Кіріспе
Электрмен жұмыс істейтін ғарыш кемесі қозғалтқышының түрі. Магнитплазмалық-динамикалық (MPD) қозғалтқышы (MPDT) – электрмен жұмыс істейтін ғарыш кемесі қозғалтқышының бір түрі, ол Лоренц күшін (электромагниттік өрістің зарядталған бөлшекке түсіретін күші) итергіш күшті жасау үшін пайдаланады. Ол кейде Лоренц күші үдеткіші (LFA) немесе (көбінесе Жапонияда) MPD доғалық сорғы деп те аталады. Әдетте, газ тәрізді материал иондалады және үдету камерасына жіберіледі, онда қуат көзі арқылы магниттік және электрлік өрістер жасалады. Бөлшектер содан кейін плазма арқылы өтетін ток пен магниттік өріс арасындағы (сырттан қолданылатын немесе токпен туындаған) өзара әрекеттесу нәтижесінде пайда болатын Лоренц күшімен шығару камерасы арқылы итеріледі. Химиялық қозғалтқыштардан айырмашылығы, отынның жануы болмайды. Басқа электрлік қозғалтқыштардың нұсқаларындағыдай, қуат кірісімен бірге нақты импульс пен итергіш күш артады, ал ваттқа шаққандағы итергіш күш төмендейді. MPD қозғалтқыштарының екі негізгі түрі бар: қолданбалы өрісті және өздігінен туындайтын өрісті. Қолданбалы өрісті қозғалтқыштарда магниттік өріс жасау үшін шығару камерасын қоршап тұрған магниттік сақиналар болады, ал өздігінен туындайтын өрісті қозғалтқыштарда камераның ортасынан өтетін катод болады. Қолданбалы өрістер төмен қуат деңгейлерінде қажет, онда өздігінен туындайтын өріс конфигурациялары тым әлсіз болады. Ксенон, неон, аргон, сутек, гидразин және литий сияқты әртүрлі жанар майлар қолданылған, литий көбінесе ең жақсы нәтижелерді көрсетеді. Эдгар Чуэйридің сөзіне сәйкес, магнитплазмалық-динамикалық қозғалтқыштардың кіріс қуаты 100–500 киловатт, шығару жылдамдығы секундына 15–60 километр, итергіш күші 2,5–25 Ньютон және тиімділігі 40–60 пайызды құрайды. Дегенмен, қосымша зерттеулер шығару жылдамдығы секундына 100 километрден асып кетуі мүмкін екенін көрсетті. Магнитплазмалық-динамикалық қозғалтқыштардың бір мүмкін қолданылуы – ауыр жүктерді және пилотты ғарыш кемелерін (мысалы, Марсқа адамдарды жіберу миссиясы үшін) қозғалтуға арналған негізгі қозғалтқыш.
A magnetoplasmadynamic (MPD) thruster (MPDT) is a form of electrically powered spacecraft propulsion which uses the Lorentz force (the force on a charged particle by an electromagnetic field) to generate thrust. It is sometimes referred to as Lorentz Force Accelerator (LFA) or (mostly in Japan) MPD arcjet. Generally, a gaseous material is ionized and fed into an acceleration chamber, where the magnetic and electric fields are created using a power source. The particles are then propelled by the Lorentz force resulting from the interaction between the current flowing through the plasma and the magnetic field (which is either externally applied or induced by the current) out through the exhaust chamber. Unlike chemical propulsion, there is no combustion of fuel. As with other electric propulsion variations, both specific impulse and thrust increase with power input, while thrust per watt drops. There are two main types of MPD thrusters, applied field and self field. Applied field thrusters have magnetic rings surrounding the exhaust chamber to produce the magnetic field, while self field thrusters have a cathode extending through the middle of the chamber. Applied fields are necessary at lower power levels, where self field configurations are too weak. Various propellants such as xenon, neon, argon, hydrogen, hydrazine, and lithium have been used, with lithium generally being the best performer. According to Edgar Choueiri magnetoplasmadynamic thrusters have input power 100–500 kilowatts, exhaust velocity 15–60 kilometers per second, thrust 2.5–25 newtons and efficiency 40–60 percent. However, additional research has shown that exhaust velocities can exceed 100 kilometers per second. One potential application of magnetoplasmadynamic thrusters is the main propulsion engine for heavy cargo and piloted space vehicles (example engine for human mission to Mars).
