stringtranslate.com

Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом

Художественное представление многомегаваттного космического аппарата VASIMR

Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом ( VASIMR ) — это электротермический двигатель, разрабатываемый для возможного использования в космических аппаратах . 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 двигатель , один из нескольких типов электрических двигательных систем космических аппаратов. [1]

Метод VASIMR для нагрева плазмы был первоначально разработан в ходе исследований ядерного синтеза . VASIMR предназначен для преодоления разрыва между химическими ракетами с высокой тягой и низким удельным импульсом и электрическими ракетами с низкой тягой и высоким удельным импульсом, но пока не продемонстрировал высокой тяги. Концепция VASIMR возникла в 1977 году у бывшего астронавта НАСА Франклина Чанга Диаса , который с тех пор и разрабатывает эту технологию. [2]

Конструкция и эксплуатация

Схема VASIMR

VASIMR — это тип электротермического плазменного двигателя/электротермического магнитоплазменного двигателя. В этих двигателях нейтральное инертное топливо ионизируется и нагревается с помощью радиоволн. Полученная плазма затем ускоряется магнитными полями для создания тяги. Другие связанные концепции движения космических аппаратов с электрическим приводом — это безэлектродный плазменный двигатель , микроволновая дуговая ракета и импульсный индуктивный двигатель .

Топливо, 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 геликоновой радиочастотной антенны/соединителя, которая бомбардирует газ электромагнитной энергией на частоте от 10 до 50 МГц , [3] отрывая электроны от атомов топлива и создавая плазму ионов и свободных электронов. Изменяя количество энергии нагрева РЧ и плазмы, VASIMR, как утверждается, способен генерировать либо выхлоп с низкой тягой и высоким удельным импульсом, либо выхлоп с относительно высокой тягой и низким удельным импульсом. [4] Вторая фаза двигателя представляет собой мощный электромагнит соленоидной конфигурации, который направляет ионизированную плазму, действуя как сходящееся-расходящееся сопло, подобное физическому соплу в обычных ракетных двигателях.

Второй соединитель, известный как секция ионно-циклотронного нагрева (ICH), испускает 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, что 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) — примерно в 173 раза выше температуры поверхности Солнца . [5]

Путь ионов и электронов через двигатель приближается к линиям, параллельным стенкам двигателя; однако частицы фактически вращаются вокруг этих линий, двигаясь линейно через двигатель. Последняя, ​​расходящаяся, секция двигателя содержит расширяющееся магнитное поле, которое выбрасывает ионы и электроны из двигателя со скоростью до 50 000 м/с (180 000 км/ч). [4] [6]

Преимущества

В отличие от типичных процессов циклотронного резонансного нагрева, ионы VASIMR немедленно выбрасываются из магнитного сопла до того, как они достигнут термализованного распределения . На основе новой теоретической работы 2004 года Алексея В. Арефьева и Бориса Н. Брейзмана из Техасского университета в Остине , практически вся энергия в ионной циклотронной волне равномерно передается ионизированной плазме в однопроходном циклотронном процессе поглощения. Это позволяет ионам покидать магнитное сопло с очень узким распределением энергии и значительно упрощает и компактизирует расположение магнитов в двигателе. [4]

VASIMR не использует электроды; вместо этого он магнитно экранирует плазму от большинства деталей оборудования, тем самым устраняя эрозию электродов, основной источник износа в ионных двигателях. [7] По сравнению с традиционными ракетными двигателями с очень сложной сантехникой, высокопроизводительными клапанами, приводами и турбонасосами, VASIMR практически не имеет движущихся частей (кроме второстепенных, таких как газовые клапаны), что обеспечивает максимальную долговечность. [8]

Недостатки

По данным Ad Astra на 2015 год, двигателю VX-200 требуется 200 кВт электрической мощности для создания тяги в 5 Н , или 40 кВт/Н. [6] Для сравнения, обычный ионный двигатель NEXT создает 0,327 Н при потреблении всего 7,7 кВт, или 24 кВт/Н. [6] С точки зрения электротехники NEXT почти в два раза эффективнее и успешно прошел 48 000-часовой (5,5 лет) тест в декабре 2009 года. [9] [10]

