Геликоновая установка для плазменной тяги космических аппаратов.

Введение

Прототип двигателя космического аппарата
Двигатель на основе двойного геликонного слоя — это прототип электрической двигательной установки космического аппарата. Он был разработан австралийским ученым Кристин Чарльз на основе технологии, изобретенной профессором Родом Босуэллом, обоими из Австралийского национального университета. Конструкция была подтверждена ESA, которая принимает участие в его разработке.

Теория действия

Двухслойный двигатель с геликоном (HDLT) — это тип плазменного двигателя, который выбрасывает ионизированный газ с высокой скоростью для создания тяги космического аппарата. В данной конструкции двигателя газ подается в трубчатую камеру (исходную трубу) с одним открытым концом. Радиочастотная переменная мощность (на частоте 13,56 МГц в прототипе) подключается к специально сформированной антенне, обернутой вокруг камеры. Электромагнитная волна, излучаемая антенной, вызывает ионизацию газа и образование плазмы. Затем антенна возбуждает в плазме геликоновую волну, которая дополнительно нагревает плазму. Устройство имеет приблизительно постоянное магнитное поле в исходной трубе (обеспечиваемое соленоидами в прототипе), но магнитное поле расходится и быстро уменьшается по мере удаления от области источника, что можно рассматривать как своего рода магнитное сопло. В процессе работы существует резкая граница между плотной плазмой внутри области источника и менее плотной плазмой в выхлопе, связанная с резким изменением электрического потенциала. Свойства плазмы быстро изменяются на этой границе, которая известна как электрический двойной слой без тока. Электрический потенциал в области источника значительно выше, чем в выхлопе, что обеспечивает удержание большинства электронов и ускорение ионов от области источника. Достаточное количество электронов покидает область источника, чтобы обеспечить общую нейтральность плазмы в выхлопе. Как и большинство ионных двигателей, HDLT характеризуется низкой тягой и высоким удельным импульсом (высоким Isp). Прототип двигателя диаметром 15 см, работающий в режиме слабого магнитного поля, прошел начальные испытания на тягу в 2010 году, однако для точного расчета общей тяги потребуется более полная методика испытаний. В настоящее время финальный прототип двигателя проходит испытания в комплексе моделирования космического пространства "Wombat XL", расположенном в обсерватории горы Стромло Австралийского национального университета (ANU). HDLT имеет два основных преимущества перед большинством других конструкций ионных двигателей. Во-первых, он создает ускоряющее электрическое поле без использования ненадежных компонентов, таких как высоковольтные сетки, в плазме (единственным элементом, контактирующим с плазмой, является прочный плазменный сосуд); во-вторых, нейтрализатор не требуется, поскольку количество испускаемых электронов и (однозаряженных) положительных ионов одинаково. Таким образом, благодаря отсутствию движущихся механических частей и устойчивости к эрозии, Чарльз объясняет: «Пока вы подаете питание и рабочее тело, вы можете двигаться бесконечно». Например, полет на Марс можно сократить до трех месяцев вместо восьми-девяти месяцев при использовании обычных химических ракет.

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.