Плазменный двигатель — это тип электрического двигателя , который генерирует тягу из квазинейтральной плазмы . Это контрастирует с ионными двигателями, которые генерируют тягу посредством извлечения ионного тока из источника плазмы , который затем ускоряется до высоких скоростей с помощью сеток/ анодов . Они существуют во многих формах (см. электрический двигатель ). Однако в научной литературе термин «плазменный двигатель» иногда охватывает двигатели, обычно называемые « ионными двигателями ». [1]
В плазменных двигателях обычно не используются высоковольтные сетки или аноды/ катоды для ускорения заряженных частиц в плазме, а вместо этого используются токи и потенциалы, которые генерируются внутри, для ускорения ионов, что приводит к более низкой скорости истечения ввиду отсутствия высоких ускоряющих напряжений.
Этот тип двигателя имеет ряд преимуществ. Отсутствие высоковольтных сеток анодов устраняет возможный ограничивающий элемент в результате эрозии ионов сетки. Плазменный выхлоп является «квазинейтральным», что означает, что положительные ионы и электроны существуют в равном количестве, что позволяет простой ионно-электронной рекомбинации в выхлопе нейтрализовать выхлопной шлейф, устраняя необходимость в электронной пушке (полом катоде). Такой двигатель часто генерирует исходную плазму с использованием радиочастотной или микроволновой энергии, используя внешнюю антенну . Этот факт, в сочетании с отсутствием полых катодов (которые чувствительны ко всем газам, кроме благородных ), позволяет использовать этот двигатель на различных видах топлива, от аргона до смесей воздуха с углекислым газом и мочи астронавтов . [2]
Плазменные двигатели хорошо подходят для межпланетных миссий благодаря своему высокому удельному импульсу. [3]
Многие космические агентства разработали плазменные двигательные системы, включая Европейское космическое агентство , Иранское космическое агентство и Австралийский национальный университет , которые совместно разработали двухслойный двигатель . [4] [5]
Некоторые плазменные двигатели уже имели опыт активного полета и использования в миссиях. Первым применением плазменных двигателей был импульсный плазменный двигатель на советском космическом зонде Зонд-2 , который нес шесть PPT, служивших приводами системы управления ориентацией. Двигательная система PPT была испытана в течение 70 минут 14 декабря 1964 года, когда космический аппарат находился в 4,2 миллионах километров от Земли. [6]
В 2011 году NASA объединилось с Busek для запуска первого двигателя на эффекте Холла на борту спутника Tacsat-2 . Двигатель был основной двигательной системой спутника. В том же году компания запустила еще один двигатель на эффекте Холла. [7] В 2020 году исследование плазменной струи было опубликовано Уханьским университетом . [8] Однако впоследствии было показано, что оценки тяги, опубликованные в этой работе, почти в девять раз превышают теоретически возможные уровни, даже если 100% входной микроволновой мощности преобразуются в тягу. [9]
Компания Ad Astra Rocket Company разрабатывает VASIMR. Канадская компания Nautel производит 200-киловаттные ВЧ-генераторы, необходимые для ионизации топлива. Некоторые испытания компонентов и эксперименты «Plasma Shoot» проводятся в лаборатории в Либерии, Коста-Рика . Руководит этим проектом бывший астронавт НАСА доктор Франклин Чанг-Диас (CRC-USA).
Костариканский аэрокосмический альянс объявил о разработке внешней поддержки для VASIMR, которая будет установлена за пределами Международной космической станции . Ожидалось, что эта фаза плана по испытанию VASIMR в космосе будет реализована в 2016 году.
Плазменные двигатели имеют гораздо более высокое значение удельного импульса ( I sp ) , чем большинство других типов ракетных технологий. Двигатель VASIMR может дросселироваться для импульса более 12000 с, а двигатели Холла достигли ~2000 с. Это значительное улучшение по сравнению с двухкомпонентным топливом обычных химических ракет, которые имеют удельные импульсы ~450 с. [10] Благодаря высокому импульсу плазменные двигатели способны достигать относительно высоких скоростей в течение длительных периодов ускорения. Бывший астронавт Франклин Чанг-Диас утверждает, что двигатель VASIMR может отправить полезный груз на Марс всего за 39 дней [11] , достигая при этом максимальной скорости 34 мили в секунду (55 км/с). [ необходима цитата ]
Некоторые плазменные двигатели, такие как мини-геликон, хвалят за их простоту и эффективность. Их теория работы относительно проста и может использовать различные газы или их комбинации.
Эти качества предполагают, что плазменные двигатели имеют ценность для многих профилей миссий. [12]
Возможно, наиболее существенным вызовом жизнеспособности плазменных двигателей является потребность в энергии. [5] Например, двигателю VX-200 требуется 200 кВт электрической мощности для создания 5 Н тяги, или 40 кВт/Н. Эта потребность в мощности может быть удовлетворена реакторами деления, но масса реактора (включая системы отвода тепла) может оказаться непомерной. [13] [14]
Еще одной проблемой является плазменная эрозия. Во время работы плазма может термически испортить стенки полости двигателя и опорную конструкцию, что в конечном итоге может привести к отказу системы. [15]
Из-за своей чрезвычайно низкой тяги плазменные двигатели не подходят для запуска на околоземную орбиту. В среднем эти ракеты обеспечивают около 2 фунтов максимальной тяги. [10] Плазменные двигатели очень эффективны в открытом космосе, но не компенсируют орбитальные расходы химических ракет.
Плазменные двигатели Helicon используют низкочастотные электромагнитные волны (волны Helicon), которые существуют внутри плазмы при воздействии статического магнитного поля. Радиочастотная антенна , которая обертывается вокруг газовой камеры, создает волны и возбуждает газ, создавая плазму. Плазма выбрасывается с высокой скоростью для создания тяги с помощью стратегий ускорения, которые требуют различных комбинаций электрических и магнитных полей идеальной топологии . Они относятся к категории безэлектродных двигателей. Эти двигатели поддерживают несколько видов топлива, что делает их полезными для более длительных миссий. Их можно изготовить из простых материалов, включая стеклянную бутылку из-под газировки. [12]
Магнитоплазмодинамические двигатели (МПД) используют силу Лоренца (силу, возникающую в результате взаимодействия магнитного поля и электрического тока ) для создания тяги. Электрический заряд, протекающий через плазму в присутствии магнитного поля, заставляет плазму ускоряться . Сила Лоренца также имеет решающее значение для работы большинства импульсных плазменных двигателей .
Импульсные индуктивные двигатели (PIT) также используют силу Лоренца для создания тяги, но они не используют электроды, решая проблему эрозии. Ионизация и электрические токи в плазме индуцируются быстро меняющимся магнитным полем.
Безэлектродные плазменные двигатели используют пондеромоторную силу , которая действует на любую плазму или заряженную частицу под воздействием сильного градиента плотности электромагнитной энергии, чтобы ускорить электроны и ионы плазмы в одном направлении, тем самым работая без нейтрализатора.
VASIMR, сокращение от Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, использует радиоволны для ионизации топлива в плазму. Затем магнитное поле ускоряет плазму из двигателя, создавая тягу . 200-мегаваттный двигатель VASIMR может сократить время путешествия от Земли до Юпитера или Сатурна с шести лет до четырнадцати месяцев, а от Земли до Марса — с 6 месяцев до 39 дней. [7]
