Электромагнитный ракетный ускоритель

VASIMR на испытательном стенде

Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом (англ. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR) — электромагнитный плазменный ускоритель, предназначенный для реактивного ускорения космического аппарата. Реактивный двигатель использует радиоволны для ионизации рабочего тела с последующим разгоном полученной плазмы с помощью электромагнитного поля для получения тяги.

Метод нагрева плазмы, используемый в VASIMR, был разработан в результате исследований в области термоядерного синтеза. Цель разработки VASIMR — заполнить разрыв между высокоэффективными реактивными системами малой тяги с высоким удельным импульсом и низкоэффективными системами большой тяги с низким удельным импульсом. VASIMR способен работать в режимах, близких к системам большой тяги и малой.

Концепция двигателя предложена астронавтом и учёным Франклином Чанг-Диазом из Коста-Рики в 1979 году и продолжает развиваться в настоящее время.

Основной проект

VASIMR, иногда рассматриваемый как электротепловой плазменный ускоритель (ЭПУ), использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для ускорения плазмы для получения ускорения. Этот тип двигателя можно рассматривать как вариацию безэлектродного плазменного ускорителя, отличающегося в способе ускорения плазмы. Оба типа двигателя не имеют никаких электродов. Основное преимущество такого проекта в исключении проблемы эрозии электродов. Более того, так как все части VASIMR защищены магнитным полем и не приходят в прямой контакт с ионизированной плазмой, потенциальная продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя.

Проект включает в себя три части:

• превращение газа в плазму с использованием радиоволновых антенн;
• возбуждение плазмы с помощью дальнейшего нагрева в ускорителе;
• использование электромагнитов для создания магнитного сопла, которое конвертирует полученную тепловую энергию плазмы в кинетическую энергию реактивной струи.

Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, направленного на создание плазмы, VASIMR способен как производить малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.

Диаграмма VASIMR

В отличие от обычных циклотронно-резонансных нагревающих процессов, ионы в VASIMR сразу же проходят через магнитное сопло быстрее времени, необходимого для достижения термодинамического равновесия. Основываясь на теоретической работе 2004 года Арефьева (Arefiev) и Брейзмана (Breizman) из Техасского университета в Остине, практически вся энергия в ионной циклотронной волне будет равномерно распределена в ионизированной плазме за один проход в циклотронном абсорбционном процессе. Это позволяет ионам покинуть магнитное сопло с очень узким распределением энергии, что дает упрощенное и компактное распределение магнитов в двигателе.^[1]

Эффективность

Текущие VASIMR должны обладать удельными импульсами в диапазоне от 3000 до 30 000 секунд (скорости истечения от 30 до 300 км/с). Нижний предел этого диапазона сопоставим с некоторыми существующими концепциями ионных двигателей. Регулируя получение плазмы и нагрев, VASIMR может управлять удельным импульсом и тягой. Двигатель также способен использовать гораздо более высокие уровни энергии (мегаватты) по сравнению с существующими концепциями ионных двигателей. Поэтому VASIMR может обеспечить в десятки раз большую тягу, при условии наличия подходящего источника энергии.

Применения

VASIMR не подходит для запуска полезной нагрузки с поверхности Земли из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости. Он может быть использован в качестве последней ступени, сокращая потребность в топливе для транспортировки в космосе. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости на основе технологий химического реактивного движения:

• компенсация торможения в верхней атмосфере Земли (подъем орбиты) для орбитальных станций.
• обеспечение доставки грузов на лунную орбиту.
• заправка топливом в космосе.
• восстановление ресурсов в космосе.
• космические транспортировки со сверхвысокими скоростями для дальних исследовательских программ.

Другие применения VASIMR (например, транспортировка людей к Марсу) требуют наличия источников очень высоких энергий с небольшой массой, таких как ядерные энергетические установки.

В августе 2008 г. Тим Гловер (Tim Glover), директор по развитию фирмы «Ad Astra», публично заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR является «заброс грузов (не людей) с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту» и будет предназначено для поддержки программы НАСА возвращения на Луну.^[2]

Текущее состояние

Схема VASIMR

Основным разработчиком VASIMR является «Ad Astra Rocket Company». На данный момент основные усилия были направлены на улучшение общей эффективности двигателя, путём увеличения уровней используемой энергии. Согласно данным компании, текущая эффективность VASIMR составляет 67 %. Опубликованные данные по двигателю VX-50 говорят о том, что двигатель способен использовать 50 кВт на излучение в радиодиапазоне, обладает КПД 59 %, вычисленное следующим образом: 90 % N_A эффективность процесса получения ионов × 65 % N_B эффективность процесса ускорения ионов. Модель VX-100, как ожидается, будет иметь общую эффективность 72 %, путём улучшения параметра N_B, то есть эффективности ускорения ионов, до 80 %.^[3][4]

