Двигатель ракетный плазменный: Плазменный ракетный двигатель. Что заказал «Росатом»? |

Содержание

Измеряем плотность плазмы в проекте геликонного двигателя / Хабр

В 2016 году Хабр рассказал о старте проекта Курчатовского института по созданию прототипа безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД) мощностью 100 кВт. Сегодня этот проект выходит на финишную прямую, и пора измерять плотность плазмы и ускорение ионов, чтобы подобрать оптимальные режимы двигателя. Ведь двигателю придется работать на орбите десятки, а то и сотни часов, и фактическая плотность плазмы должна соответствовать расчетной для достижения требуемых параметров тяги и ресурса.

Кому он нужен, этот геликонный двигатель

Что такое геликонный двигатель. Это один из видов плазменных двигателей, входящих, наряду с ионными двигателями (ИД), в более общий класс так называемых электрических ракетных двигателей.

ГЕЛИКОН (от греч. helix, род. падеж. helikos — кольцо, спираль) — слабо затухающая электромагнитная волна, возбуждающаяся в газовой плазме или плазме твердых тел, находящейся в постоянном магнитном поле.

Далее — зачем вообще нужен плазменный ракетный двигатель. В ракетостроении, начиная с самых первых полетов и по сегодняшний день используются ракетные двигатели на химическом топливе (жидкостные и/или твердотопливные). Из плюсов — у них высокая тяга, позволяющая отправлять многотонные космические аппараты на околоземную орбиту и к планетам Солнечной системы. Из минусов — эти двигатели чрезвычайно прожорливы, и топливо занимает до 99% от возможной полезной нагрузки.

Что важно — для дальних перелетов в глубоком космосе традиционные ракетные двигатели не слишком подходят, т.к. при работе на химическом топливе имеют относительно низкую скорость выброса рабочих газов, не превышающую 5 км/с. Иными словами, с их помощью хорошо разогнать космический аппарат для дальнего полета с высокой скоростью не получится.

Для длительного межпланетного полёта двигатели космического аппарата должны обладать большей скоростью истечения газов (рабочего тела), недоступной для химических ракетных двигателей. Кроме того, очень актуальна задача экономии топлива. Поэтому космической отрасли требуется двигатель с многократно увеличенным удельным энергосодержанием рабочего вещества.

Схема работы геликонного двигателя. Источник: НИЦ «Курчатовский институт»

На эту роль уже несколько десятилетий претендуют различные типы электрического (плазменного) двигателя. В плазменном двигателе тяга возникает в результате выброса заряженных частиц, поэтому требуется источник электрической энергии для создания и ускорения заряженных частиц. К примеру, расчетная скорость выброса газов у плазменного двигателя находится в диапазоне от 5 до 50 км/с, т.е. может почти на порядок превышать скорость истечения газов у двигателя на основе химических реакций.

Здесь следует отметить, что в создании плазменных двигателей конструкторы уже давно добились определенного практического успеха. Впервые такой двигатель был применен в 1964 году для ориентации советской автоматической межпланетной станции «Зонд-2». На современных спутниках также можно встретить маломощные плазменные двигатели, выполняющие задачу коррекции аппаратов на орбите, смены позиционирования и для иных небольших перемещений в космосе. Иными словами, идея плазменного двигателя вполне рабочая, но требуется ее масштабировать, создав двигатели с тягой, достаточной для буксировки грузов по орбите или для дальних перелетов.

Геликонный плазменный ракетный двигатель (ГПРД) позиционируется в последнее десятилетие как новое поколение электрических двигателей для передвижения в космосе. Геликон — это название низкочастотной электромагнитной волны, которая возникает в плазме, находящейся во внешнем постоянном магнитном поле.

Большой вклад в популяризацию идеи геликонных двигателей внес Олег Батищев, кандидат физико-математических наук, выпускник и доцент МФТИ, и позже сотрудник Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН. В конце 2000-х Олег Батищев, работая в MIT (Массачусетский Технологический Институт), предложил идею одноступенчатого геликонного двигателя в виде кварцевой трубки с навитой обмоткой для создания магнитного поля и антенной для возбуждения геликонной волны. Поступающий газ ионизируется мощностью, подводимой к антенне, плазма разогревается, и магнитное поле направляет плазменную струю в нужном направлении.

Чтобы популяризовать свою идею, в 2009 году Олег Батищев организовал публичную демонстрацию плазменного двигателя, сделанного из бутылки Кока-Колы и жестяной банки, помещенных в вакуумную камеру. На YouTube сохранилась запись этого эксперимента с макетом мини-геликонного двигателя, хотя видео и не очень хорошего качества. Можно увидеть, как с подачей тока в бутылке загорается свечение, и струя голубой плазмы истекает из отпиленного донышка.

Небольшой итог: геликонный двигатель обладает несколькими преимуществами перед большинством других конструкций электрических ракетных двигателей. В нем отсутствуют электроды, погружаемые в плазму (эти электроды имеют малый ресурс), практически нет эрозии стенок рабочей камеры, можно относительно легко управлять тягой.

Геликонный двигатель без движущихся механических частей и подверженности эрозии может иметь значительный ресурс, и работать, пока он обеспечивается энергией и рабочим телом для создания плазмы.

Следует уточнить, что в геликонном двигателе, в отличии от традиционного реактивного двигателя, разделены источник энергии и рабочее тело. Источник энергии может быть любой — например, солнечная батарея или бортовой ядерный реактор.

В качестве рабочего тела (пока еще в теории) могут использоваться не только лабораторные водород или аргон, но и довольно распространенные во Вселенной виды газов, такие как азот. Иными словами, запас рабочего тела может пополняться прямо в космосе, «по дороге». Для работы на околоземной орбите или на орбите планет с атмосферой в этом качестве предполагается использовать разреженный атмосферный газ (воздух).

Об интерферометрии как методе измерения параметров плазмы

Прежде чем перейти непосредственно к рассказу о 94-гигагерцевом интерферометре, сделанном в Санкт-Петербурге для установки Е-1 Курчатовского института (на ней выполнен прототип геликонного двигателя), стоит рассказать, каковы типичные применения интерферометрии и почему они так важны для будущего мировой энергетики.

Методы измерения параметров плазмы крайне разнообразны, без преувеличения можно сказать, что в этом вопросе используется большая часть арсенала экспериментальной физики, так или иначе связанная с электромагнетизмом.

Для измерения плотности электронов в плазме можно использовать интерферометр. Метод интерферометрии основан на измерении фазового сдвига при прохождении электромагнитной волны через исследуемый объект. Фазовый сдвиг, вносимый плазмой, может быть измерен фазовым детектором, и затем по определенным формулам может быть рассчитана электронная плотность плазмы.

Интерферометры для диагностики плазмы делаются на основе лазерного или СВЧ излучения. Использование излучения с различными длинами волн имеют свои преимущества и недостатки, но и те, и другие активно применяются в одной из наиболее многообещающих областей науки и техники — установках магнитного удержания плазмы, в том числе предназначенных для реализации так называемого «управляемого термоядерного синтеза».

Наиболее известная конфигурация таких установок называется «токамак», что расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». Сам термин появился в СССР вскоре после постройки первого токамака в 1954 году.

Конечной целью, побуждающей вводить в строй новые токамаки во многих странах мира, и повышать температуру плазмы от десятков до сотни и выше миллионов градусов, является создание устройства, позволяющего осуществить управляемый термоядерный синтез в коммерческих целях, а если говорить шире — для обеспечения человечества неисчерпаемым источником экологически чистой энергии на ближайшие тысячелетия.

Наиболее известным проектом в этой области является ITER – проект международного экспериментального термоядерного реактора (реактор расположен во Франции, но работу над его созданием ведут ученые из десятков стран мира, в том числе, большой вклад вносит Россия). Проект официально начат в 1988 году, в 2025 году планируется достройка самого большого токамака в мире, и только в 2035 году планируется достижение важнейшей промежуточной цели – получение энергии за счет слияния атомов дейтерия и трития (изотопов водорода) в гелий с выделением огромной энергии.

