Введение
Электротермальный двигатель в разработке
Ракета с переменным удельным импульсом магнитоплазменного типа (VASIMR) – это электротермальный двигатель, разрабатываемый для возможного применения в космической тяге. Он использует радиоволны для ионизации и нагрева инертного рабочего тела, образуя плазму, а затем магнитное поле для удержания и ускорения расширяющейся плазмы, создавая тягу. Это плазменный двигатель, один из нескольких типов электрических двигательных установок космических аппаратов. Метод нагрева плазмы, используемый в VASIMR, первоначально был разработан в ходе исследований в области ядерного синтеза. VASIMR предназначен для заполнения пробела между химическими ракетами с высокой тягой и низким удельным импульсом и электрической тягой с низкой тягой и высоким удельным импульсом, однако пока не продемонстрировал высокой тяги. Концепция VASIMR возникла в 1977 году благодаря бывшему астронавту NASA Франклину Чангу Диасу, который с тех пор занимается разработкой этой технологии.
Конструкция и эксплуатация
VASIMR — это тип электротермального плазменного двигателя/электротермального магнитоплазменного двигателя. В этих двигателях нейтральный, инертный рабочий газ ионизируется и нагревается с помощью радиоволн. Образующаяся плазма затем ускоряется магнитными полями для создания тяги. Другие связанные концепции электрической двигательной установки космических аппаратов включают плазменный двигатель без электродов, микроволновый дуговой ракетный двигатель и импульсный индуктивный двигатель. Рабочий газ, такой как аргон или ксенон, впрыскивается в полый цилиндр, поверхность которого покрыта электромагнитами. Попадая в двигатель, газ сначала нагревается до состояния "холодной плазмы" геликообразной ВЧ-антенной/соединителем, который воздействует на газ электромагнитной энергией с частотой от 10 до 50 МГц, отрывая электроны от атомов рабочего газа и создавая плазму из ионов и свободных электронов. Изменяя количество энергии ВЧ-нагрева и параметры плазмы, VASIMR, как утверждается, способен генерировать либо выхлоп с низкой тягой и высоким удельным импульсом, либо выхлоп с относительно высокой тягой и низким удельным импульсом. Вторая фаза двигателя представляет собой мощный электромагнит в конфигурации соленоида, который направляет ионизированную плазму, функционируя как сходящееся-расходящееся сопло, подобно физическому соплу в обычных ракетных двигателях. Второй соединитель, известный как секция нагрева ионным циклотронным резонансом (ИЧР), излучает электромагнитные волны в резонансе с орбитами ионов и электронов по мере их движения через двигатель. Резонанс достигается за счет уменьшения магнитного поля в этой части двигателя, что замедляет орбитальное движение частиц плазмы. Этот участок дополнительно нагревает плазму до температуры, превышающей примерно в 173 раза температуру поверхности Солнца. Траектория ионов и электронов через двигатель приближается к линиям, параллельным стенкам двигателя; однако частицы фактически вращаются вокруг этих линий, перемещаясь линейно через двигатель. Последняя, расходящаяся секция двигателя содержит расширяющееся магнитное поле, которое выбрасывает ионы и электроны из двигателя со скоростями до .
Преимущества
В отличие от типичных процессов циклотронного резонансного нагрева, ионы VASIMR немедленно выбрасываются из магнитной насадки до того, как достигают состояния теплового равновесия. Согласно новым теоретическим разработкам 2004 года Алексея В. Арефева и Бориса Н. Брейзмана из Техасского университета в Остине, практически вся энергия ионной циклотронной волны равномерно передается ионизированной плазме за один проход при циклотронном поглощении. Это позволяет ионам покидать магнитную насадку с очень узким энергетическим распределением и значительно упрощает и компактифицирует магнитную систему двигателя. По сравнению с традиционными ракетными двигателями, требующими сложной системы трубопроводов, высокопроизводительных клапанов, исполнительных механизмов и турбонасосов, VASIMR практически не имеет движущихся частей (за исключением незначительных, таких как газовые клапаны), что обеспечивает максимальную долговечность.
Недостатки
Согласно Ad Astra, по состоянию на 2015 год двигатель VX 200 требует 200 кВт электрической мощности для создания 5 Н тяги, что составляет 40 кВт/Н. С VASIMR также возникают новые проблемы, такие как взаимодействие с сильными магнитными полями и управление тепловым режимом. Низкая эффективность работы VASIMR генерирует значительное количество избыточного тепла, которое необходимо отводить, не допуская тепловой перегрузки и термических напряжений. Сверхпроводящие электромагниты, необходимые для удержания горячей плазмы, создают магнитные поля в диапазоне тесла, которые могут вызывать сбои в работе других бортовых устройств и создавать нежелательный крутящий момент при взаимодействии с магнитосферой. Для нейтрализации этого эффекта можно использовать два двигательных модуля с магнитными полями, ориентированными в противоположных направлениях, формируя магнитный квадруполь с нулевым результирующим крутящим моментом.