Новые проблемы также возникают с VASIMR, такие как взаимодействие с сильными магнитными полями и управление температурой. Неэффективность, с которой работает VASIMR, генерирует значительное количество отработанного тепла , которое необходимо отводить, не создавая тепловой перегрузки и теплового напряжения. Сверхпроводящие электромагниты, необходимые для удержания горячей плазмы, генерируют магнитные поля тесла -диапазона [11] , которые могут вызывать проблемы с другими бортовыми устройствами и создавать нежелательный крутящий момент при взаимодействии с магнитосферой . Чтобы противостоять этому последнему эффекту, два двигателя могут быть упакованы с магнитными полями, ориентированными в противоположных направлениях, создавая чистый магнитный квадруполь с нулевым крутящим моментом . [12]

Исследования и разработки

Первый эксперимент VASIMR был проведен в Массачусетском технологическом институте в 1983 году. Важные усовершенствования были введены в 1990-х годах, включая использование источника плазмы геликона, который заменил изначально задуманную плазменную пушку и ее электроды, что увеличило прочность и срок службы. [13]

По состоянию на 2010 год компания Ad Astra Rocket Company (AARC) отвечала за разработку VASIMR, подписав первое Соглашение о космическом акте 23 июня 2005 года о приватизации технологии VASIMR. Франклин Чанг Диас является председателем и генеральным директором Ad Astra, а компания имела испытательный центр в Либерии, Коста-Рика, на территории кампуса Университета Земли . [14]

VX-10 - VX-50

В 1998 году в ASPL был проведен первый эксперимент с геликонной плазмой . Эксперимент VASIMR 10 (VX-10) в 1998 году достиг разряда геликонной ВЧ-плазмы до 10 кВт, а в 2002 году VX-25 — до 25 кВт. К 2005 году прогресс в ASPL включал полное и эффективное производство плазмы и ускорение плазменных ионов с помощью 50-киловаттного, 0,5-ньютонного (0,1 фунт-сила) тягового VX-50. [4] Опубликованные данные по 50-киловаттному VX-50 показали, что электрический КПД составляет 59% на основе 90% эффективности связи и 65% эффективности повышения скорости ионов. [15] [ проверка не удалась ]

VX-100

Эксперимент VASIMR мощностью 100 киловатт был успешно запущен к 2007 году и продемонстрировал эффективное производство плазмы с затратами на ионизацию ниже 100  эВ. [16] Выход плазмы VX-100 утроил предыдущий рекорд VX-50. [16]

Ожидалось, что VX-100 будет иметь эффективность увеличения скорости ионов в 80%, но не смог достичь этой эффективности из-за потерь при преобразовании постоянного электрического тока в радиочастотную мощность и вспомогательного оборудования для сверхпроводящего магнита. [15] [17] Напротив, современные, проверенные конструкции ионных двигателей 2009 года, такие как High Power Electric Propulsion (HiPEP) от NASA, работали с общей эффективностью двигателя/ PPU в 80% . [18]

VX-200

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

24 октября 2008 года компания объявила в пресс-релизе, что компонент генерации плазмы геликона 200-киловаттного двигателя VX-200 достиг эксплуатационного состояния. Ключевая технология, обеспечивающая твердотельную обработку DC-RF энергии, достигла 98% эффективности. Геликонный разряд использовал 30 кВт радиоволн для превращения аргонового газа в плазму. Оставшиеся 170 кВт мощности были выделены для ускорения плазмы во второй части двигателя посредством нагрева ионным циклотронным резонансом. [19]

На основе данных испытаний VX-100 [11] ожидалось, что если когда-либо будут обнаружены сверхпроводники комнатной температуры, двигатель VX-200 будет иметь системную эффективность 60–65% и потенциальный уровень тяги 5 Н. Оптимальный удельный импульс, по-видимому, составлял около 5000 с при использовании недорогого аргонового топлива. Одним из оставшихся непроверенных вопросов было то, действительно ли горячая плазма отделялась от ракеты. Другой проблемой было управление отработанным теплом. Около 60% входной энергии становилось полезной кинетической энергией. Большая часть оставшихся 40% — это вторичные ионизации от плазмы, пересекающей линии магнитного поля, и расхождение выхлопных газов. Значительная часть этих 40% составляла отработанное тепло (см. эффективность преобразования энергии ). Управление и отвод этого отработанного тепла имеет решающее значение. [20]

В период с апреля по сентябрь 2009 года были проведены испытания на 200 кВт на прототипе VX-200 с двумя сверхпроводящими магнитами Тесла , которые питаются отдельно и не учитываются ни в каких расчетах «эффективности». [21] В ноябре 2010 года были проведены длительные испытания на полной мощности, в ходе которых был достигнут устойчивый режим работы в течение 25 секунд и подтверждены основные проектные характеристики. [22]

