WikiSort.ru - Космос

Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом (англ. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR) — электромагнитный плазменный двигатель, 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. Способ 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.

Сама концепция двигателя была предложена астронавтом и учёным Франклином Чанг-Диазом 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 создания тяги. Этот тип двигателя можно рассматривать как разновидность безэлектродного плазменного двигателя, отличающегося в способе ускорения плазмы. Оба типа двигателя не имеют никаких электродов. Основное преимущество такого проекта состоит в исключении эрозии электродов. Более того, так как все части VASIMR защищены магнитным полем и не приходят в прямой контакт с 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 превращает полученную тепловую энергию плазмы в кинетическую энергию реактивной струи.

Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, из которого создаётся плазма, VASIMR способен как производить малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.

В отличие от обычных циклотронно-резонансных нагревающих процессов, ионы в VASIMR сразу же проходят через магнитное сопло быстрее времени, необходимого для достижения термодинамического равновесия. Согласно теоретической работе 2004 года Арефьева и Брейзмана 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 даёт упрощённое и более плотное 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, в двигателе VASIMR можно 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 подъёма полезной нагрузки с поверхности планеты (например, Земли) на околопланетную орбиту, из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости (например, для старта корабля с околопланетной орбиты). Он может быть использован в качестве последней ступени, уменьшая потребность в топливе для транспортировки в космосе, или в качестве разгонного блока. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости аналогов на основе технологий химического реактивного движения:

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

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

В августе 2008 г. Тим Гловер, директор по развитию фирмы «Ad Astra», 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

Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон.

Основным разработчиком VASIMR является «Ad Astra Rocket Company^[en]» в Техасе. В настоящее время основные усилия были направлены на улучшение общей эффективности двигателя, путём увеличения уровней используемой энергии. Согласно данным компании, ещё совсем недавно эффективность VASIMR составляла 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 превращению энергии 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 двигателя VASIMR модели 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 аргона 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 с использованием в качестве рабочего тела аргона. Удельная мощность оценивается в 1 кг/кВт, что означает, что масса 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 подтверждено в 2009 году, когда двигатель VX-200 был установлен и испытан в достаточно большой вакуумной камере^{[источник не указан 56 дней]}. Другая проблема — управление выделяемой побочной теплотой при работе (60 % эффективности означает около 80 кВт ненужной теплоты), решение которой критически важно для продолжительной работы двигателя VASIMR.

10 декабря 2008 г. «Ad Astra Rocket Company» заключила договор с НАСА на определение расположения и испытание полётной версии VASIMR VF-200 на МКС; его запуск был запланирован на 2015 г.^[8] 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 подъёму станции с использованием химических ракетных двигательных блоков.

7 июля 2009 года сотрудники «Ad Astra Rocket Company» удачно испытали плазменный двигатель на сверхпроводящих магнитах.^[9]

В 2016 году компания Ad Astra Rocket сообщила, что КПД двигателя вырастет с 70 до 75 %, если использовать криптон вместо аргона, тяга двигателя достигнет 2 Н. Ведутся работы по замене старого магнита на сверхпроводящий магнит нового типа, без охлаждения жидким азотом. Остается проблема электрического заряда двигателя; при его работе струя выбрасывает заряженные ионы, но оставшиеся электроны заряжают корпус и в наземных условиях невозможно замерить этот эффект зарядки корпуса. Пока считается, что этот эффект мал и на всех электрических ракетных двигателях эта проблема была решена во время испытаний.

Летные испытания на МКС запланированы на 2016 год

Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон.

Космический буксир: орбитальный транспортный корабль

Наиболее важным в обозримом будущем применением космических аппаратов с двигателями VASIMR является перевозка грузов (особенно межпланетная). Многочисленные исследования показали, что космический корабль с маршевыми двигателями VASIMR будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с кораблями с обычными химическими ракетными двигателями. 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 полёта.

НАСА 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 полёта буксира может быть сокращено за счёт полёта с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе рабочего тела). 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.

Полёт к Марсу

В 2015 году компания Ad Astra Rocket выиграла 10-миллионный тендер на постройку двигателя VASIMR, способного доставить экспедицию на Марс менее чем за сорок дней^[10]. Предполагается, что 200-мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществлять полёты с доставкой людей к Марсу всего за 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые требуются космическим аппаратам с обычными ракетными двигателями.^[11]

См. также

• Ионный двигатель
• Физика плазмы

Примечания

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)