Магнитоплазменный двигатель для космических аппаратов

Введение

Форма электрической двигательной установки космического аппарата.

Магнитоплазмодинамический (MPD) двигатель (MPDT) – это форма электрической двигательной установки космического аппарата, использующая силу Лоренца (силу, действующую на заряженную частицу в электромагнитном поле) для создания тяги. Иногда его называют ускорителем Лоренца (LFA) или (преимущественно в Японии) MPD-дуговым двигателем. Как правило, газообразное вещество ионизируется и подается в камеру ускорения, где магнитные и электрические поля создаются с помощью источника энергии. Затем частицы разгоняются силой Лоренца, возникающей в результате взаимодействия между током, протекающим через плазму, и магнитным полем (которое либо создается внешним воздействием, либо индуцируется током), и выводятся через выхлопную камеру. В отличие от химических двигателей, сгорания топлива не происходит. Как и в других вариантах электрической двигательной установки, удельный импульс и тяга увеличиваются с ростом входной мощности, в то время как тяга на ватт уменьшается. Существует два основных типа MPD-двигателей: с приложенным полем и с самовозбужденным полем. Двигатели с приложенным полем имеют магнитные кольца, окружающие выхлопную камеру для создания магнитного поля, в то время как двигатели с самовозбужденным полем имеют катод, проходящий через центр камеры. Приложенные поля необходимы при более низких уровнях мощности, когда конфигурации с самовозбужденным полем оказываются недостаточно сильными. В качестве рабочего тела используются различные вещества, такие как ксенон, неон, аргон, водород, гидразин и литий, при этом литий обычно демонстрирует наилучшие характеристики. По данным Эдгара Чуэйри, магнитоплазмодинамические двигатели имеют входную мощность 100–500 киловатт, скорость истечения 15–60 километров в секунду, тягу 2,5–25 ньютонов и эффективность 40–60 процентов. Однако дальнейшие исследования показали, что скорость истечения может превышать 100 километров в секунду. Одним из потенциальных применений магнитоплазмодинамических двигателей является основной двигатель для тяжелых грузов и пилотируемых космических аппаратов (например, для миссии с экипажем на Марс).

Разработка

Технология двигателей MPD изучалась в академических кругах, но коммерческий интерес к ней оставался низким из-за ряда нерешенных проблем. Одной из них является то, что для достижения оптимальной производительности требуются энергозатраты порядка сотен киловатт. Современные межпланетные энергосистемы космических аппаратов (такие как радиоизотопные термоэлектрические генераторы и солнечные батареи) не способны обеспечить такую мощность. Ожидалось, что реактор NASA в рамках проекта Prometheus будет генерировать сотни киловатт энергии, однако проект был закрыт в 2005 году. В СССР в 1963 году был начат проект по созданию космического ядерного реактора мощностью 600 киловатт электрической энергии, который продолжался на протяжении большей части 1960-х годов. Он предназначался для питания спутника связи, который в итоге не был одобрен. СССР выводил на орбиту ядерные реакторы, вырабатывающие киловатты электрической энергии (в десять раз больше, чем современные РИТЭГи): RORSAT и TOPAZ. В 2009 году российским ядерным институтом Курчатова и национальным космическим агентством Роскосмос были объявлены планы по разработке ядерного реактора мощностью в мегаватт для использования на борту пилотируемого космического корабля, что было подтверждено президентом России Дмитрием Медведевым в его обращении к Федеральному собранию в ноябре 2009 года. Другой предложенный Брэдли Эдвардсом план заключается в передаче энергии с Земли. Он предполагает использование пяти лазеров на свободных электронах мощностью 200 кВт каждый на длине волны 0,84 микрометра с адаптивной оптикой для передачи энергии на космический аппарат с двигателем MPD, где она преобразуется в электричество фотоэлектрическими панелями из арсенида галлия. Согласование длины волны лазера 0,840 микрометра (1,48 фотона) с шириной запрещенной зоны фотоэлектрических панелей 1,43 обеспечивает расчетную эффективность преобразования 59% и прогнозируемую плотность мощности до 540. Этого было бы достаточно для питания верхней ступени MPD, например, для вывода спутников с низкой околоземной орбиты на геостационарную. Еще одной проблемой технологии MPD является деградация катодов из-за испарения, вызванного высокой плотностью тока (более 100). Лабораторные исследования показали, что использование смеси литий-бариевого топлива и многоканальных полых катодов является перспективным решением проблемы эрозии катодов.