Надо отметить, что ITER изначально не предполагал возможности не только использования выделяемой энергии в коммерческих целях, но даже перевода этой энергии в электричество. Эту цель предполагается достичь в планируемом термоядерном реакторе DEMO (DEMOnstration power plant). Выход на режим генерации электроэнергии, когда часть вырабатываемой энергии будет использована для поддержания термоядерной реакции в токомаке и для других нужд электростанции, а часть – передана во внешнюю сеть – планируется после 2050 года. Этот этап развития термоядерной энергетики также является промежуточным, поскольку стоимость и объем вырабатываемой электроэнергии будут еще не такими, как у существующих даже на текущий момент электростанций. Постройка коммерческих термоядерных электростанций планируется еще позднее.

Впрочем, если большие международные проекты могут позволить себе развитие в течение многих десятилетий без коммерческого результата, частные компании, которые также существуют в этой области, рассчитывают получить коммерческие результаты гораздо быстрее.

Например, американская компания TAE Technologies (Try Alpha Energy Technologies, tae.com), основанная в 1998, создает реактор иного типа, который сочетает в себе физику ускорителей частиц и физику плазмы для решения проблемы удержания плазмы. Это позволяет использовать в том числе реакцию водорода с бором, которая имеет более высокий порог зажигания, но зато дает возможность полностью избавиться от «радиоактивного следа». Коммерциализация термоядерной реакции планируется в середине 2020-х, не считая того, что компания продвигает также коммерческое применение своих промежуточных результатов работы по созданию реактора в других областях — например, в медицине и в системах для зарядки электромобилей. Идея плазменной установки FRC (Field-reversed configuration), как средства получения ядерного синтеза — согласно опубликованной дорожной карте, уже близка к коммерческой реализации.

Дорожная карта создания промышленной электростанции на основе плазменного реактора в компании TAE Technologies (США). Источник: https://www.ukpropertyguides.com/wp-content/uploads/2019/01/ceo-of-tae-technologies-says-they-will-reach-commercial-fusion-by-2023-nextbigfuture-com.png

Следует упомянуть также британскую компанию Tokаmak Energy, основанную в 2009 году, которая ориентирована на создание сферических токамаков малых размеров с использованием высокотемпературных сверхпроводников. В планы компании входит запуск к 2030 году токамака с возможностью генерации электроэнергии.

Интерферометры для измерения плотности плазмы — сделано в России

Надо сказать, что разработка интерферометров для изучения плазмы, особенно под заказ для конкретной установки — это область высокого хайтека. В мире есть всего несколько компаний, способных изготавливать такие приборы, и одна из них — компания «ДОК» из Санкт-Петербурга. У команды «ДОК» большой опыт в изготовлении интерферометров для исследовательских токамаков, петербургскими интерферометрами оснащены многие токамаки в мире. Собранные в Петербурге интерферометры работают в компаниях TAE Technologies и Tokаmak Energy. Также петербургские интерферометры будут работать в токамаке Т-15МД, который планируется запустить в Курчатовском институте в 2021 году.

Плазменная машина Norman С-2W в TAE Technologies, где установлен 300 гигагерцевый СВЧ-интерферометр, собранный в Санкт-Петербурге. Фото TAE: https://tae. com/wp-content/uploads/TAE_Technologies_6528.jpg

Плазма в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу— это состояние вещества с очень высокой температурой, когда атомы полностью ионизуются, т.е. электроны и ионы существуют отдельно. При этом плазма удерживается сильным магнитным полем, чтобы избежать контакта со стенками установки. В частности, согласно опубликованным сведениям от Блумберг, в 2021 году в плазменной установке Norman С-2W в TAE Technologies зарегистрирована температура плазмы в 50 млн °C.

Разработчикам «ДОК» одним из первых в мире удалось решить важную задачу нечувствительности компонентов интерферометра к сильнейшему магнитному полю, которое используется в установках создания плазмы.

Магнитное поле плазменной установки отрицательно влияет на работу любой установленной вблизи аппаратуры, включая интерферометр. Поэтому интерферометр приходилось отодвигать как можно дальше от магнитного поля установки, доставляя СВЧ-сигнал по длинным волноводам.

Огромный минус такого решения — настолько большое затухание сигнала в длинных волноводах, что СВЧ-сигнал ослаблялся на один или даже два порядка по сравнению с ситуацией, когда СВЧ источник и приёмник расположены в непосредственной близости от установки. Поэтому создание нечувствительных к магнитному полю интерферометров — это большое технологическое достижение в отечественном и мировом приборостроении.

Теперь перейдем от общих рассуждений к конкретике и расскажем о 94-гигагерцевом интерферометре, 3 экземпляра которого поставлены в НИЦ «Курчатовский институт» на проект создания прототипа 100-киловаттного геликонного двигателя.

Передатчик 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя . Источник: НИЦ Курчатовский институт»

Выбор рабочей частоты 94 ГГц был обусловлен в первую очередь концентрацией электронов в плазме. Частота 94 ГГц идеально подходит для измерения плазмы с плотностью электронов до 10¹³см^-3. Именно такая плотность характерна для геликонных источников.

Непосредственно вблизи плазмы располагается блок, состоящий из предусилителя, умножителя на лавинно-пролетном диоде, и узкополосного фильтра. Все эти элементы не чувствительны к магнитному полю. Высокостабильный источник «кварцевый синтезатор» располагается на отдалении от установки с макетом геликонного двигателя и соединяется с приёмником и передатчиком кабелями.

Рабочая частота диагностического оборудования (интерферометра) должна в несколько раз превышать плазменную частоту, которая прямо пропорциональна плотности электронов
(),
иначе СВЧ-волна просто не проникнет в плазму и отразится от неё, как будто плазма является для волны зеркалом. Именно поэтому для интерферометрии более плотной плазмы требуется использовать более высокие частоты. Согласно техническому заданию на интерферометр для Курчатовского института, плазменная частота в установке макета геликонного двигателя составляет примерно 30 ГГц.

Также, чтобы избежать проблем с отклонением зондирующего луча, отношение диаметра D плазменного облака к длине волны интерферометра λ, (D / λ) должно быть достаточно большим. В различных научных работах показано, что для цилиндрической плазмы с постоянной плотностью при соответствующем размере рупора должно соблюдаться условие D / λ > 3. Из-за особенностей, описанных выше, для макета геликонного двигателя была выбрана рабочая частота интерферометра 94 ГГц.

Стендовая плита с компонентами 94 ГГц интерферометра с блоками питания производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя. Источник: НИЦ «Курчатовский институт»

Многие спросят, почему 94 ГГц, а не ровно 90 ГГц? Дело в том, СВЧ-компоненты выпускаются на определенные дискретные частоты, и выбор этих частот обусловлен локальными минимумами ослабления СВЧ-сигнала в атмосфере и под действием других факторов в общем частотном спектре. К таким минимумам относится и участок вокруг 94 ГГц. Другие ближайшие минимумы ослабления СВЧ-сигнала лежат вокруг частот 76 ГГц (что очевидно мало) и 130 ГГц (можно использовать, но излишне дорого, так как с ростом рабочей частоты стоимость СВЧ-компонентов растет почти экспоненциально).

Особенностью СВЧ-интерферометрии и, в частности, интерферометров производства «ДОК», является возможность передачи «опорного» СВЧ сигнала не по «воздуху», а по коаксиальному кабелю, что гораздо удобнее с технической точки зрения. Преобразование в сигнал с частотой, необходимой для зондирования плазмы, происходит непосредственно в передатчике и в приемнике с помощью умножителей частоты (суммарный коэффициент умножения — это всегда целое число, и оно составляет, в зависимости от задачи, единицы или десятки раз).

Структурная схема канала интерферометра имеет следующий вид:

Структурная схема 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства ДОК для макета геликонного двигателя. Источник: «ДОК»

Гетеродины приемника и передатчика интерферометра запитаны от одного кварцевого генератора сигналами, немного разнесёнными по частоте. Прошедший через плазму сигнал преобразуется сначала в первую промежуточную частоту (ПЧ) 78 МГц, а затем во вторую ПЧ 200кГц.