Даму
MPD қозғалтқыш технологиясы академиялық тұрғыда зерттелді, бірақ бірнеше шешілмеген мәселелерге байланысты коммерциялық қызығушылық төмен болды. Бір кішкентай мәселе – оңтайлы өнімділік үшін жүздеген киловатт деңгейінде қуат қажеттілігі. Қазіргі кездегі планетааралық ғарыш кемелерінің қуат жүйелері (радиоизотоптық термоэлектр генераторлары және күн панельдері сияқты) мұндай қуатты өндіре алмайды. NASA-ның «Прометей» жобасы реакторы жүздеген киловатт қуатты өндіруі күтілген, бірақ 2005 жылы жоба тоқтатылды. 1963 жылы 600 киловатт электр қуатын өндіруге арналған ғарышқа шығарылатын ядролық реакторды жасау жобасы басталды және КСРО-да 1960 жылдардың көп бөлігінде жүргізілді. Бұл реактор байланыс спутнигін қуатпен қамтамасыз ету үшін жоспарланған, бірақ ақырында мақұлданбады. КСРО орбитаға киловатт деңгейінде электр қуатын (қазіргі RTG қуат көздерінен он есе көп) өндіретін ядролық реакторларды шығарды: «RORSAT» және «TOPAZ». 2009 жылы Ресейдің ядролық «Курчатов» институты және ұлттық ғарыш агенттігі «Роскосмос» экипажды ғарыш кемесінде пайдалану үшін мегаватттық ядролық реакторды жасау жоспарларын жариялады, бұл туралы Ресей президенті Дмитрий Медведев 2009 жылғы қарашада Федералдық жиналысқа сөйлеген сөзінде растады. Брэдли К. Эдвардс ұсынған тағы бір жоспар – жерден қуат беру. Бұл жоспарда 0,84 микрометр толқын ұзындығындағы 5 дана 200 кВт еркін электронды лазерлер және жердегі адаптивті оптика қолданылып, MPD қуатты ғарыш кемесіне қуат сәулесі жіберіледі, онда ол GaAs фотоэлектр панельдері арқылы электр энергиясына айналады. Лазер толқын ұзындығының 0,840 микрометрге (фотонға 1,48) және фотоэлектр панельдің 1,43 диапазонына сәйкес келуі шамамен 59% айналу тиімділігін және 540-қа дейін күтілетін қуат тығыздығын қамтамасыз етеді. Бұл MPD жоғарғы сатысын қуатпен қамтамасыз етуге, мүмкін, спутниктерді LEO-дан GEO-ға көтеруге жеткілікті болар еді. MPD технологиясының тағы бір мәселесі – жоғары ток тығыздығынан (100-ден астам) туындаған булану салдарынан катодтардың тозуы. Зертханалық сынақтарда литий және барий отынын қоспаларын және көп каналды қуыс катодтарды қолдану катодтың тозу мәселесіне перспективті шешім екенін көрсетті.
Зерттеу
MPD қозғалтқыштарына қатысты зерттеулер АҚШ-та, бұрынғы Кеңес Одағында, Жапонияда, Германияда және Италияда жүргізілді. Эксперименталды прототиптер алғаш рет кеңестік ғарыш кемесінде, ал соңғы кезде 1996 жылы жапондық Space Flyer Unit-те ұшырылды, ол ғарыш кеңістігінде MPD импульсті қозғалтқышының сәтті жұмысын көрсетті. Мәскеу авиациялық институтында, РКК Энергия, Ұлттық аэроғарыш университетінде, Харьков авиациялық институтында, Штутгарт университетінің ғарыш жүйелері институтында, ISAS, Centrospazio, Alta S. p. A., Осака университеті, Оңтүстік Калифорния университеті, Принстон университетінің электрлік қозғалтқыштар және плазмалық динамика зертханасында (EPPDyL) (онда MPD қозғалтқышы 1967 жылдан бері үзіліссіз зерттеулер жүргізіліп келеді) және NASA орталықтарында (Jet Propulsion Laboratory және Glenn Research Center) жүргізілген зерттеулер MPD қозғалтқыштарының өнімділігі, тұрақтылығы және қызмет ету мерзімімен байланысты көптеген мәселелерді шешті. MPD қозғалтқышы EPEX (Электрлік қозғалтқыш эксперименті) аясында Жапон ғарыш кемесі бірлігінде сынақтан өтті. Ол 1995 жылы 18 наурызда ұшырылып, 1996 жылы 20 қаңтарда STS 72 ғарыш миссиясымен қайтарылды. Бүгінгі күні бұл ұшқыш жүйесі ретінде ғарышқа ұшқан жалғыз жұмыс істейтін MPD қозғалтқышы. Эксперименталды прототиптер алғаш рет кеңестік ғарыш кемесінде ұшырылды. Штутгарт университетінің ғарыш жүйелері институтында әзірленіп жатқан қолданбалы MPD қозғалтқышы 2019 жылы 61.99% тиімділікке жетті, бұл Isp = 4665 с және 2,75 Н итермелеу күшіне сәйкес келеді.