Жаңа ғарыш қозғалтқышы прототипі

Кіріспе

Прототиптік ғарыш кемесінің қозғалтқышы
Геликондық екі қабатты жылдамдатқыш – прототиптік электрлік ғарыш кемесінің қозғалтқышы. Ол Австралиялық Ұлттық Университетінің профессоры Род Босвелл ойлап тапқан технология негізінде Австралиялық ғалым Кристин Чарльз жасады. Жобаны ESA тексерді және оның дамуына қатысып жатыр.

Жұмыс істеу теориясы

Геликондық қос қабатты жылдамдатқыш (HDLT) – плазмалық жылдамдатқыштың бір түрі, ол ғарыш кемесіне итерме беру үшін жоғары жылдамдықпен иондалған газдарды шығарады. Бұл жылдамдатқыштың құрылымында газ бір жағы ашық түтікшелі камераға (көзден шығару түтігіне) жіберіледі. Радиожиіліктің айнымалы тогы (прототиптік жобада 13,56 МГц) камераның айналасына оралған арнайы пішіндес антеннаға қосылады. Антеннадан шығатын электромагниттік толқын газдың ыдырауына және плазманың пайда болуына себеп болады. Содан кейін антенна плазмада геликондық толқынды қоздырады, ол плазманы одан әрі қыздырады. Құрылғының көзден шығару түтігінде шамамен тұрақты магнит өрісі бар (прототипте соленоидтармен қамтамасыз етіледі), бірақ магнит өрісі көзден алшақтап, тез төмендейді және оны магниттік саптама ретінде қарастыруға болады. Жұмыс істеген кезде, көз аймағындағы тығыз плазма мен шығарылатын газдағы сирек плазма арасында өткір шекара болады, бұл электрлік потенциалдың күрт өзгеруімен байланысты. Плазманың қасиеттері осы шекарада жылдам өзгереді, ол тоқсыз электрлік қос қабат деп аталады. Электрлік потенциал көз аймағында шығарылатын газға қарағанда әлдеқайда жоғары, бұл көптеген электрондарды ұстап тұруға және иондарды көзден жылдамдатуға мүмкіндік береді. Шығарылатын газдағы плазманың жалпы бейтараптығын қамтамасыз ету үшін жеткілікті мөлшерде электрондар көзден шығып кетеді. Көптеген иондық жылдамдатқыштар сияқты, HDLT төмен итермелі, жоғары нақты импульсті (жоғары Isp) жылдамдатқыш болып табылады. 15 см диаметрлі прототиптік жылдамдатқыш, төмен магнит өрісі режимінде жұмыс істей отырып, 2010 жылы алғашқы итермелеу сынағынан өтті, бірақ жалпы итермелеуді дұрыс есептеу үшін толық сынақ әдісі қажет. Қазіргі уақытта соңғы жылдамдатқыш прототипі Австралия Ұлттық Университетінің (ANU) Маунт Стромло обсерваториясында орналасқан "Wombat XL" деп аталатын ғарыш симуляциялық кешенінде сынақтан өтіп жатыр. HDLT-нің көптеген басқа иондық жылдамдатқыштарға қарағанда екі негізгі артықшылығы бар. Біріншіден, ол плазмаға жоғары кернеулі торлар сияқты сенімсіз компоненттерді орнатусыз үдемелі электр өрісін жасайды (плазмамен жанасатын жалғыз компонент – берік плазма ыдысы); екіншіден, нейтралдаушы қажет емес, өйткені электрондар мен (бір зарядталған) оң иондардың саны тең шығарылады. Сондықтан, жылдам қозғалатын механикалық бөлшектері де, тозуға бейімділігі де жоқ, – деп түсіндіреді Чарльз. – Күш пен жанармай берілгенде, сіз мәңгіге бара аласыз". Мысалы, Марсқа сапарды дәстүрлі химиялық ракеталармен 8-9 айдың орнына 3 айға дейін қысқартуға болады.

A helicon double layer thruster (HDLT) is a type of plasma thruster, which ejects ionized gas at high velocity to provide thrust to a spacecraft. In this thruster design, gas is injected into a tubular chamber (the source tube) with one open end. Radio frequency AC power (at 13.56 MHz in the prototype design) is coupled into a specially shaped antenna wrapped around the chamber. The electromagnetic wave emitted by the antenna causes the gas to break down and form a plasma. The antenna then excites a helicon wave in the plasma, which further heats the plasma. The device has a roughly constant magnetic field in the source tube (supplied by solenoids in the prototype), but the magnetic field diverges and rapidly decreases in magnitude away from the source region, and might be thought of as a kind of magnetic nozzle. In operation, there is a sharp boundary between the dense plasma inside the source region, and the less dense plasma in the exhaust, which is associated with a sharp change in electrical potential. The plasma properties change rapidly across this boundary, which is known as a current free electric double layer. The electrical potential is much higher inside the source region than in the exhaust, and this serves both to confine most of the electrons, and to accelerate the ions away from the source region. Enough electrons escape the source region to ensure that the plasma in the exhaust is neutral overall. Like most ion propulsion devices, the HDLT is a low thrust, high–specific impulse (high Isp) thruster. A prototype 15 cm diameter thruster, operated in low magnetic field mode, underwent initial thrust testing in 2010, however, a more complete testing method would be necessary to properly calculate the total thrust. Currently, the final thruster prototype is undergoing tests at the space simulation facility dubbed "Wombat XL" located at the Australian National University (ANU) Mount Stromlo Observatory. The HDLT has two main advantages over most other ion thruster designs. First, it creates an accelerating electric field without inserting unreliable components like high voltage grids into the plasma (the only plasma facing component is the robust plasma vessel); secondly, a neutralizer is not needed, since there are equal numbers of electrons and (singly charged) positive ions emitted. So, with neither moving mechanical parts nor susceptibility to erosion, Charles explains, 'As long as you provide the power and the propellant you can go forever.' For example, a trip to Mars could be shortened to three months instead of the eight to nine months with conventional chemical rockets.