Выбор относительно низкой частоты второй ПЧ позволяет записывать и анализировать сигнал в большом временном окне. Также в усилителях промежуточной частоты была реализована фильтрация частот 2 МГц и 10 МГц. Это было необходимо, так как для разогрева плазмы в макете геликонного двигателя используются СВЧ-генераторы большой мощности (десятки киловатт), работающие именно на этих частотах. Поэтому, чтобы избежать наводок, в тракте ПЧ была предусмотрена дополнительная фильтрация.

Измерения плотности плазмы проводятся на одной фиксированной частоте, поэтому сдвиг фазы возможно измерять с большой точностью и в реальном времени. Экспериментально измеренное среднеквадратичное отклонение фазы, которое обусловлено шумами прибора, составило 1°. Такая точность определения фазы позволяет проводить измерения плотности с погрешностью меньше 1%, поскольку в плазме геликонного двигателя набег фазы составляет несколько сот градусов.

The road ahead или планы на будущее

Впереди много работы — у НИЦ «Курчатовский институт» на горизонте года предстоит сдача макета геликонного двигателя заказчику с последующей работой над созданием промышленного образца маршевого ракетного двигателя на плазменной тяге, в том числе с масштабированием проекта под мощности двигателя до 1 МВт.

«При помощи СВЧ интерферометра можно получать значения плотности электронов. Это дает возможность экспериментально подобрать оптимальный режим работы установки макетирования геликонного двигателя, изменяя входные параметры (расход рабочего газа, конфигурацию магнитного поля, вводимую мощность). В дальнейшем система с СВЧ интерферометром в ходе исследований может дать ясный и простой метод количественной оценки ускорения ионов за счет ионного циклотронного резонанса», — такой комментарий был дан Евгением Буниным, сотрудником НИЦ «Курчатовский институт».

Компания «ДОК» работает над изготовлением интерферометра для токамака Т-15МД, нового проекта Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий. Для Т-15МД потребуется многоканальный интерферометр на частотах порядка 330 ГГц в так называемом терагерцовом диапазоне, т.е. на грани перехода радиоволн в область оптического спектра инфракрасного диапазона.

Интерферометр на 330 ГГц (длина волны около 1 мм) также может быть интересен тем, что с его помощью можно создать особенно узкий луч для исследования плазменных пучков с малым сечением. В установке Е-1 в НИЦ «Курчатовский институт» есть подобные сечения. Такой интерферометр на 330 ГГц может найти применение и для исследования плазмы под антенной геликонной установки, где плотность плазмы выше значения в 10¹³см^-3.

Интересные проекты реализуют в России, не правда ли?

Вы также можете к ним присоединиться — в компании «ДОК» открыты вакансии для специалистов по СВЧ-технике, конструкторов и сборщиков РЭА, программистов.

ПЛАЗМЕННЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ – РЕВОЛЮЦИЯ В КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТАХ

УДК 681.2; 621.9.047

К.В. Гостева Руководитель: д-р техн. наук, доцент Е.В. Смоленцев

В работе рассмотрено устройство, принцип работы и применение плазменных ракетных двигателей

Введение

Плазменный двигатель— электрический ракетный двигатель, рабочее тело которого приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы.

Существует множество типов плазменных двигателей. В настоящее время наиболее широкое распространение — в качестве двигателей для поддержания точек стояния геостационарных спутников связи — получили стационарные плазменные двигатели, идея которых была предложена А. И. Морозовым в 1960-х гг. Первые лётные испытания состоялись в 1972 г.

1. История

История плазменных двигателей началась в 1950 году, когда выпускника физфака МГУ Алексея Морозова партком распределил преподавать механику и электротехнику в техникуме заводского поселка Людиново на юго-востоке Калужской области [1]. Причина проста: отец Морозова был репрессирован и никто не принимал во внимание ни его специализацию (квантовая теория поля), ни неоднократные просьбы его научного руководителя

–декана физфака Арсения Александровича Соколова – оставить его на кафедре. Преподавателей физики в те годы довольно часто просили выступать с лекциями об атомной энергии, и Морозов не стал исключением. В один из дней 1953 года он возвращался в Людиново с подобной лекции в деревне Черный поток. «Незадолго до этого я прочитал книжку Гудмана об основах ядерной энергетики. Там была схема ядерной ракеты – газ проходил сквозь активную зону и разогревался. Меня поразило, насколько неэффективна эта конструкция – с одной стороны, атомная энергия, а с другой – это ведь просто тепловая машина! – вспоминал Алексей Иванович. – И пока я шел 12 км по шпалам доЛюдиново, я вспомнил эксперименты с силой Ампера и катушкой Томсона, которые я показывал студентам в училище, и мне пришла в голову идея

–почему бы не раз-гонять рабочее тело магнитным полем?» Теоретические выкладки показывали, что это вполне возможно, и Морозов решил провести эксперимент. Изготовив из асбоцемента «кирпичик», он просверлил в нем крест-накрест два отверстия. В одно он с разных сторон вставил два угольных стержня от батареек, а сверху и снизу бруска расположил два полюса мощного электромагнита. В обычном состоянии плазма, образующаяся в процессе горения дуги, с легким шипением вылетала с

обеих сторон второго отверстия, но стоило включить электромагнит – и поток стал бить в одну сторону со страшным ревом.

К концу 1950-х успехи СССР в космосе вдохновили конструкторов замахнуться на несколько крупномасштабных космических проектов. Планировался даже полет к Марсу. 2 июля 1959 года прошло совещание сотрудников ИАЭ (Институт атомной энергии). Темой обсуждения была возможность построения двигателей для марсианского корабля. Была предложена системы со следующими характеристиками: тяга около 10 кгс, скорость истечения 100 км/спри мощности двигателя 10 МВт. Сотрудники ИАЭ предложили несколько проектов: плазменный импульсный двигатель (А.М. Андрианов), магнитно-плазменный аналог сопла Лаваля (А.И. Морозов) и двигатель на основе однощелевого источника ионов, практически такого же, какой применялся для электромагнитного разделения изотопов (Павел Матвеевич Морозов, однофамилец Алексея Ивановича).

Кстати, все эти проекты в том или ином виде позднее были реализованы. Плазменно-эрозионный (вариант импульсного) двигатель Андрианова значительно меньшей мощности был установлен на один из спутников и выведен в космос в 1964 году, а ионный двигатель П.М. Морозова под именем «Зефир» (тоже маломощный) стоял на том самом спутнике «Метеор-10». Эксперименты с магнитным аналогом сопла Лаваля с центральным телом (сами разработчики называли его «коаксиал») велись с 1960 года, но схема оказалась сложной, и построен он был лишь в 1980 году совместными усилиями ИАЭ, Харьковского физико-технического института, ТРИНИТИ и Института физики Белоруссии. Мощность этого монстра составила 10 ГВт.

Однако эти проекты не подходили для марсианской программы по одной простой причине: у конструкторов тогда не было источников питания подходящей мощности. Эта проблема актуальна и сейчас: максимум, на который можно рассчитывать, это десятки киловатт.

В 1957 году М.С. Иоффе и Е.Е. Юшманов начали исследования магнитной (так называемой пробочной) ловушки для плазмы. Для заполнения ее горячей плазмой (10 млн. градусов) они использовали ускорение ионов в скрещенных электрических и магнитных полях. Эта работа послужила фундаментом для создания ряда плазменных двигателей. В 1962 году Алексей Морозов предложил

свою конструкцию плазменного двигателя малой мощности, названного СПД (стационарный плазменный двигатель). Принципиально важной особенностью СПД было то, что величина магнитного поля нарастала к срезу канала двигателя – это обеспечивало создание в плазме объемного электрического поля. Вся идея двигателя была построена именно на существовании такого поля.