MPD thruster technology has been explored academically, but commercial interest has been low due to several remaining problems. One small problem is that power requirements on the order of hundreds of kilowatts are required for optimum performance. Current interplanetary spacecraft power systems (such as radioisotope thermoelectric generators and solar arrays) are incapable of producing that much power. NASA's Project Prometheus reactor was expected to generate power in the hundreds of kilowatts range but was discontinued in 2005. A project to produce a space going nuclear reactor designed to generate 600 kilowatts of electrical power began in 1963 and ran for most of the 1960s in the USSR. It was to power a communication satellite which was in the end not approved. Nuclear reactors supplying kilowatts of electrical power (of the order of ten times more than current RTG power supplies) have been orbited by the USSR: RORSAT; and TOPAZ. Plans to develop a megawatt scale nuclear reactor for the use aboard a crewed spaceship were announced in 2009 by Russian nuclear Kurchatov Institute, national space agency Roskosmos, and confirmed by Russian President Dmitry Medvedev in his November 2009 address to the Federal Assembly. Another plan, proposed by Bradley C. Edwards, is to beam power from the ground. This plan utilizes 5 200 kW free electron lasers at 0.84 micrometres with adaptive optics on the ground to beam power to the MPD powered spacecraft, where it is converted to electricity by GaAs photovoltaic panels. The tuning of the laser wavelength of 0.840 micrometres (1.48 per photon) and the photovoltaic panel bandgap of 1.43 to each other produces an estimated conversion efficiency of 59% and a predicted power density of up to 540. This would be sufficient to power a MPD upper stage, perhaps to lift satellites from LEO to GEO. Another problem with MPD technology has been the degradation of cathodes due to evaporation driven by high current densities (in excess of 100). The use of lithium and barium propellant mixtures and multi channel hollow cathodes has been shown in the laboratory to be a promising solution for the cathode erosion problem.

Исследования

Исследования двигателей MPD проводились в США, бывшем Советском Союзе, Японии, Германии и Италии. Экспериментальные прототипы были впервые запущены на советских космических аппаратах, а позднее, в 1996 году, на японском космическом аппарате Space Flyer Unit, который продемонстрировал успешную работу квазистабильного импульсного двигателя MPD в космосе. Исследования в Московском авиационном институте, РКК Энергия, Национальном аэрокосмическом университете, Харьковском авиационном институте, Институте космических систем Штутгартского университета, ISAS, Centrospazio, Alta S. p. A., Университете Осаки, Университете Южной Калифорнии, Лаборатории электрического движения и плазменной динамики Принстонского университета (EPPDyL) (где исследования двигателей MPD ведутся непрерывно с 1967 года) и центрах NASA (Лаборатория реактивного движения и Исследовательский центр Гленна) позволили решить многие проблемы, связанные с характеристиками, стабильностью и ресурсом двигателей MPD. Двигатель MPD был испытан на борту японского космического аппарата Space Flyer Unit в рамках эксперимента EPEX (Electric Propulsion Experiment), запущенного 18 марта 1995 года и возвращенного на Землю космическим шаттлом STS-72 20 января 1996 года. На сегодняшний день это единственный функционирующий двигатель MPD, использованный в космосе в качестве двигательной установки. Экспериментальные прототипы были впервые запущены на советских космических аппаратах. Двигатель MPD с приложенным магнитным полем, разрабатываемый в Институте космических систем Штутгартского университета, достиг эффективности 61,99% в 2019 году, что соответствует удельному импульсу Isp = 4665 с и тяге 2,75 Н.