Результаты, представленные в январе 2011 года, подтвердили, что расчетная точка для оптимальной эффективности VX-200 составляет 50 км/с скорости истечения или I sp 5000  с. 200-киловаттный VX-200 выполнил более 10 000 запусков двигателя с аргоновым топливом на полной мощности к 2013 году, продемонстрировав более 70% эффективности двигателя относительно входной мощности RF. [23]

VX-200SS

В марте 2015 года компания Ad Astra объявила о получении гранта в размере 10 миллионов долларов от NASA на повышение технологической готовности следующей версии двигателя VASIMR, VX-200SS, для удовлетворения потребностей миссий в дальнем космосе. [24] SS в названии означает «устойчивое состояние», поскольку целью долгосрочного испытания является демонстрация непрерывной работы в устойчивом тепловом состоянии. [25]

В августе 2016 года Ad Astra объявила о завершении основных этапов первого года своего трехлетнего контракта с NASA. Это позволило провести первые мощные плазменные запуски двигателей с заявленной целью достичь 100  ч и 100 кВт к середине 2018 года. [26] В августе 2017 года компания сообщила о завершении основных этапов второго года для электрического плазменного ракетного двигателя VASIMR. NASA одобрило Ad Astra продолжение третьего года после рассмотрения завершения 10-часового кумулятивного испытания двигателя VX-200SS на 100  кВт. Похоже, что запланированная конструкция на 200 кВт работает на 100 кВт по причинам, которые не упомянуты в пресс-релизе. [27]

В августе 2019 года компания Ad Astra объявила об успешном завершении испытаний нового поколения радиочастотного ( РЧ ) силового процессора (PPU) для двигателя VASIMR, созданного канадской компанией Aethera Technologies Ltd. [28] Компания Ad Astra заявила о мощности 120 кВт и эффективности преобразования электроэнергии в радиочастоту >97%, а также о том, что при весе в 52 кг новый РЧ PPU примерно в 10 раз легче PPU конкурирующих электрических двигателей ( соотношение мощности к весу : 2,31 кВт/кг).

В июле 2021 года компания Ad Astra объявила о завершении рекордного испытания двигателя, в ходе которого он проработал 28 часов на уровне мощности 82,5  кВт. [29] Во время второго испытания, проведенного с 12 по 16 июля, двигатель успешно проработал 88 часов на уровне мощности 80  кВт. [30] Компания Ad Astra планирует провести  испытания на уровне мощности 100 кВт в 2023 году. [31]

Потенциальные приложения

VASIMR имеет сравнительно низкую тяговооруженность и требует наличия окружающего вакуума.

Предложенные приложения для VASIMR, такие как быстрая транспортировка людей на Марс, потребуют очень мощного, маломассивного источника энергии, в десять раз более эффективного, чем ядерный реактор (см. ядерная электрическая ракета ). В 2010 году администратор НАСА Чарльз Болден сказал, что технология VASIMR может стать прорывной технологией, которая сократит время путешествия на Марс с 2,5 лет до 5 месяцев. [32] Однако это утверждение не было повторено в последнее десятилетие.

В августе 2008 года Тим Гловер, директор по развитию Ad Astra, публично заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR станет «перевозка предметов [нечеловеческих грузов] с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту», что будет способствовать усилиям NASA по возвращению на Луну. [33]

Марс за 39 дней

Чтобы осуществить предполагаемый пилотируемый полет на Марс за 39 дней [34] , VASIMR потребуется уровень электрической мощности, намного превышающий все, что возможно в настоящее время.

Вдобавок ко всему, любая технология производства электроэнергии будет производить отработанное тепло. Необходимый реактор мощностью 200 мегаватт «с удельной мощностью на массу 1000 ватт на килограмм » потребует чрезвычайно эффективных радиаторов, чтобы избежать необходимости в «радиаторах размером с футбольное поле». [35]