Однако имеются дополнительные меньшие потери эффективности, относящиеся к конвертации постоянного тока в радиоволновую энергию и потребление энергии сверхпроводящими магнитами. Для сравнения, рабочий ионный двигатель NASA HiPEP, обладает общей эффективностью ускорителя 80 %.^[5] Опубликованные данные испытаний по VASIMR модели двигателя VX-50 показывают, что он способен производить 0,5 Н тяги. «Ad Astra Rocket Company» планировала проведение испытаний прототипа двигателя VX-200 в начале 2008 г. с мощностью излучения в радиодиапазоне 200 кВт с целью достижения требуемой эффективности, требуемой тяги и удельного импульса.

24 октября 2008 года компания заявила, что генерация плазмы двигателем VX-200 с помощью радиоволн первой ступени или твердотельным высокочастотным излучателем энергии достигла планируемых рабочих показателей. Ключевая технология, твердотельное преобразование энергии постоянного тока в радиоволны, стала крайне эффективной и достигла уровня 98 %. Радиоволновый импульс использует 30 кВт для превращения газа аргон в плазму, оставшиеся 170 кВт расходуются на разгон и разогрев плазмы в задней части двигателя с помощью ион-циклотронного резонансного разогрева.^[6]

На основании данных, опубликованных по предыдущим испытаниям VX-100^[7], можно ожидать, что двигатель VF-200, который должен быть установлен на МКС, будет иметь системную эффективность 60—65 % и уровень тяги 5 Н. Оптимальный удельный импульс предполагается на уровне 5000 с и использованием в качестве рабочего тела аргона. Удельная мощность оценивается в 1 кг/кВт, что означает, что вес данной версии VASIMR будет составлять только 300 кг.

Одна из оставшихся проблем — определение соотношения потенциально возможной тяги по отношению к действительному её значению. То есть, будет или нет горячая плазма находится на расстоянии от двигателя на самом деле. Это будет подтверждено в 2009 г, когда двигатель VX-200 будет установлен и протестирован в достаточно большой вакуумной камере. Другая проблема — управление выделяемым паразитным теплом при работе (60 % эффективности означает около 80 кВт ненужного тепла), решение которой критически важно для продолжительного функционирования двигателя VASIMR.

10 декабря 2008 года «Ad Astra Rocket Company» заключила контракт с NASA на определение расположения и испытание полетной версии VASIMR VF-200 на МКС. Его запуск запланирован на 2011—2012 гг^[2][8][9].

7 июля 2009 года сотрудники «Ad Astra Rocket Company» успешно испытали плазменный двигатель на сверхпроводящих магнитах.^[10]

VASIMR-двигатель на МКС будет использоваться в пакетно-монопольном режиме, с периодическими включениями. Так как производство электроэнергии на МКС недостаточно велико, система будет включать в себя набор батарей с достаточно малым потреблением тока для подзарядки, которая позволит двигателю работать в течение 10 мин. Этого будет достаточно для поддержания высоты станции, что исключит необходимость дорогостоящей операции по подъему станции с использованием ускорителей на основе химических реакций горения.

Космический буксир: орбитальный транспортный корабль

Космический корабль с VASIMR в представлении художника

Наиболее важным применением в обозримом будущем для VASIMR-ускоряемых космических аппаратов является транспортировка грузов. Многочисленные исследования показали, что VASIMR-ускоряемый аппарат будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с традиционными интегрированными химическими ракетами. Космический буксир, ускоряемый одним VF-200, был бы способен переместить 7 т груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полета.

NASA планирует перемещение 34 т полезного груза от Земли до Луны. Для того, чтобы совершить такое путешествие, должно быть сожжено около 60 тонн кислород/водород. Сопоставимый космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих 1 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или от ядерного реактора. Для того, чтобы проделать такую же работу, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Время полета буксира может быть сокращено за счёт полета с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе топлива). Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 с или за 14 дней при удельном импульсе 3000 с.

Полет к Марсу

Предполагается, что 200-мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществлять миссии по доставке людей к Марсу всего за 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые требуются традиционным ракетам.^[11]