Группа А.И. Морозова начала заниматься СПД в 1962 году. Почти пять лет двигатель существовал в лабораторном варианте – в 1967-м модель еще была оснащена водяным охлаждением. Пора было приступать к летно-космическим испытаниям, но на этом этапе разработчики столкнулись с неожиданной проблемой. Конструкторы космических аппаратов категорически отказывались ставить на борт что-либо электрическое. Однако проблемы на этом не закончились. Но уже в февралеиюне 1972 г. были проведены первые включения и испытания, продемонстрировавшие работоспособность СПД в космосе и совместимость с КА на околоземных орбитах. Высота орбиты была поднята на 17 км.

В начале 1980-х «Факел» начинает серийно производить двигатели СПД-70 – потомки «Эолов». Первый спутник с этим двигателем, «Гейзер №1», был запущен в 1982-м, а в 1994-м новой моделью СПД-100 оснастили спутник связи «Галс-1». Хотя сообщение об успешном испытании плазменного двигателя «Эол» в 1974 году было совершенно открыто опубликовано в журнале «Космические исследования», зарубежные конструкторы считали СПД лишь интересной теоретической разработкой. Поэтому демонстрация представителям NASA и JPL в 1991 году работающих двигателей «Факела» и сообщение, что подобными оснащены серийные спутники, вызвала у них настоящий шок (американцы в основном пошли по пути разработки ионных двигателей). Неудивительно, что «Факел» сейчас считается в мире ведущим производителем электроракетных плазменных двигателей. «На каждом третьем российском спутнике стоит наш двигатель, а три из пяти крупнейших западных производителей космических аппаратов покупают у нас СПД, – рассказал директор и генеральный конструктор ОКБ «Факел» Вячеслав Михайлович Мурашко. – Ими, например, оснащены спутники

MBSat-1, Intelsat-X-02, Inmarsat-4F1». Посылая свой спутник SMART-1 к Луне, Европейское космическое агентство выбрало для него в качестве двигателей плазменные PPS-1350, совместную разработку французской компании SnecmaMoteurs, ОКБ «Факел» и МИРЭА [2].

Что же ожидает нас в ближайшем будущем? Дальний космос требует двигателей с мас-

штабами 10-100 кВт или даже МВт. Подобные разработки уже есть – в 1976 году в ИАЭ сделали двигатель мощностью в 30 кВт, да и «Факел» в конце 1980-х разработал СПД-290 мощностью 25 кВт для космического буксира «Геркулес». В любом случае теория таких двигателей построена, поэтому в рам-

ках классической схемы СПД вполне реально довести мощность до 300 кВт. А вот дальше, возможно, придется перейти к другим конструкциям. Например, к двухлинзовому ускорителю на водороде, разработанному в ИАЭ в конце 1970-х. Эта машина имела мощность 5 МВт и скорость истечения 1000 км/с. В любом случае на межпланетных кораблях будут стоять плазменные двигатели.

С 1995 года СПД используется в системах коррекции серии связных геостационарных КА (космических аппаратов) типа «Галс», «Экспресс», «Экспресс-А», Экспресс-АМ, Sesat разработки НПО прикладной механики, а с 2003 года — в составе зарубежных геостационарных спутников типа

Inmarsat, Intelsat-X, IPSTAR-II, Telstar-8 для решения задач приведения в «рабочую точку», стабилизации положения в этой точке, изменения «рабочей точки» в случае необходимости и увода с неё по окончании эксплуатации.

К январю 2012 года на запущенных в космос аппаратах было установлено в общей сложности

352двигателя СПД.

2.Принцип работы

Нейтральный газ ксенон подается через металлический кольцевой анод с отверстиями в двустенную (кольцевую) керамическую газоразрядную камеру, на выходе которой установлен полый газоразрядный (работающий также на ксеноне) катодкомпенсатор для эмиссии электронов (рис. 1).

Рис.1. Структура В керамической газоразрядной камере внут-

ренний и наружный полюса электромагнита создают радиальное магнитное поле в несколько сотен Гаусс, нарастающее вдоль камеры и быстро спадающее за её пределами. Если между анодом и като- дом-компенсатором приложить постоянное напряжение в несколько сотен Вольт, то в газоразрядном

канале зажигается разряд и ксенон ионизируется, создавая плазму. Тяжёлые ионы ксенона ускоряются электрическим полем вдоль канала, почти не отклоняясь слабым магнитным полем, и набирают энергию несколько меньшую, чем приложенное напряжение.

Электроны же, напротив, не могут свободно перемещаться вдоль канала, поскольку их ларморовский радиус очень мал. Впрочем, из-за коллективных процессов в плазме электроны всё же составляют небольшую часть разрядного тока. Основной же ток разряда переносят ионы ксенона. Поток ускоренных ионов, вылетающих из газоразрядной камеры, создаёт реактивную тягу двигателя. Вместе с ионами из плазменного двигателя уходит равный им по величине поток электронов из като- да-компенсатора.

Источник питания

Главным показателем эффективности плазменных двигателей [речь обо всей двигательной установке, включая генератор] является отношение веса к мощности, число килограмм необходимых для генерации киловатта электроэнергии. Панели солнечных батарей имеют массу около 20 килограмм на каждый генерируемый им киловатт. Лучшие ядерные реакторы, сконструированные для космических полетов, имеют удельную массу в 45 килограмм.

Пентагон и компания Боинг разрабатывают следующее поколение солнечных батарей с целью достижения отношения веса к мощности в 7 килограмм на ватт, согласно Агентству перспективного планирования научно-исследовательских работ Министерства обороны США [DARPA,

DefenseAdvancedResearchProjectsAgency]. Инжене-

ры предсказывают, что ядерные энергоустановки достигнут эффективности в несколько килограммов на один киловатт в течение двух ближайших десятилетий.

3. VASIMR

Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом (англ.

VariableSpecificImpulseMagnetoplasmaRocket; VASIMR) — электромагнитный плазменный ускоритель, предназначенный для реактивного ускорения космического аппарата. Реактивный двигатель использует радиоволны для ионизации рабочего тела с последующим разгоном полученной плазмы с помощью электромагнитного поля для получения тяги [2].

Метод нагрева плазмы, используемый в VASIMR, был разработан в результате исследований в области термоядерного синтеза. Цель разработки VASIMR — заполнить разрыв между высокоэффективными реактивными системами малой тяги с высоким удельным импульсом и низкоэффективными системами большой тяги с низким удельным импульсом. VASIMR способен работать в режимах, близких к системам большой тяги и малой.

Концепция двигателя предложена астронавтом и учёным Франклином Чанг-Диазом из КостаРики в 1979 году и продолжает развиваться в настоящее время.

3.1 Основной проект

VASIMR (рис. 2), иногда рассматриваемый как электротепловой плазменный ускоритель (ЭПУ), использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для ускорения плазмы для получения ускорения.

Рис. 1.

Этот тип двигателя можно рассматривать как вариацию безэлектродного плазменного ускорителя, отличающегося в способе ускорения плазмы. Оба типа двигателя не имеют никаких электродов. Основное преимущество такого проекта в исключении проблемы эрозии электродов. Более того, так как все части VASIMR защищены магнитным полем и не приходят в прямой контакт с плазмой, потенциальная продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя.

3.2. Применения

VASIMR не подходит для подъема полезной нагрузки с поверхности планеты (например Земли) на околопланетную орбиту из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости (например для старта корабля с околопланетной орбиты). Он может быть использован в качестве последней ступени, сокращая потребность в топливе для транспортировки в космосе, или в качестве разгонного блока. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости аналогов на основе технологий химического реактивного движения:

•компенсация торможения в верхней атмосфере Земли (подъем орбиты) для орбитальных станций;

•обеспечение доставки грузов на лунную

орбиту;

•заправка топливом в космосе;

•восстановление ресурсов в космосе;

•космические транспортировки со сверхвысокими скоростями для дальних исследовательских программ.

Другие применения VASIMR (например, транспортировка людей к Марсу) требуют наличия

источников очень высоких энергий с небольшой массой, таких как, например, ядерные энергоблоки.

