Электротермиялық плазма қозғышының әзірленуі

Кіріспе

Дамудағы электрлі термиялық қозғалтқыш

Өзгермелі нақты импульстік магнитоплазмалық зымыран (VASIMR) – ғарыш кемелерін жылжыту үшін қолданылуы мүмкін электротермиялық қозғалтқыш. Ол радио толқындарын инертті отынды иондау және қыздыру үшін пайдаланады, нәтижесінде плазма түзіледі, содан кейін магнит өрісі кеңейіп тұрған плазманы шектеп, жылдамдатады, осылайша итеру күші жасалады. Бұл плазмалық қозғалтқыш – ғарыш кемелерінің электрлік қозғалтқыш жүйелерінің бір түрі. Плазманы қыздыруға арналған VASIMR әдісі алғашқыда ядролық синтез зерттеулері барысында әзірленген. VASIMR жоғары итеру күшіне және төмен нақты импульсқа ие химиялық зымырандар мен төмен итеру күшіне және жоғары нақты импульсқа ие электрлік қозғалтқыштар арасындағы қашықтықты қысқартуға бағытталған, бірақ әзірге жоғары итеру күшін көрсетпеді. VASIMR идеясы 1977 жылы бұрынғы NASA астронавты Франклин Чанг Диаспен туындады және ол осы технологияны сол кезден бері дамытып келеді.

Құрылымы мен жұмыс істеуі

VASIMR – электротермиялық плазмалық қозғалтқыш / электротермиялық магнитоплазмалық қозғалтқыш. Бұл қозғалтқыштарда бейтарап, инертті отын радиотолқындар арқылы иондалады және қыздырылады. Содан кейін пайда болған плазма магнит өрісімен үдетіліп, итермелеу күші тудырылады. Электр қуатымен жұмыс істейтін басқа да ғарыш кемелерін қозғалтатын ұғымдарға электродсыз плазмалық қозғалтқыш, микротолқындық доғалық реактивтік зымыран және импульстік индукциялық қозғалтқыш жатады. Отын, аргон немесе ксенон сияқты бейтарап газ, электромагниттермен қапталған қуыс цилиндрге жіберіледі. Қозғалтқышқа енгеннен кейін газ алдымен 10-50 МГц жиілікті электромагниттік энергиямен бомбалайтын геликондық радиожиілікті антенна/жұптағыш арқылы «салқын плазмаға» дейін қыздырылады, бұл отын атомдарынан электрондарды бөліп алып, иондар мен еркін электрондардан тұратын плазма жасайды. RF қыздыру энергиясының және плазма мөлшерінің өзгеруі арқылы VASIMR төмен итермелеу күшімен, жоғары нақты импульсті шығарынды немесе салыстырмалы түрде жоғары итермелеу күшімен, төмен нақты импульсті шығарынды жасауға қабілетті. Қозғалтқыштың екінші фазасы – иондалған плазманы бағыттайтын, дәстүрлі зымыран қозғалтқыштарындағы физикалық түтік сияқты конвергентті-дивергентті түтік ретінде әрекет ететін күшті соленоидті конфигурациялы электромагнит. Екінші жұптағыш, иондық циклотронмен жылыту (ICH) бөлімі ретінде белгілі, қозғалтқыш арқылы иондар мен электрондардың қозғалысымен резонанста электромагниттік толқындар шығарады. Резонанс қозғалтқыштың бұл бөлігіндегі магнит өрісінің азайтылуы арқылы қол жеткізіледі, бұл плазма бөлшектерінің орбиталық қозғалысын баяулатады. Бұл бөлім плазманы Күн бетінің температурасынан шамамен 173 есе жоғары температураға дейін қыздырады. Иондар мен электрондардың қозғалтқыш арқылы өту жолы қозғалтқыш қабырғаларына параллель сызықтарға жуық; алайда бөлшектер шын мәнінде қозғалтқыш арқылы сызықты қозғалыс жасағанда осы сызықтардың орбитасын айналады. Қозғалтқыштың соңғы, дивергентті бөлігінде кеңейетін магнит өрісі бар, ол иондар мен электрондарды қозғалтқыштан жоғары жылдамдықпен шығарады.