См. также

• Ионный двигатель
• Физика плазмы

Примечания

1. ↑ Principal VASIMR Results and Present Objectives. Архивировано из первоисточника 28 марта 2012.
2. ↑ ^{1 2} Plasma Rocket May Be Tested at Space Station. Архивировано из первоисточника 28 марта 2012.
3. ↑ Recent Improvements In Ionization Costs And Ion Cyclotron Heating Efficiency In The VASIMR Engine (PDF). Архивировано из первоисточника 28 марта 2012.
4. ↑ High Power VASIMR Experiments using Deuterium, Neon and Argon (PDF). Архивировано из первоисточника 28 марта 2012.
5. ↑ An Overview of the High Power Electric Propulsion (HiPEP) Project (PDF).
6. ↑ VASIMR VX-200 first stage achieves full power rating (PDF). Архивировано из первоисточника 28 марта 2012.
7. ↑ VASIMR Performance Measurements at Powers Exceeding 50 kW and Lunar Robotic Mission Applications (PDF). Архивировано из первоисточника 28 марта 2012.
8. ↑ NASA to test plasma engine on space station. Архивировано из первоисточника 28 марта 2012.
9. ↑ Commercially Developed Plasma Engine Soon to be Tested in Space. Архивировано из первоисточника 28 марта 2012.
10. ↑ В США испытали плазменный двигатель на сверхпроводящих магнитах // Lenta.ru, 08.07.2009.
11. ↑ VASIMR human mission to Mars. Архивировано из первоисточника 8 июня 2012.

Ссылки

• Ускоритель плазмы осилит дорогу до Марса за месяц
• «VASIMR, МКС и полет к Марсу», Январь 2003 года, Новости космонавтики
• Ad Astra Rocket Company
• Reuters. Plasma rocket breaks endurance record, NewScientist.com (14 августа 2007). Проверено 18 января 2008.
• Interview with Franklin Chang-Diaz
• Technical Paper: Rapid Mars Transits with Exhaust-Modulated Plasma Propulsion (PDF)
• 有人宇宙探査に向けた大電力プラズマ推進機開発への挑戦 (PDF)
• メガヘルツ帯を用いたプラズマロケット推進 (PDF)
• VASIMR型プラズマ推進機の研究開発状況と課題 (PDF)

Двигатели

 

Двигатели внутреннего сгорания (кроме турбинных)   Возвратно-поступательные Количество тактов Двухтактный двигатель (двигатель Ленуара) • Четырёхтактный двигатель • Шеститактный двигатель (двигатель Гриффина) Расположение цилиндров Рядный двигатель (U-образный двигатель) • Оппозитный двигатель • V-образный двигатель • W-образный двигатель • Звездообразный двигатель (вращающийся) • X-образный двигатель Типы поршней Свободно-поршневые • Двигатель со встречным движением поршней (дельтообразный) • Аксиальные Способ воспламенения Дизельные • Компрессионные карбюраторные • Калильно-компрессионный • Калильные карбюраторные • Батарейное зажигание • Магнето • Дуговые и искровые свечи Роторные Двигатель Ванкеля • Орбитальный двигатель (двигатель Сарича) • Роторно-лопастной двигатель Вигриянова • Роторный двигатель Карфидова Комбинированные Гибридные Воздушно-реактивные   Основные типы Бескомпрессорные Прямоточные • Пульсирующие Турбореактивные Турбовентиляторные (двухконтурные) • Турбовинтовые • Турбовинтовентиляторные • Турбовальные Модификации и гибридные системы Мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель • Гиперзвуковые прямоточные См. также: Газотурбинные двигатели Ракетные двигатели   Химические Жидкостные Закрытого цикла • Открытого цикла • С фазовым переходом • Двигатель Вальтера Другие Твердотопливные • Топливно-гибридные Ядерные Термоядерные • Газофазно-ядерные • Солевые Электрические Плазменные (электромагнитный ускоритель VASIMR) • Ионные • Электротермические • Электростатические Другие Клиновоздушный • Двигатель Бассарда Двигатели внешнего сгорания   Паровая машина • Двигатель Стирлинга • Пневматический двигатель Турбины и механизмы с турбинами в составе   По виду рабочего тела Газовые Газотурбинная установка • Газотурбинная электростанция • Газотурбинные двигатели‎ Паровые Парогазовая установка • Конденсационная турбина Гидравлические турбины‎ Пропеллерная турбина •  • Гидротрансформатор По конструктивным особенностям Осевая (аксиальная) турбина • Центробежная турбина (радиальная, тангенциальная) • Радиально-осевая турбина • Поворотно-лопастная турбина • Ковшовая турбина Пелтона (турбина Турго) • Ротор Дарье • Турбина Уэльса • Турбина Тесла • Турбина Франциса • Сегнерово колесо Электродвигатели   Постоянного тока • Переменного тока • Трёхфазные • Двухфазные • Однофазные • Универсальные Асинхронные Конденсаторный двигатель Синхронные Бесколлекторные • Коллекторные • Вентильные реактивные • Шаговые Другие Линейные • Гистерезисные • Униполярные • Ультразвуковые • Мендосинский мотор Биологические двигатели   Моторные белки Актин • Динеин • Кинезин • Миозин • Тропомиозин • Тропонин • Флагеллин

См. также: Вечный двигатель • Мотор-редуктор • Резиномотор