Смотрите также

Электрическая тяга
Космические реакторы деления

Ссылки

  1. ^ Ad Astra Rocket Company. "VASIMR". Ad Astra Rocket Company. Архивировано из оригинала 7 июля 2019 г. Получено 9 июля 2019 г.
  2. ^ Ad Astra Rocket Company. "История". Ad Astra Rocket Company . Получено 9 июля 2019 г.
  3. ^ Алессандра Негротти (2008). «Анализ предварительной осуществимости VASIMR». Современные двигательные системы и технологии, сегодня до 2020 г .: 335.
  4. ^ abcd Тим В. Гловер и др. (13–17 февраля 2005 г.). Основные результаты и текущие цели VASIMR (PDF) . Международный форум по космическим технологиям и приложениям - Staif 2005. Том 746. С. 976–982. Bibcode :2005AIPC..746..976G. doi :10.1063/1.1867222. Архивировано из оригинала (PDF) 29 мая 2015 г. Получено 27 февраля 2010 г.
  5. ↑ Бет Дики (март 2004 г.). «Звездная сила». Air & Space, Smithsonian . Получено 7 февраля 2014 г.
  6. ^ abc Ad Astra Rocket Company (2009). "Технология". Ad Astra Rocket Company. Архивировано из оригинала 22 мая 2013 года . Получено 10 декабря 2012 года .
  7. ^ Джаред П. Сквайр; Франклин Р. Чанг Диас; Верлин Т. Якобсон; Тим В. Гловер; Ф. Уолли Бейти; Ричард Х. Гулдинг; Роджер Бенгтсон; и др. "ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОГРЕСС НА ПУТИ К ДВИГАТЕЛЮ VASIMR" (PDF) . 28-я Международная конференция по электродвижению, Тулуза, Франция, 17–21 марта 2003 г. . 28-я Международная конференция по электродвижению. Архивировано из оригинала (PDF) 1 августа 2014 г. . Получено 7 февраля 2014 г. .
  8. ^ Кипп Ларсон (май 2016 г.). VASIMR Engine (PDF) (Отчет). Университет Колорадо - Боулдер . Получено 2 апреля 2023 г.
  9. ^ Дуэйн Браун; Кэтрин К. Мартин; Гленн Махоун. "NASA Thruster Achieves World-Record 5+ Years of Operation" . Получено 24 июня 2013 г. .
  10. ^ Нэнси Смит Килкенни. «NEXT обеспечивает длительное движение и высокие скорости для миссий в дальний космос» . Получено 29 сентября 2013 г.
  11. ^ ab Джаред П. Сквайр и др. (5–6 сентября 2008 г.). «Измерения производительности VASIMR при мощности, превышающей 50 кВт, и применение в лунных роботизированных миссиях» (PDF) . Международный междисциплинарный симпозиум по газообразной и жидкой плазме. Архивировано из оригинала (PDF) 26 февраля 2015 г. . Получено 27 февраля 2010 г. .
  12. ^ "International Space Station Mission". Ad Astra Rocket Company. 2011. Архивировано из оригинала 15 марта 2011 г. Получено 8 февраля 2011 г. VX-200 предоставит критически важный набор данных для создания VF-200-1, первого летного аппарата, который будет испытан в космосе на борту Международной космической станции (МКС). Электроэнергия будет поступать с МКС на низком уровне мощности, храниться в батареях и использоваться для запуска двигателя мощностью 200 кВт.
  13. ^ "VASIMR (магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом)". eoportal.org . 28 июля 2021 г. . Получено 2 апреля 2023 г. .
  14. ^ "Executive summary" (PDF) . Ad Astra Rocket Company. 24 января 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2010 г. Получено 27 февраля 2010 г.
  15. ^ ab Squire, Jared P; et al. (17–20 сентября 2007 г.). "Эксперименты с VASIMR высокой мощности с использованием дейтерия, неона и аргона" (PDF) . Международная конференция по электродвижению 2007 г. Архивировано из оригинала (PDF) 26 февраля 2015 г. . Получено 27 февраля 2010 г. .
  16. ^ ab "Испытательный стенд Ad Astra VX-100 достигает рекордных показателей плазмы" (PDF) . ПРЕСС-РЕЛИЗ 061207, 12 июня 2007 г. Ad Astra. Архивировано из оригинала (PDF) 30 октября 2012 г. . Получено 7 февраля 2014 г. .
  17. ^ Беринг, Эдгар А. и др. (9–12 января 2006 г.). «Последние улучшения в расходах ионизации и эффективности нагрева ионного циклотрона в двигателе VASIMR» (PDF) . Встреча и выставка AIAA по аэрокосмическим наукам. Архивировано из оригинала (PDF) 19 января 2016 г. Получено 27 февраля 2010 г.
  18. ^ Эллиотт, Фредерик В. и др. (14 июля 2004 г.). «Обзор проекта электродвижения высокой мощности (HiPEP)». AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit . doi :10.2514/6.2004-3453. ISBN 978-1-62410-037-6. Получено 2 апреля 2023 г. .