VASIMR is a type of electrothermal plasma thruster/electrothermal magnetoplasma thruster. In these engines, a neutral, inert propellant is ionized and heated using radio waves. The resulting plasma is then accelerated with magnetic fields to generate thrust. Other related electrically powered spacecraft propulsion concepts are the electrodeless plasma thruster, the microwave arcjet rocket, and the pulsed inductive thruster. The propellant, a neutral gas such as argon or xenon, is injected into a hollow cylinder surfaced with electromagnets. On entering the engine, the gas is first heated to a "cold plasma" by a helicon RF antenna/coupler that bombards the gas with electromagnetic energy, at a frequency of 10 to 50 MHz, stripping electrons off the propellant atoms and producing a plasma of ions and free electrons. By varying the amount of RF heating energy and plasma, VASIMR is claimed to be capable of generating either low thrust, high–specific impulse exhaust or relatively high thrust, low–specific impulse exhaust. The second phase of the engine is a strong solenoid configuration electromagnet that channels the ionized plasma, acting as a convergent divergent nozzle like the physical nozzle in conventional rocket engines. A second coupler, known as the Ion Cyclotron Heating (ICH) section, emits electromagnetic waves in resonance with the orbits of ions and electrons as they travel through the engine. Resonance is achieved through a reduction of the magnetic field in this portion of the engine that slows the orbital motion of the plasma particles. This section further heats the plasma to greater than —about 173 times the temperature of the Sun's surface. The path of ions and electrons through the engine approximates lines parallel to the engine walls; however, the particles actually orbit those lines while traveling linearly through the engine. The final, diverging, section of the engine contains an expanding magnetic field that ejects the ions and electrons from the engine at velocities as great as .

Артықшылықтар

Типтік циклотрондық резонанстық қыздыру процестерінен өзгеше, VASIMR иондары термалдық тепе-теңдікке жетпей тұрып, магниттік соплодан бірден шығарылады. 2004 жылы Остин қаласындағы Техас университетінің Алексей В. Арефев және Борис Н. Брейцман жасаған жаңа теориялық жұмыстарға сүйене отырып, иондық циклотрон толқынындағы энергияның барлық дерлік бөлігі иондалған плазмаға бір реттік циклотрон сіңіру процесі арқылы біркелкі беріледі. Бұл иондардың магниттік соплодан өте тар энергия диапазонымен шығуына және қозғалтқыштағы магниттердің едәуір қарапайым және ықшам құрылымына мүмкіндік береді. Әдеттегі ракеталық қозғалтқыштармен салыстырғанда, оларда өте күрделі құбырлар, жоғары өнімді клапандар, атқарушы механизмдер және турбонасостар болса, VASIMR-де қозғалмалы бөлшектерге қатысты көбінесе газ клапандары сияқты ұсақ-түйектерден басқа, ешқандай да бөлік жоқ, бұл ұзақ мерзімді сенімділікті арттырады.

Кемшіліктер

Ad Astra-ның 2015 жылғы мәліметтері бойынша, VX 200 қозғалтқышы 5 Н итермелеу күшін немесе 40 кВт/Н өндіру үшін 200 кВт электр қуатын қажет етеді. VASIMR жүйесінде де күшті магниттік өрістермен өзара әрекеттесу және жылуды басқару сияқты жаңа мәселелер туындайды. VASIMR-дің тиімсіз жұмыс істеуі салдарынан көп мөлшерде ысық шығындалады, оны жылулық жүктеме мен кернеу тудырмай, сыртқа шығару қажет. Ыстық плазманы ұстап тұруға қажетті суперөткізгіш электромагниттер тесла диапазонындағы магниттік өрістерді тудырады, бұл басқа бортодағы құрылғылармен проблемалар туғызуы мүмкін және магнитосферамен өзара әрекеттесу арқылы қосымша айналу моментін жасайды. Бұл соңғы әсерге қарсы тұру үшін екі қозғалтқыш блогын қарама-қарсы бағытталған магниттік өрістермен біріктіруге болады, нәтижесінде магниттік квадруполі пайда болады, ол айналу моментін жоққа шығарады.

Ғылыми-зерттеу және даму

VASIMR-дің алғашқы тәжірибесі 1983 жылы Массачусетс технология институтында өткізілді. 1990 жылдары маңызды жақсартулар енгізілді, оның ішінде бастапқыда жоспарланған плазмалық қаруды және оның электродтарын алмастырған геликондық плазма көзі қолданылды, бұл беріктікті арттырып, ұзақ қызмет ету мерзімін қамтамасыз етті. 2010 жылға қарай, Ad Astra Rocket Company (AARC) VASIMR-ді дамытуға жауапты болды және VASIMR технологиясын жекешелендіру мақсатында 2005 жылдың 23 маусымында алғашқы Ғарыш актісі келісіміне қол қойды. Франклин Чанг Диас – Ad Astra компаниясының төрағасы және бас директоры, ал компанияның сынақ орталығы Коста-Риканың Либерия қаласындағы Жер университетінің кампусында орналасқан.

VX-10-дан VX-50-ге дейін

1998 жылы ASPL-де алғашқы геликондық плазма эксперименті өткізілді. 1998 жылы VASIMR 10 (VX 10) эксперименті 10 кВт дейін геликондық радиожиілікті (RF) плазмалық разрядқа қол жеткізсе, 2002 жылы VX 25 25 кВт дейін жетті. 2005 жылға қарай ASPL-дегі жетістіктерге толыққанды және тиімді плазма өндірісі, сондай-ақ 50 кВт қуатты VX 50 итермелеуімен плазмалық иондарды үдету кірді.