4. Полет к Марсу

Едва ли не основная сложность в организации пилотируемой миссии на Марс — ее продолжительность. Текущие технологии потребуют полгода на путешествие только в одну сторону — и этот срок порождает массу дополнительных проблем, от трудностей с жизнеобеспечением до защиты от длительного воздействия радиации.

Однако плазменный двигатель нового поколения может сократить время, которое требуется для полета к Марсу, всего до 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые необходимы традиционным ракетам. Предполагается, что 200мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществить эту миссию [3].

Традиционные реактивные двигатели ракет создают тягу за счет экзотермической химической реакции между компонентами топлива. Львиная его доля уходит на преодоление земного притяжения и вывода аппарата на орбиту.

В отличие от них, плазменные ракетные двигатели (ПРД) используют в качестве создающего тягу рабочего тела заряженную плазму, то есть полностью ионизированный газ.

Современное состояние техники не позволяет создать такие двигатели, способные преодолеть

силу тяжести, однако в работе на орбите они могут оказаться незаменимыми. Во-первых, топлива им требуется на порядки меньше, чем обычным ракетам. Во-вторых, работают они очень долго. Разгоняясь понемногу, зато постоянно, они позволяют кораблям, на которых установлены, довольно быстро обгонять своих традиционных собратьев.

Двигатель VASIMR представляет собой куда более совершенную систему. Работает над ним компания AdAstra, которая была основана в 2005 г. физиком и бывшим астронавтом Франклином Чен-

Диазом (FranklinChang-Diaz).

Заключение

Как следует из приведенных данных, стационарные плазменные двигатели успешно освоены в космической технике, иесть еще направления, по которым они могут развиваться и расширять область своихприменений.

Литература

1.Журнал «Наука и жизнь», 1999, статья «Космический электровоз», Доктор физикоматематических наук А. Морозов.

2.https://ru.wikipedia.org

3.Публикации NewScientistSpace, LisaGrossman: «Плазменный мотор: 40 дней до Марса».

УДК 614.87

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ШТАМПОВОЙ ОСНАСТКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ

ДЕТАЛЕЙ САМОЛЁТА

Студент группы УКм-151 Сидельникова Ю. А. Руководитель: д-р техн. наук, профессор В.И. Максименков

Рассмотрен процесс формообразования деталей кабины самолёта с предварительным нагревом заготовки. Выявлены браковочные признаки, возникающие при формообразовании деталей с нагревом. Разработан способ повышения стойкости штамповой оснастки методом борирования, обеспечивающий повышение твёрдости до 2000HV и стойкости штамповой оснастки в 4 – 10 раз.

Тема	разработки		повышение	качества	Формообразование детали из сплава ОТ4-1
штамповой оснастки при изготовлении деталей					осуществляется с базированием заготовки на
самолёта.					матрице. При этом на заготовке выполняются
Цель	работы:		рассмотреть	схему	отверстия, в которые входят направляющие
формообразования заготовки, а так же время					элементы, установленные на матрице.
нагрева заготовок после испытаний; определить					Перед	процессом	формообразования
стойкости штампа; выявить браковочные признаки,					осуществляется тарировка установки. При этом
возникающие при штамповке; выбрать техпроцесс					определяются	высота	расположения
повышения стойкости штампов – борирование;					нагревательных ламп относительно заготовки,
провести	экспериментальные исследования на				время и температура нагрева заготовки.
образцах.					После	процесса	формообразования
В конструкции кабины самолёта используются					осуществлялся контроль наличия окалины на
листовые материалы из титановых сплавов и					поверхности	испытываемых		материалов.
нержавеющих сталей. Учитывая, что толщина					Результаты испытаний различных			материалов
заготовок равна 4 мм, деформировать такие					приведены в табл.1.
заготовки в холодном состоянии не представляется
возможным.								Таблица 1
Разработана		установка		УНКЛ-18,	Время нагрева заготовок с использованием УНКЛ –
обеспечивающая		предварительный		нагрев	18

заготовок перед формообразованием .

Установка использовалась в составе с молотом МЛ–3. Схема процесса формообразования представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема процесса формообразования заготовки:

1 – стессель; 2 – пуансон; 3 – установка для нагрева заготовок;

4 – матрица; 5 – заготовка; 6 – шабот

В процессе формообразования заготовки определяли температуру нагрева матрицы. Максимальная температура нагрева соответствовала 300 . Эта величина может изменяться с учётом геометрии штампа.

Учитывая характер ударной нагрузки в процессе формообразования, выбран материал штампа 5ХНМ – инструментальная сталь. Режимы термообработки: закалка 850oC с охлаждением в масле и последующий отпуск при 460 – 520oC. На выбор материала штампа оказывает влияние его стоимость, а так же условия эксплуатации.

Относительная стойкость данного материала приведена в табл. 2.

Таблица 2 Относительная стойкость молотовых штампов

	Материал штампа			5ХНМ

	Относительная стойкость в %			90

	Стойкость штампов зависит от следующих
факторов (рис. 2).
	от	от условий
относительной		от условий		от вида и
относительной		эксплуатации штампа		от вида и
	толщины	эксплуатации штампа		качества
	толщины			качества
материала				материала
конструкции		Стойкость		от
штампа и типа		штампа	температуры
производимой		штампа		нагрева
производимой
операции
операции
	от	от термообработки
	от		рабочих деталей
геометрических		от вида	рабочих деталей
		от вида
				штампа
	форм детали	оборудования		штампа
	форм детали	оборудования

Рис. 2. Стойкость штампа

Проведён конструктивно – технологический анализ процесса штамповки, который позволил выявить дефекты оказывающие влияние на качество штампуемых деталей. Главные из них трещины, недоформовка поверхности, наводораживание и др., что во многом определяется состоянием штамповой оснастки. Возникающие браковочные признаки:

-Низкая стойкость;

-Появление сколов поверхности матрицы и пуансона;

-Появление сетки трещин;

-Образование окалины;

-Высокий износ;

-Возникновение дефектов в микроструктуре слоя.

Сцелью устранения браковочных признаков рассмотрены методы повышения качества штампов методами химико-термической обработки (ХТО). Следует выделить наиболее распространенные – это цементация, нитроцементация, азотирование и борирование.

Представлены характеристики изменения твёрдости при различных видах химико – термической обработки (табл. 3).

			Таблица 3
Сравнительные показатели твёрдости
	Процесс	Твёрдость (HV)
	Борирование	1800	– 2000
	Цементация	500	– 700
	Азотирование	300	– 350
	Нитроцементация	570	– 690

Учитывая техническую оснащенность предприятия и условий экологии, а так же оценку эффективности процесса, был выбран процесс борирования, т. е. насыщение поверхности матрицы и пуансона бором (табл. 4).

			Таблица 4
Метод борирования
Метод	Режим борирования		Глубина
борирован			слоя, мм
	Температ	Продолжит
ия	ура, С	ельность
В	900
порошко-			0,15 –
		4 часа
образной			0,20
	1000
смеси

Этот процесс поможет уменьшить браковочные признаки и улучшить стойкость штампа. Процесс борирования осуществляется по схеме (рис. 3).

Рис. 3. Схема технологического процесса борирования

Весь этот процесс осуществляется в устройстве для борирования, которое состоит из карбида бора, матрицы, пуансона, асбеста, песка и все это покрывается ангидридом бора (плавкий затвор) (рис. 4). Это устройство после установки детали помещают в печь.

Рис. 4. Устройство для борирования — контейнер

1 – карбид бора, 2 – матрица, 3 – пуансон, 4

– асбест, 5 – песок, 6 – ангидрид бора

После процесса борирования проводилась оценка твёрдости матрицы и пуансона. Сравнительные характеристики приведены на рис.

Рис. 5. Сравнительные характеристики твёрдости оснастки

Выявлено, что максимальная твёрдость получается при борировании. Проведённые испытания оснастки показали, что повышение твёрдости штамповой оснастки улучшили качество поверхности деталей. Определялась стойкость образцов, которые обрабатывались по технологии изготовления штампа.