Исследования и разработки
Первый эксперимент VASIMR был проведен в Массачусетском технологическом институте в 1983 году. В 1990-х годах были внесены важные усовершенствования, включая использование геликонного источника плазмы, который заменил первоначально задуманную плазменную пушку и её электроды, повышая надежность и срок службы. По состоянию на 2010 год, компания Ad Astra Rocket Company (AARC) отвечала за разработку VASIMR, подписав первое Соглашение о космической деятельности 23 июня 2005 года с целью приватизации технологии VASIMR. Франклин Чанг Диас является председателем совета директоров и генеральным директором Ad Astra, а компания располагала испытательным центром в Либерии, Коста-Рика, на территории Университета Земли.
VX-10 - VX-50
В 1998 году в АСПЛ был проведен первый эксперимент с геликоновой плазмой. Эксперимент VASIMR 10 (VX 10) в 1998 году достиг геликонного радиочастотного плазменного разряда мощностью до 10 кВт, а VX 25 в 2002 году – до 25 кВт. К 2005 году прогресс в АСПЛ включал в себя полное и эффективное создание плазмы и ускорение ионов плазмы с использованием 50 кВт в установке VX 50.
VX-100
К 2007 году 100-киловаттный эксперимент VASIMR успешно функционировал и продемонстрировал эффективное создание плазмы при стоимости ионизации менее 100 эВ. Выход плазмы VX 100 утроил предыдущий рекорд VX 50. В отличие от этого, в 2009 году передовые, проверенные конструкции ионных двигателей, такие как высокомощная электрическая двигательная установка NASA (HiPEP), работали с общей энергоэффективностью двигателя и блока обработки электропитания (ППУ) на уровне 80%.
VX-200SS
В марте 2015 года Ad Astra объявила о получении 10 миллионов долларов США от NASA на повышение технологической готовности следующей версии двигателя VASIMR, VX 200SS, для удовлетворения потребностей дальних космических миссий. Аббревиатура SS в названии означает "стационарное состояние", поскольку целью длительных испытаний является демонстрация непрерывной работы в тепловом стационарном режиме. В августе 2016 года Ad Astra объявила о завершении этапов первого года своего трехлетнего контракта с NASA. Это позволило провести первые испытания плазменных двигателей высокой мощности с заявленной целью достижения 100 часов и 100 кВт к середине 2018 года. В августе 2017 года компания сообщила о завершении этапов второго года для электрического плазменного ракетного двигателя VASIMR. NASA одобрило Ad Astra для продолжения работы в рамках третьего года после проверки результатов 10-часового кумулятивного испытания двигателя VX 200SS при мощности 100 кВт. Судя по всему, запланированная конструкция мощностью 200 кВт испытывается на мощности 100 кВт, причины чего не указаны в пресс-релизе. В августе 2019 года Ad Astra объявила об успешном завершении испытаний нового поколения блока обработки радиочастотной (RF) мощности (PPU) для двигателя VASIMR, разработанного компанией Aethera Technologies Ltd. из Канады. Ad Astra заявила о достижении мощности 120 кВт и эффективности преобразования электрической мощности в RF более 97%, а также о том, что новый RF PPU весит около 52 кг, что примерно в 10 раз меньше, чем PPU конкурирующих электрических двигателей (отношение мощности к весу: 2,31 кВт/кг).
В июле 2021 года Ad Astra объявила о завершении рекордного по продолжительности испытания двигателя, в ходе которого он работал 28 часов при мощности 82,5 кВт. Второй тест, проведенный с 12 по 16 июля, успешно завершился 88-часовой работой двигателя при мощности 80 кВт. Ad Astra планирует проведение испытаний на уровне мощности 100 кВт в 2023 году.
Потенциальные применения
VASIMR имеет относительно невысокое отношение тяги к массе и требует наличия вакуума. Предлагаемые области применения VASIMR, такие как быстрая транспортировка людей на Марс, потребуют источника энергии с очень высокой мощностью и малой массой, в десять раз более эффективного, чем ядерный реактор (см. ядерный электрический ракетный двигатель). В 2010 году глава NASA Чарльз Болден заявил, что технология VASIMR может стать прорывной, сократив время полета к Марсу с 2,5 лет до 5 месяцев. Однако это заявление за последнее десятилетие не повторялось. В августе 2008 года Тим Гловер, директор по разработкам Ad Astra, публично заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR будет "доставка грузов (непилотируемых) с низкой околоземной орбиты на низкую окололунную орбиту" в поддержку программы NASA по возвращению на Луну.
Марс через 39 дней
Для осуществления пилотируемого полёта на Марс за 39 дней, двигателю VASIMR потребуется уровень электрической мощности, значительно превышающий все современные возможности. Более того, любая технология генерации энергии будет выделять отработанное тепло. Необходимый 200-мегаваттный реактор "с удельной мощностью 1000 ватт на килограмм" потребует чрезвычайно эффективных радиаторов, чтобы избежать необходимости в "радиаторах размером с футбольное поле".