VX-100

100 киловатттық VASIMR эксперименті 2007 жылы сәтті іске қосылды және 100эВ-тан төмен иондану құнымен тиімді плазма өндірісін көрсетті. VX 100 плазмасының шығысы VX 50-нің бұрынғы рекордын үш есеге арттырды. Ал 2009 жылғы НАСА-ның жоғары қуатты электрлік қозғалтқышы (HiPEP) сияқты, дәлелденген иондық қозғалтқыштардың жобалары 80% жалпы қозғалтқыш/ЖББ энергия тиімділігімен жұмыс істеді.

VX-200SS

2015 жылдың наурыз айында Ad Astra NASA-дан 10 миллион долларлық грант алғанын жариялады. Бұл грант VASIMR қозғалтқышының келесі нұсқасы – VX 200SS технологиялық дайындығын арттыруға, терең ғарыш миссияларының қажеттіліктерін қанағаттандыруға бағытталған. Атаудагы SS – «тұрақты күй» дегенді білдіреді, себебі ұзақ мерзімді сынақтың мақсаты – жылулық тұрақты күйде үздіксіз жұмыс істеуін көрсету. 2016 жылдың тамызында Ad Astra NASA-мен жасасқан 3 жылдық келісімшарттың бірінші жылындағы мақсаттарға жеткенін хабарлады. Бұл қозғалтқыштардың жоғары қуатты плазмалық жұмысын жүзеге асыруға мүмкіндік берді, мақсат 2018 жылдың ортасына дейін 100 сағатқа және 100 кВт-қа жету болды. 2017 жылдың тамызында компания VASIMR электрлік плазмалық қозғалтқышы бойынша 2-ші жылдық мақсаттарды орындағанын мәлімдеді. NASA, VX 200SS қозғалтқышының 100 кВт қуатымен 10 сағаттық сынағын аяқтағаннан кейін Ad Astra-ға 3-ші жылға өтуге рұқсат берді. Жоспарланған 200 кВт-тық конструкцияның 100 кВт қуатымен жұмыс істеуіне қатысты себептер баспасөз хабарламасында көрсетілмеген. 2019 жылдың тамызында Ad Astra Канаданың Aethera Technologies Ltd. компаниясы жасаған VASIMR қозғалтқышы үшін жаңа буын радиожиіліктік (RF) қуатты өңдеу блогының (PPU) сынақтарын сәтті аяқтағанын хабарлады. Ad Astra 120 кВт қуатты және >97% электрлік-RF қуат тиімділігін мәлімдеді, сондай-ақ 52 кг салмақтағы жаңа RF PPU бәсекелес электрлік қозғалтқыштардың PPU-ларынан 10 есе жеңіл екенін (қуат пен салмақ арақатынасы: 2,31 кВт/кг) атап өтті. 2021 жылдың шілдесінде Ad Astra қозғалтқыштың рекордтық сынағын аяқтағанын жариялады, оны 82,5 кВт қуат деңгейінде 28 сағат бойы жұмыс істетті. Екінші сынақ, 12-16 шілде аралығында өткізілді, қозғалтқыш 88 сағат бойы 80 кВт қуат деңгейінде сәтті жұмыс істеді. Ad Astra 2023 жылы 100 кВт қуат деңгейінде сынақтар жүргізуді жоспарлап отыр.

Мүмкін болатын қолданулар

VASIMR салыстырмалы түрде нашар итеру күші мен салмақ арақатынасына ие және ортада вакуум қажет етеді. VASIMR-ді қолдануға ұсынылған, мысалы, адамдарды Марсқа жылдам тасымалдау үшін, ядролық реактордан он есе тиімді, өте жоғары қуатты, төмен салмақты энергия көзі қажет болады (ядролық электр зымыранына қараңыз). 2010 жылы NASA әкімшісі Чарльз Болден VASIMR технологиясы Марсқа сапар уақытын 2,5 жылдан 5 айға дейін қысқартуға мүмкіндік беретін маңызды технология болуы мүмкін деп айтты. Бірақ бұл мәлімдеме соңғы он жылда қайталанбады. 2008 жылдың тамызында Ad Astra компаниясының даму директоры Тим Гловер VASIMR қозғалтқышының алғашқы қолданысы – «жердің төменгі орбитасынан Айдың төменгі орбитасына жүк тасымалдау» (адам емес жүк) болады деп мәлімдеді, бұл NASA-ның Айға оралу жобасын қолдайды.

Марс 39 күн ішінде

Марсқа 39 күнде адамдармен саяхат жасау үшін VASIMR-ге қазіргі мүмкіндіктерден асып түсетін электр қуаты деңгейі қажет болады. Бұған қоса, кез келген қуат өндіру технологиясы пайдалы емес жылу шығарады. Қажетті 200 мегаватттық реактор, "бір килограммана 1000 ватт қуат тығыздығымен" жұмыс істейтін болса, "футбол алаңының көлеміндегі радиаторларға" мұқтаж болмау үшін өте тиімді радиаторларды талап етеді.