Оценка стойкости осуществлялась с помощью идентора — конуса, которым наносились удары по образцу, и выявилась глубина следа идентора. При борировании — 0,08 мм, а при азотировании – 0,15мм. Результаты представлены в табл. 5.

		Таблица 5
Оценка стойкости
Метод	Глубина	Глубина
обработки	упрочнения	следа
		идентора при

		ударе
Борирование	0,15	0,08
Азотирование	0,2	0,15

Внедрение процесса позволяет снизить трудоёмкость изготовления штамповой оснастки в 4 раза, обеспечив повышение стойкости в 4 – 10 раз, при этом улучшается качество поверхности деталей.

В результате работы:

1Проведён анализ процессов химикотермической обработки и выбран процесс борирования деталей штампов;

2Разработана установка, обеспечивающая предварительный нагрев заготовок перед формообразованием;

3Разработана технология борирования;

4Предложена конструкция устройства для осуществления борирования;

5Внедрение процесса позволяет снизить трудоёмкость изготовления штампов в 4 раза, обеспечив повышение их стойкости в 4 – 10 раз.

УДК 621.455

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Аспирант кафедры НГОиТ Галдин Д.Н. Руководитель: д-р техн. наук, профессор А.В. Кретинин

Применение пакета конечно-элементного анализа ANSYS для математического моделирования гидродинамических процессов в проточной части центробежного насоса для получения оптимизированной геометрии проточной части, обеспечивающей максимальное энергетическое совершенство насоса

Задача оптимизации проточной части является задачей многокритериальной условной оптимизации, при этом возможна следующая постановка задачи, при которой ограничениями являются кавитационный запас и конструктивные параметры, а критериями оптимизации являются гидравлический КПД насоса и радиальная сила на ротор.

При этом считается, что основными элементами проточной части являются подвод, рабочее колесо, отвод насоса и в ряде случаев лопаточный направляющий аппарат. Варьируемыми параметрами для отдельных элементов проточной части могут быть назначены следующие факторы. Для рабочего колеса: количество лопастей, угол установки лопасти на входе на покрывном диске, угол установки лопасти на выходе, запас прочности вала насоса, отношение диаметра ступицы к диаметру вала, отношение толщины лопасти к выходному диаметру колеса, втулочный угол профиля лопасти, угол между выходной кромкой лопасти и осевым направлением. Для лопаточного направляющего аппарата (НА): число лопастей, угол установки лопасти на входе, угол установки лопасти на выходе, толщина лопастей, наружный диаметр НА, внутренний диаметр НА, ширина НА. Для отвода насоса: ширина входа в отвод, радиус входа в отвод, диффузорность обводного канала, коэффициент расширения обводного канала, угол установки «языка» отвода, пропускная способность спиральной части.

Расчетный блок состоит из отдельных расчетных модулей. В модуле Geometry 1 создается параметризованная модель направляющего аппарата отвода, расчетная сетка для которого сроится в мо-

дуле Mesh 1. Модули Excel, Geometry 2 и Mesh 2

формируют параметризованную сеточную модель отвода. В отдельном модуле Vista CPD используется инструмент Vista Design для формирования меридионального сечения лопаточного колеса. Далее эти данные передаются в модуль BladeGen, где с помощью Blade Design проектируется лопастная система с лопатками двойной кривизны. Затем эти данные передаются в модуль TurboGrid, где с помощью инструментов Turbo mesh создается расчет-

ная сетка. Далее сеточная модель колеса передается для моделирования в модуль CFX. Кроме того, готовые геометрии направляющего аппарата и отвода также загружаются в модуль СFX, а именно, в CFX Pre. С помощью инструмента CFX Pre формируются граничные условия (на входе, выходе, стенках, интерфейсы), параметры моделирования (модель турбулентности, зависимости плотности, вязкости, давление насыщенных паров и пр. ) и передаются в решатель CFX. В решателе задаются параметры алгоритма решения сеточных уравнений и запускается процесс решения. После сходимости системы сеточных уравнений результаты передаются в CFX Post, где обрабатываются и выводятся в качестве выходных критериев оптимизации.

Наиболее важным этапом реализации методики оптимизации является построение параметрических моделей проточной части с использованием инструментария ANSYS. Средствами встроенного редактора геометрии Design Modeler были созданы параметризованные модели элементов насоса с изменяемыми параметрами, указанными выше. Отличительной особенностью модели двузавиткового отвода является использование среды Microsoft Office Excel, что позволяет иметь удобный интерфейс, который к тому же может быть переадаптирован в случае незначительных изменений концепции построения.

Вербальная постановка тестовой задачи оптимизации состоит в следующем: подобрать значения следующих геометрических параметров, определяющих профиль лопатки рабочего колеса: запаса прочности вала насоса Ks, отношение диаметра ступицы к диаметру вала , углы установки лопасти на входе и выходе (β1s – угол установки лопасти на входе на покрывном диске, и β2 – угол установки лопасти на выходе), отношение толщины лопасти к выходному диаметру колеса такие, что гидравлический КПД насоса стремится к максимальному значению, а радиальная сила на ротор, приводящая к вибрациям насоса, стремится к минимальному значению). При этом кавитационный запас насоса является ограничением, и будет вычисляться для наилучшего варианта лопасти. По ряду факторов

осуществлялся одномерный оптимизационный по-	3. Проведение многокритериальной оптимиза-
иск.	ции для отдельных элементов проточной части (ра-
Реализация разработанной методики осу-	бочее колесо, отвод) и насосов в целом. Формиро-
ществляется методами комбинаторной и парамет-	вание Парето-оптимальных множеств решения.
рической оптимизации и содержит ряд связанных	Проектирование проточной части насосов с учетом
проблем.	результатов решения задач оптимизации.
1. Разработка параметризованных 3D-моделей	Литература
элементов проточной части: колесо, отвод, направ-	1. Валюхов С.Г., Булыгин Ю.А., Кретинин А.В.
ляющий аппарат. Разработка параметризованной	Численное моделирование гидродинамических
модели всей проточной части НА. Разработка рас-	процессов в проточной части магистрального
четных моделей в среде ANSYS. Разработка файла	нефтяного насоса // Разработка, производство и
сценария моделирования, с использованием кото-	эксплуатация турбо-, электронасосных агрегатов и
рого можно одной командой запустить проектиро-	систем на их основе: Труды VI Международной
вание, создать расчетную модель и выполнить рас-	научно-технической конференции «СИНТ’11». –
чет с выводом результатов расчета во внешний	Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2011. – С.61-65
файл. Разработка программы-переходника, которая	2. Валюхов С.Г., Кретинин А.В. Математическое
задает в служебный файл ANSYS параметры гео-	моделирование гидродинамических процессов в
метрии, затем запускает ANSYS на проектирование	проточной части центробежного насоса с использо-
и расчет, и далее считывает из служебного файла	ванием нейросетевых алгоритмов / Насосы. Турби-
результаты расчета и записывает их во внешний	ны. Системы. 2011, № 1. С. 53-60.
файл результатов. Т.е., расчетчик во внешнем фай-	3. Кретинин А.В., Галдин Д.Н., Шматов Д.П. Неде-
ле задает необходимые параметры, далее запускает	терминированное моделирование гидродинамиче-
программу-переходник и далее весь расчет и про-	ских процессов с использованием модуля ANSYS
ектирование ANSYS проводит автоматически без	DESIGNXPLORER / Вестник ВГТУ 2015, т. 11 №5
вмешательства оператора.	С. 37-41
2. Формирование набора формализованных
постановок задач оптимизации: набора варьируе-
мых параметров, набора критериев, диапазонов
изменения параметров, ограничений.

Россия успешно испытала плазменный ракетный двигатель — Наука

НАВЕРХ

Актуальная тема

Человек и космос

Актуальная тема

Человек и космос

#Наука

#Космос

#Техника

#Гео

#Здоровье

#Еда

#Психо

#Мистика

25. 05.22, 20:30

Источник:

Sibnet.ru

3892
4

Фото: © пресс-служба НИЯУ МИФИ

Специалисты Национального исследовательского ядерного
университета «МИФИ» успешно испытали первую отечественную плазменную
двигательную установку VERA. Ученые пришли к выводу, что двигатель готов к
эксплуатации в реальных космических полетах.

