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]
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, линейно перемещаясь 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]
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]
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 терморегулирование. 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]
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]
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 ]
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]
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]
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] Ad Astra заявила о мощности 120 кВт и эффективности преобразования электроэнергии в радиочастоту >97%, а также о том, что при весе 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]
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 заявление 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]
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 генерации 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]
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.