що відрізняється в способі прискорення плазми. Обидва типи двигуна не мають жодних електродів. Основна перевага такого проекту у виключенні проблеми ерозії електродів. Більше того, оскільки всі частини VASIMR захищені магнітним полем і не вступають в прямий контакт з плазмою, потенційна тривалість експлуатації двигуна, побудованого за таким проектом, набагато вище іонного двигуна.

Проект включає в себе три частини:

  • перетворення газу в плазму з використанням радіохвильових антен;
  • збудження плазми за допомогою подальшого нагріву в прискорювачі;
  • використання електромагнітів для створення магнітного сопла, яке конвертує отриману теплову енергію плазми в кінетичну енергію реактивного струменя.

Змінюючи кількість енергії на радіохвильовий розігрів і кількість робочого тіла, спрямованого на створення плазми, VASIMR здатний як виробляти малу тягу з високим питомим імпульсом, так і відносно високу тягу з низьким питомим імпульсом.

Діаграма VASIMR

На відміну від звичайних циклотронно-резонансних нагріваючих процесів, іони в VASIMR відразу ж проходять через магнітне сопло швидше часу, необхідного для досягнення термодинамічної рівноваги. Ґрунтуючись на теоретичній роботі 2004 року Ареф'єва (Arefiev) і Брейзмана (Breizman) з Техаського університету в Остіні, практично вся енергія в іонній циклотронній хвилі буде рівномірно розподілена в іонізованій плазмі за один прохід в циклотронному абсорбційному процесі. Це дозволяє іонам покинути магнітне сопло з дуже вузьким розподілом енергії, що дає спрощений і компактний розподіл магнітів в двигуні.[1]

Ефективність

Поточні VASIMR повинні володіти питомими імпульсами в діапазоні від 3000 до 30 000 секунд (швидкості витікання від 30 до 300 км/с). Нижня межа цього діапазону зпорівняна з деякими існуючими концепціями іонних двигунів. Регулюючи отримання плазми і нагрів, VASIMR може керувати питомим імпульсом і тягою. Двигун також здатний використовувати набагато більш високі рівні енергії (мегавати) в порівнянні з існуючими концепціями іонних двигунів. Тому VASIMR може забезпечити в десятки разів більшу тягу, за умови наявності відповідного джерела енергії.

Застосування

VASIMR не підходить для підйому корисного навантаження з поверхні планети (наприклад Землі) на навколопланетну орбіту через його низьке співвідношення тяги до маси і може бути використаний тільки в невагомості (наприклад для старту з корабля з навколопланетної орбіти). Він може бути використаний як останній ступінь, скорочуючи потребу в паливі для транспортування в космосі. Очікується, що двигун повинен виконувати ці операції за частки вартості від вартості на основі технологій хімічного реактивного руху:

  • компенсація гальмування у верхній атмосфері Землі (підйом орбіти) для орбітальних станцій.
  • забезпечення доставки вантажів на місячну орбіту.
  • заправка паливом в космосі.
  • відновлення ресурсів в космосі.
  • космічні транспортування з надвисокими швидкостями для далеких дослідницьких програм.

Інші застосування VASIMR (наприклад, транспортування людей до Марса) вимагають наявності джерел дуже високих енергій з невеликою масою, таких як, наприклад, ядерні енергетичні установки.

У серпні 2008 Тім Гловер (Tim Glover), директор з розвитку фірми «Ad Astra», публічно заявив, що першим очікуваним застосуванням двигуна VASIMR буде «переміщення вантажів (не людей) з низької навколоземної орбіти на низьку місячну орбіту» і буде призначене для підтримки програми НАСА повернення на Місяць.[2]

Поточний стан
Схема VASIMR

Основним розробником VASIMR є «Ad Astra Rocket Company». На сьогодні основні зусилля були спрямовані на покращення загальної ефективності двигуна, через збільшення рівнів використовуваної енергії. Згідно даних компанії, поточна ефективність VASIMR складає 67%. Опубліковані дані двигуна VX-50 повідомляють, що двигун здатен використовувати 50 кВт на випромінення в радіодіапазоні, складає ККД 59%, обчислене наступним чином : 90% NA ефективність процесу отримання іонів. Модель VX-100, як очікується, буде мати загальну ефективність 72%, шляхом поліпшення параметра NB, тобто ефективність прискорення іонів, до 80%.[3][4]

Однак є додаткові менші втрати ефективності, що відносяться до конвертації постійного струму в радіохвильову енергію і споживання енергії надпровідними магнітами. Для порівняння, робочий іонний двигун NASA HiPEP, володіє загальною ефективністю прискорювача 80%.[5]

Опубліковані дані випробувань VASIMR моделі двигуна VX-50 свідчать, що від здатен виробляти 0,5 Н тяги. «Ad Astra Rocket Company» планувала здійснення випробувань прототипу двигуна VX-200 на початку 2008 р. з потужністю випромінення в радіодіапазоні 200 кВт з метою досягнення необхідної ефективності, тяги і питомого імпульса.

24 жовтня 2008 року компанія заявила, що генерація плазми двигуном VX-200 за допомогою радіоволн першого ступеня або твердотілим високочастотним випромінювачем енергії досягла планованих рабочих показників. Ключова технологія, твердотіле перетворення енергії постійного струму в радіохвилі, стала вкрай ефективною і досягла рівня 98%. Радіоволновий імпульс використовує 30 кВт для перетворення газу аргону в плазму, 170 кВт які залишилися, витрачаються на розгін і розігрів плазми в задній частині двигуна за допомогою іон-циклотронного резонансного розігріву.[6]

На підставі даних, які опубліковані за попередніми випробуваннями VX-100[7], можна очікувати, що двигун VF-200, який повинен бути встановлений на МКС, буде мати системну ефективність 60—65% і рівень тяги 5 Н. Оптимальний питомий імпульс передбачається на рівні 5000 с і використанням як робочого тіла аргону. Питома потужність оцінюється у 1 кг/кВт, що означає, що вага цієї версії VASIMR буде складати тільки 300 кг.