В ходе испытаний исследователи проверили электромагнитную
совместимость двигателя с остальными системами космического аппарата. Больше
всего опасений у разработчиков вызывал приемник идентификационной системы,
который попадал в зону действия плазменной струи.

«Ни во время испытаний, ни при последующей тщательной
проверке в лаборатории изготовителя мы не обнаружили никаких поломок или сбоев
в работе электронных компонентов», — уточнил руководитель лаборатории
плазменных двигателей Игорь Егоров.

В этом году два плазменных двигателя полетят на ракете
«Союз-2» на солнечно-синхронную орбиту. Они будут использованы для разведения
спутников, которые занимаются отслеживанием перемещения морских судов.

Если тестовые аппараты подтвердят эффективность двигателей,
то в перспективе плазменные установки
получит целая серия спутников, которые планируют вывести на орбиту для отслеживания
перемещений гражданских судов по всей площади Земли.

Плазменная двигательная установка VERA способна обслуживать
миниатюрные спутники весом до 4 килограммов. Ее уникальность — высокая мощность
при минимальных размерах.

Тема: Человек и космос

Юпитер войдет в великое противостояние с Солнцем

Астрономы сообщили о дате весеннего равноденствия

Полвека спустя: Россия вернется на Луну

Ровер Perseverance обнаружил на Марсе органику

смотреть все

Наука

#Космос

Плазменный двигатель

«Плазменный двигатель» перенаправляется сюда. Для движка видеоигры см. Плазма (двигатель).

Подруливающее устройство во время пробного запуска

Исполнительское исполнение ВАСИМР плазменный двигатель

А плазменный двигатель это тип электрическая тяга который создает тягу от квазинейтрального плазма. Это контрастирует с ионный двигатель двигателей, которые генерируют тягу за счет отбора ионного тока из плазма источник, который затем ускоряется до высоких скоростей с помощью решеток / анодов. Они существуют во многих формах (см. электрическая тяга ). Плазменные двигатели обычно не используют высоковольтные сети или аноды / катоды для ускорения заряженных частиц в плазме, а скорее используют токи и потенциалы, которые генерируются внутри плазмы для ускорения ионов плазмы. Хотя это приводит к более низкой скорости выхлопа из-за отсутствия высоких ускоряющих напряжений, этот тип двигателя малой тяги имеет ряд преимуществ. Отсутствие высоковольтных сеток анодов устраняет возможный ограничивающий элемент в результате ионной эрозии сетки. Выхлоп плазмы является «квазинейтральным», что означает, что ионы и электроны существуют в равном количестве, что позволяет проводить простую ионно-электронную рекомбинацию в выхлопе для нейтрализации выхлопного шлейфа, устраняя необходимость в электронной пушке (полый катод). Этот тип двигателя малой тяги часто генерирует исходную плазму, используя радиочастотную или микроволновую энергию, используя внешнюю антенну. Этот факт в сочетании с отсутствием полых катодов (которые очень чувствительны ко всем, кроме немногих благородных газов) дает интригующую возможность использования этого типа двигателя малой тяги на огромном диапазоне ракетного топлива, от аргона до диоксида углерода. воздушные смеси, к моче космонавта.^[1]

Плазменные двигатели подходят лучше^{[нечеткий ]} на дальние расстояния межпланетное путешествие миссии.^[2]

В последние годы многие агентства разработали несколько форм плазменных силовых установок, в том числе Европейское космическое агентство, Иранское космическое агентство и Австралийский национальный университет, которые совместно разработали более продвинутый тип, описанный как двухслойное подруливающее устройство. ^[3]^[4] Однако этот вид плазменного двигателя — лишь один из многих типов.

Содержание

1 Преимущества
2 Недостатки
3 Плазменные двигатели в эксплуатации
4 Типы двигателей
- 4.1 Плазменные двигатели Helicon
- 4.2 Магнитоплазмодинамические двигатели
- 4.3 Импульсные индуктивные двигатели
- 4.4 Безэлектродные плазменные двигатели
- 4.5 ВАСИМР
5 Смотрите также
6 Рекомендации
7 внешняя ссылка

Преимущества

Плазменные двигатели имеют гораздо более высокую удельный импульс (я_зр) ценность, чем большинство других типов ракетной техники. В ВАСИМР двигатель может быть дросселирован для импульса более 12000 с, и двигатели холла достигли около 2000 с. Это значительное улучшение по сравнению с двухкомпонентным топливом обычных химических ракет с удельными импульсами в диапазоне 450 с.^[5] Обладая высоким импульсом, плазменные двигатели способны развивать относительно высокие скорости в течение продолжительных периодов ускорения. Экс-космонавт Франклин Чанг-Диас утверждает ВАСИМР Двигатель может отправить полезный груз на Марс всего за 39 дней, достигая максимальной скорости 34 мили в секунду.^[6]

Некоторые плазменные двигатели, такие как мини-геликон, славятся своей простотой и эффективностью. Их теория действия относительно проста и может использовать различные газы или их комбинации в качестве топлива.

Эти качества предполагают, что плазменные двигатели будут полезны для многих миссий.^[7]

Недостатки

Возможно, наиболее серьезной проблемой для жизнеспособности плазменных двигателей является потребность в энергии.^[4] Например, двигателю VX-200 требуется 200 кВт электроэнергии для создания тяги 5 Н, или 40 кВт / Н. Этому требованию мощности могут соответствовать реакторы деления, но масса реактора (включая системы отвода тепла) может оказаться чрезмерно высокой.^[8]^[9]

Еще одна проблема — плазменная эрозия. В то время как в эксплуатации плазма может термически абляция стенки подруливающей полости и опорной конструкция, которая может в конечном итоге привести к отказу системы. ^[10] Решить эту проблему может усовершенствование дизайна и материалов.

Из-за крайне малой тяги плазменные двигатели не подходят для запуска на орбиту на Земле. В среднем эти ракеты обеспечивают максимальную тягу около 2 фунтов.^[5] Плазменные двигатели очень эффективны в открытом космосе, но ничего не делают, чтобы свести на нет затраты на запуск химических ракет.

Плазменные двигатели в эксплуатации

В то время как большинство плазменных двигателей все еще ограничено лабораториями, некоторые видели активное время полета и использовались в миссиях. В 2011 году НАСА стало партнером аэрокосмической компании. Бусек, и запустил первый двигатель Холла на борту ТАКСАТ-2 спутник. Двигатель был основной двигательной установкой спутника. С тех пор в 2011 году компания запустила еще один двигатель Холла.^[11] По мере развития технологий больше плазменных двигателей, вероятно, увидят время полета.

В мае 2020 года команда Института технологических наук Уханьский университет опубликовали статью о разработанном ими прототипе плазменного струйного устройства, способного поднимать стальной шар весом 1 кг (2,2 фунта) над кварцевой трубкой диаметром 24 мм (один дюйм). Тяга, необходимая для достижения такой подъемной силы, эквивалентна относительной тяге двигателя коммерческого самолета. В конструкции сжатый воздух вводится в камеру и подвергается воздействию более 1000 градусов Цельсия и микроволн для создания ионизированной плазмы, которая затем выбрасывается для создания движения.^[12]

Типы двигателей

Плазменные двигатели Helicon

Основная статья: Плазменный двигатель Helicon

Плазменные двигатели Helicon используют низкочастотные электромагнитные волны (волны Helicon), которые существуют внутри плазмы при воздействии статического магнитного поля. Радиочастотная антенна, которая охватывает газовую камеру, используется для создания волн и возбуждения газа. Когда энергия, обеспечиваемая антенной, соединяется с газом, создается плазма. После образования плазма она выбрасывается с высокой скоростью для создания тяги с использованием различных стратегий ускорения, которые требуют различных комбинаций электрических и магнитных полей с идеальной топологией. Эти двигатели могут использовать множество различных ракетных двигателей, что делает их идеальными для долгосрочных миссий, поскольку они относятся к категории безэлектродных двигателей. Простой дизайн также делает его универсальным, поскольку он может быть изготовлен из простых материалов, таких как стеклянная бутылка из-под газировки.^[7]

Магнитоплазмодинамические двигатели

Основная статья: Магнитоплазмодинамический двигатель

Магнитоплазмодинамические двигатели (MPD) используйте Сила Лоренца (сила, возникающая в результате взаимодействия между магнитное поле и электрический ток ) для создания тяги — электрического заряда, протекающего через плазму в присутствии магнитного поля, заставляющего плазму ускоряться из-за генерируемой магнитной силы. В Сила Лоренца также имеет решающее значение для работы большинства импульсный плазменный двигатель.