  19. ^ "VASIMR VX-200 first stage reachs full power rating" (PDF) (Пресс-релиз). Ad Astra Rocket Company. 24 октября 2008 г. Архивировано из оригинала (PDF) 5 ноября 2015 г. Получено 27 февраля 2010 г.
  20. ^ de Faoite, Daithí; Browne, David J; Chang-Díaz, Franklin R; Stanton, Kenneth T (17 ноября 2011 г.). «Обзор обработки, состава и зависящих от температуры механических и термических свойств диэлектрической технической керамики». Journal of Materials Science . 47 (10): 4211–4235. Bibcode :2012JMatS..47.4211F. doi :10.1007/s10853-011-6140-1. hdl : 10197/8477 . S2CID  137329155.
  21. ^ "VASIMR VX-200 достигает мощности 200 кВт" (PDF) (пресс-релиз). Ad Astra Rocket Company. 30 сентября 2011 г. Архивировано из оригинала (PDF) 1 марта 2012 г. Получено 24 февраля 2012 г.
  22. ↑ Benwl (15 декабря 2010 г.). «Видео VASIMR VX-200, работающего в течение 25 секунд на полной мощности». Ad Astra Rocket Company. Архивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. Получено 4 января 2011 г.
  23. ^ Илин, Эндрю В.; Гилман, Дэниел А.; Картер, Марк Д.; Чанг Диас, Франклин Р.; Сквайр, Джаред П.; Фарриас, Джозеф Э. (2013). Миссии VASIMR на солнечных батареях для поиска и отклонения околоземных астероидов (PDF) . 33-я Международная конференция по электродвижению. 6–10 октября 2013 г. Вашингтон, округ Колумбия, IEPC-2013-336. Архивировано из оригинала (PDF) 14 мая 2014 г. Получено 14 мая 2014 г.
  24. ^ "NASA объявляет о новых партнерствах с промышленностью США для ключевых возможностей в дальнем космосе" (пресс-релиз). NASA. 30 марта 2015 г. Получено 24 июля 2021 г.
  25. ^ "Ad Astra Rocket Company выигрывает крупный контракт NASA на передовые двигательные установки" (PDF) (пресс-релиз). Ad Astra Rocket Company. 31 марта 2015 г. Архивировано из оригинала (PDF) 24 июля 2021 г. Получено 24 июля 2021 г.
  26. ^ «Ad Astra Rocket Company успешно завершает все этапы контракта NASA NextStep на первый год, получает одобрение NASA на продолжение второго года» (PDF) (пресс-релиз). Ad Astra Rocket Company. 3 августа 2016 г. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Получено 24 июля 2021 г.
  27. ^ «Ad Astra Rocket Company успешно завершает все этапы контракта NASA NextStep на второй год, получает одобрение NASA на продолжение третьего года» (PDF) (пресс-релиз). Ad Astra Rocket Company. 9 августа 2017 г. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Получено 9 августа 2017 г.
  28. ^ «Новый блок обработки радиочастотной энергии Aethera для двигателя VASIMR успешно завершил испытания на полную мощность в вакууме и магнитном поле на техасском объекте компании Ad Astra Rocket Company» (PDF) (пресс-релиз). Ad Astra Rocket Company. 20 августа 2019 г. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Получено 24 июля 2021 г.
  29. ^ "Ad Astra Rocket Company побила рекорд мощности и выносливости в недавних испытаниях плазменной ракеты VASIMR VX-200SS" (PDF) (Пресс-релиз). Ad Astra Rocket Company. 9 июля 2021 г. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Получено 15 июля 2021 г.
  30. ^ "VASIMR VX-200SS плазменная ракета завершила рекордные 88-часовые испытания на выносливость при высокой мощности" (PDF) (пресс-релиз). Ad Astra Rocket Company. 22 июля 2021 г. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Получено 24 июля 2021 г.
  31. ^ «Франклин Чанг Диас обсуждает водород, VASIMR, Artemis и космическое агентство Коста-Рики». 10 февраля 2023 г.
  32. ^ Морринг, Фрэнк (2010). «Коммерческий маршрут». Aviation Week & Space Technology . 172 (6): 20–23.
  33. ^ Айрин Клотц (7 августа 2008 г.). "Плазменная ракета может быть испытана на космической станции". Discovery News . Получено 27 февраля 2010 г.
  34. ↑ Видео: «Марс за 39 дней?: плазменный двигатель VASIMR. Франклин Чанг-Диас, доктор философии».
  35. ↑ Видео: Дебаты VASIMR/Мистификация VASIMR – д-р Роберт Зубрин – 14-й съезд Международного Марсианского общества, Time Index 14:30

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме VASIMR .
Документы НАСА