Одна з проблем, яка залишилася — визначення співвідношення потенційно можливої тяги по відношенню до дійсного її значення. Тобто, чи буде чи ні гаряча плазма знаходитися на відстані від двигуна насправді. Це буде підтверджено у 2009 р., коли двигун VX-200 буде встановлений та випробуваний в достатньо великій вакуумній камері. Інша проблема — керування виділеним паразитним теплом при роботі (60% ефективності — це близько 80 кВт непотрібного тепла), вирішення якої критично важливо для тривалого функціонування двигуна VASIMR.

10 грудня 2008 року «Ad Astra Rocket Company» уклала контракт з NASA на визначення положення і випробування політної версії VASIMR VF-200 на МКС. Його запуск був запланований на 2015 рік.[8]

7 липня 2009 року співробітники «Ad Astra Rocket Company» успішно випробували плазмовий двигун на надпровідних магнітах[9]

VASIMR-двигун на МКС буде використовуватися в пакетно-монопольному режимі, з періодичними включеннями. Так як виробництво електроенергії на МКС недостатньо велике, система буде мати також набір батарей з достатньо малим споживанням току для підзарядки, який дозволить двигуну працювати протягом 10 хвилин. Цього буде достатньо для підтримання висоти станції, що виключить необхідність дорогої операції з підйому станції з використанням прискорювачів на основі хімічних реакцій горіння.

В 2015 році компанія «Ad Astra Rocket Company», виграла 10-ти мільйонний тендер на будівництво міжпланетного іонного двигуна «Vasimr», здатного доправити експедицію на Марс менш ніж за 40 днів[10].

Космічний буксир: орбітальний транспортний корабель
Космічний корабель з VASIMR в уяві художника

Найбільш важливим застосуванням в найближчому майбутньому для VASIMR двигунів в космічній галузі — це транспортування вантажів. Численні дослідження засвідчили, що КА з двигуном VASIMR буде більш ефективним під час руху в космосі в порівнянні з традиційними інтегрованими хімічними ракетами. Космічний буксир, який прискорюється за допомогою одного двигуна VF-200, був би здатен перемістити 7 т вантажу з низької земної орбіти на низьку місячну орбіту приблизно за 6 місяців польоту.

NASA планує переміщення 34 т корисного вантажу від Землі до Місяця. Для того, щоб здійснити цю подорож, повинно бути спалено близько 60 тонн кисню/водню. Порівняний космічний буксир вимагав би 5 двигунів VF-200, які б споживали 1 МВт електроенергії з сонячних батарей чи від ядерного реактора. Для того, щоб виконати таку саму роботу, подібний буксир витратив би тільки 8 тонн аргону. Час польоту буксира може бути скорочений за рахунок польоту з меншим вантажем або використовуючи більшу кількість аргону у двигунах за меншого питомого імпульсу (більшому використанні палива). Наприклад, порожній буксир під час повернення до Землі повинен покривати цю відстань за 23 дні при оптимальному питомому імпульсі 5000 с або за 14 днів при питомому імпульсі 3000 с.

Політ до Марса

Передбачається, що 200-мегаватний двигун класу VASIMR зможе здійснювати місії з доставки людей до Марса всього за 39 днів, порівняно з 6 місяцями, які потрібні традиційним ракетам.[11]

Див. також

Посилання

Примітки
  1. Principal VASIMR Results and Present Objectives. Архів оригіналу за 29 травня 2015. Процитовано 4 квітня 2015.
  2. Plasma Rocket May Be Tested at Space Station. Архів оригіналу за 4 березня 2013. Процитовано 4 квітня 2015.
  3. Recent Improvements In Ionization Costs And Ion Cyclotron Heating Efficiency In The VASIMR Engine (PDF). Архів оригіналу за 19 січня 2016. Процитовано 6 вересня 2015.
  4. High Power VASIMR Experiments using Deuterium, Neon and Argon (PDF). Архів оригіналу за 26 лютого 2015. Процитовано 6 вересня 2015.
  5. An Overview of the High Power Electric Propulsion (HiPEP) Project (PDF).[недоступне посилання з квітня 2019]
  6. VASIMR VX-200 first stage achieves full power rating (PDF). Архів оригіналу за 5 листопада 2015. Процитовано 8 вересня 2015.
  7. VASIMR Performance Measurements at Powers Exceeding 50 kW and Lunar Robotic Mission Applications (PDF). Архів оригіналу за 26 лютого 2015. Процитовано 8 вересня 2015.
  8. Carreau, Mark (6 червня 2012). Ad Astra Eyes SpaceX Commercial Model For Deep Space. Aviation week. Процитовано 7 червня 2012.[недоступне посилання з липня 2019]
  9. В США випробували плазмовий двигун на надпровідних магнітах // Lenta.ru, 08.07.2009.
  10. Gearmix " " Плазменные двигатели Vasimr: Как достичь Марса за 39 дней
  11. VASIMR human mission to Mars. Архів оригіналу за 14 жовтня 2015. Процитовано 10 вересня 2015.


This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.