Импульсные индуктивные двигатели

Основная статья: Импульсный индуктивный двигатель

Импульсные индуктивные двигатели (PIT) также используют силу Лоренца для создания тяги, но, в отличие от магнитоплазмодинамического двигателя малой тяги, они не используют никаких электродов, что устраняет проблему эрозии. Ионизация и электрические токи в плазме индуцируются быстро меняющимся магнитным полем.

Безэлектродные плазменные двигатели

Основная статья: Безэлектродный плазменный двигатель

Безэлектродные плазменные двигатели использовать пондеромоторная сила который действует на любую плазму или заряженная частица когда под воздействием сильного электромагнитная энергия плотность градиент к ускоряться как электроны, так и ионы плазмы в одном направлении, благодаря чему могут работать без нейтрализатора.

ВАСИМР

Основная статья: Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом

VASIMR, сокращение от Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, использует радиоволны к ионизировать а пропеллент в плазму. Затем магнитное поле ускоряет плазму из ракетный двигатель, генерируя толкать. VASIMR разрабатывается Компания Ad Astra Rocket со штаб-квартирой в Хьюстоне, штат Техас. А Новая Шотландия, Канада -основанная компания Наутель, производит генераторы RF мощностью 200 кВт, необходимые для ионизации топлива. «Может ли этот китайский плазменный двигатель сделать реальностью экологичное воздушное путешествие?». Южно-Китайская утренняя почта. 8 мая 2020.

внешняя ссылка

Плазменный двигатель в космосе — А.И.П. Октябрь 2000 г.
Плазменный двигатель Mini-Helicon

Ядерные и плазменные ракетные двигатели

Материал опубликован в журнале «Арсенал Отечества» № 3(29) за 2017 г.

Александр Лосев

Быстрое развитие ракетно-космической техники в XX веке было обусловлено военно-стратегическими, политическими и, в определенной степени, идеологическими целями и интересами двух сверхдержав — СССР и США, а все государственные космические программы являлись продолжением их военных проектов, где главной задачей была необходимость обеспечить обороноспособность и стратегический паритет с вероятным противником. Стоимость создания техники и затраты на эксплуатацию тогда не имели принципиального значения. На создание ракет-носителей и космических аппаратов выделялись колоссальные ресурсы, а 108 минут полета Юрия Гагарина в 1961 году и телетрансляция Нила Армстронга и Базза Олдрина с поверхности Луны в 1969 году были не просто триумфами научно-технической мысли, они еще рассматривались как стратегические победы в битвах «Холодной войны».

Но после того как Советский Союз распался и выбыл из гонки за мировое лидерство, у его геополитических противников, прежде всего у США, исчезла необходимость реализовывать престижные, но крайне затратные космические проекты, чтобы доказывать всему миру превосходство западной экономической системы и идеологических концепций.
В 90-х годах основные политические задачи прошлых лет утратили актуальность, блоковое противостояние сменилось глобализацией, в мире возобладал прагматизм, поэтому большинство космических программ было свернуто или отложено, от масштабных проектов прошлого осталась, как наследие, только МКС. К тому же западная демократия поставила все дорогостоящие государственные программы в зависимость от электоральных циклов.
Поддержка избирателей, необходимая для получения или сохранения власти, заставляет политиков, парламенты и правительства склоняться к популизму и решать сиюминутные задачи, поэтому траты на исследования космоса сокращаются год от года.
Большинство фундаментальных открытий было сделано еще в первой половине ХХ века, а в наши дни наука и технологии достигли определенных пределов, к тому же во всем мире снизилась популярность научных знаний, и ухудшилось качество преподавания математики, физики и других естественных наук. Это и стало причиной застоя, в том числе и в космической сфере, последних двух десятилетий.
Но сейчас становится очевидным, что мир приближается к концу очередного технологического цикла, основанного на открытиях прошлого века. Поэтому любая держава, которая будет обладать принципиально новыми перспективными технологиями в момент смены глобального технологического уклада, автоматически обеспечит себе мировое лидерство как минимум на следующие пятьдесят лет.

Принципиальное устройство ЯРД с водородом в качестве рабочего тела

Это осознают и в Соединенных Штатах, где взят курс на возрождение американского величия во всех сферах деятельности, и в Китае, бросающем вызов американской гегемонии, и в Евросоюзе, который всеми силами пытается сохранить свой вес в глобальной экономике.
Там существует промышленная политика и всерьез занимаются развитием собственного научно-технического и производственного потенциала, а космическая сфера может стать наилучшим полигоном для отработки новых технологий и для доказательства или опровержения научных гипотез, способных заложить основу для создания принципиально иной более совершенной техники будущего.
И вполне естественно ожидать, что США будет первой страной, где возобновятся проекты исследования дальнего космоса с целью создания уникальных инновационных технологий как в области вооружений, транспорта и конструкционных материалов, так и в биомедицине и в сфере телекоммуникаций
Правда, ни даже Соединенным Штатам, успех на пути создания революционных технологий не гарантирован. Есть высокий риск оказаться в тупике, совершенствуя ракетные двигатели полувековой давности на основе химического топлива, как это делает компания SpaceX Илона Маска, или, создавая системы жизнеобеспечения длительного перелета похожие на те, что уже реализованы на МКС.
Может ли Россия, чья стагнация в космической сфере с каждым годом становится заметнее, совершить рывок в гонке за будущее технологическое лидерство, чтобы оставаться в клубе сверхдержав, а не в списке развивающихся стран?
Да, безусловно, Россия может, и более того, заметный шаг вперед уже сделан в ядерной энергетике и в технологиях ядерных ракетных двигателей, несмотря на хроническое недофинансирование космической отрасли.
Будущее космонавтики — это использование ядерной энергии. Чтобы понять, как связаны ядерные технологии и космос, необходимо рассмотреть основные принципы реактивного движения.
Итак, основные типы современных космических двигателей созданы на принципах химической энергетики. Это твердотопливные ускорители и жидкостные ракетные двигатели, в их камерах сгорания компоненты топлива (горючее и окислитель) вступая в экзотермическую физико-химическую реакцию горения, формируют реактивную струю, ежесекундно выбрасывающую из сопла двигателя тонны вещества. Кинетическая энергия рабочего тела струи преобразуется в реактивную силу, достаточную для движения ракеты. Удельный импульс (отношение создаваемой тяги к массе используемого топлива) таких химических двигателей зависит от компонентов топлива, давления и температуры в камере сгорания, а также от молекулярной массы газообразной смеси, выбрасываемой через сопло двигателя.
И чем выше температура вещества и давление внутри камеры сгорания, и чем ниже молекулярная масса газа, тем выше удельный импульс, а значит и эффективность двигателя. Удельный импульс — это количество движения, и его принято измерять в метрах в секунду, также как и скорость.
В химических двигателях наибольший удельный импульс дают топливные смеси кислород-водород и фтор-водород (4500–4700 м/с), но самыми популярными (и удобными в эксплуатации) стали ракетные двигатели, работающие на керосине и кислороде, например двигатели «Союзов» и ракет «Falcon» Маска, а также двигатели на несимметричном диметилгидразине (НДМГ) с окислителем в виде смеси тетраоксида азота и азотной кислоты (советский и российский «Протон», французский «Ариан», американский «Титан»). