Магнитоплазмодинамический (MPD) двигатель ( MPDT ) — это разновидность электрического двигателя космического корабля , который использует силу Лоренца (силу, действующую на заряженную частицу электромагнитным полем) для создания тяги. Иногда его называют ускорителем силы Лоренца (LFA) или (в основном в Японии) дуговым двигателем MPD .
Обычно газообразный материал ионизируется и подается в ускорительную камеру, где магнитные и электрические поля создаются с помощью источника питания. Затем частицы выталкиваются силой Лоренца, возникающей в результате взаимодействия между током, протекающим через плазму, и магнитным полем (которое либо прикладывается извне, либо индуцируется током) через выхлопную камеру. В отличие от химического двигателя, здесь нет сгорания топлива. Как и в других вариантах электрического двигателя, как удельный импульс , так и тяга увеличиваются с потребляемой мощностью, в то время как тяга на ватт падает.
Существует два основных типа двигателей MPD: двигатели с прикладным полем и двигатели с собственным полем. У двигателей с прикладным полем есть магнитные кольца, окружающие выпускную камеру для создания магнитного поля, в то время как двигатели с собственным полем имеют катод, проходящий через середину камеры. Приложенные поля необходимы на более низких уровнях мощности, где конфигурации с собственным полем слишком слабы. Использовались различные виды топлива, такие как ксенон , неон , аргон , водород , гидразин и литий , причем литий, как правило, является лучшим. [1]
По словам Эдгара Шуэйри, магнитоплазмодинамические двигатели имеют входную мощность 100–500 киловатт, скорость истечения 15–60 километров в секунду, тягу 2,5–25 ньютонов и эффективность 40–60 процентов. Однако дополнительные исследования показали, что скорость истечения может превышать 100 километров в секунду. [2] [3]
Одним из потенциальных применений магнитоплазмодинамических двигателей является основной двигатель для тяжелых грузовых и пилотируемых космических аппаратов (пример двигателя для миссии человека на Марс ). [2] [3]
Теоретически двигатели MPD могут производить чрезвычайно высокие удельные импульсы (I sp ) со скоростью истечения до и более110 000 м/с , что в три раза превышает значение современных ионных двигателей на основе ксенона и примерно в 25 раз превосходит жидкостные ракеты. Технология MPD также имеет потенциал для уровней тяги до 200 ньютонов (Н) (45 фунтов F ), что на сегодняшний день является самым высоким показателем для любой формы электрического движения и почти таким же высоким, как у многих межпланетных химических ракет. [ необходима ссылка ] Это позволило бы использовать электрический двигатель в миссиях, требующих быстрых маневров дельта-v (например, захват на орбиту другой планеты), но с многократно большей топливной эффективностью. [4]
Технология двигателей MPD исследовалась в академическом плане, но коммерческий интерес был низким из-за нескольких оставшихся проблем. Одна небольшая проблема заключается в том, что для оптимальной производительности требуются мощности порядка сотен киловатт. Современные системы питания межпланетных космических аппаратов (такие как радиоизотопные термоэлектрические генераторы и солнечные батареи) не способны производить столько энергии. Реактор проекта NASA Prometheus должен был вырабатывать энергию в диапазоне сотен киловатт, но был прекращен в 2005 году.
Проект по созданию космического ядерного реактора, рассчитанного на выработку 600 киловатт электроэнергии, начался в 1963 году и продолжался большую часть 1960-х годов в СССР . Он должен был обеспечить энергией спутник связи, который в конечном итоге не был одобрен. [5] Ядерные реакторы, вырабатывающие киловатты электроэнергии (порядка в десять раз больше, чем нынешние источники питания РИТЭГ), были выведены на орбиту СССР: RORSAT ; [6] и TOPAZ . [7]
Планы по разработке ядерного реактора мегаваттного масштаба для использования на борту пилотируемого космического корабля были объявлены в 2009 году Российским ядерным институтом «Курчатов» [8] , национальным космическим агентством «Роскосмос» [ 9] и подтверждены президентом России Дмитрием Медведевым в его послании Федеральному Собранию в ноябре 2009 года [10] .
Другой план, предложенный Брэдли С. Эдвардсом , заключается в передаче энергии с земли. Этот план использует 5 200-киловаттных лазеров на свободных электронах на 0,84 микрометра с адаптивной оптикой на земле для передачи энергии на космический аппарат с питанием от MPD, где она преобразуется в электричество фотоэлектрическими панелями GaAs . Настройка длины волны лазера 0,840 микрометра (1,48 эВ на фотон) и ширина запрещенной зоны фотоэлектрической панели1,43 эВ друг к другу обеспечивает расчетную эффективность преобразования 59% и прогнозируемую плотность мощности до540 кВт/м 2 . Этого было бы достаточно для питания верхней ступени MPD, возможно, для подъема спутников с низкой околоземной орбиты на геостационарную. [11]
Еще одной проблемой технологии MPD является деградация катодов из-за испарения, вызванного высокими плотностями тока (превышающими100 А/см 2 ). Использование смесей лития и бария в качестве топлива и многоканальных полых катодов, как было показано в лабораторных условиях, является перспективным решением проблемы эрозии катода. [12]
Исследования двигателей MPD проводились в США, бывшем Советском Союзе , Японии, Германии и Италии. Экспериментальные прототипы впервые были запущены на советских космических аппаратах и совсем недавно, в 1996 году, на японском космическом аппарате , который продемонстрировал успешную работу квазистационарного импульсного двигателя MPD в космосе. Исследования в Московском авиационном институте , РКК «Энергия» , Национальном аэрокосмическом университете, Харьковском авиационном институте, Институте космических систем Штутгартского университета , ISAS , Centrospazio, Alta SpA, Университете Осаки , Университете Южной Калифорнии , Лаборатории электродвижения и динамики плазмы (EPPDyL) Принстонского университета (где исследования двигателей MPD непрерывно продолжаются с 1967 года) и центрах NASA ( Лаборатория реактивного движения и Исследовательский центр Гленна ), решили многие проблемы, связанные с производительностью, стабильностью и сроком службы двигателей MPD.
Двигатель MPD был испытан на борту японского космического летательного аппарата в рамках EPEX (эксперимента по электродвижению), который был запущен 18 марта 1995 года и возвращен шаттлом STS-72 20 января 1996 года. На сегодняшний день это единственный действующий двигатель MPD, который летал в космосе в качестве двигательной системы. Экспериментальные прототипы впервые были запущены на советских космических кораблях.
Двигатель прикладного поля MPD, разрабатываемый в Институте космических систем Штутгартского университета , достиг в 2019 году эффективности двигателя 61,99%, что соответствует удельному импульсу I sp = 4665 с и тяге 2,75 Н. [13]
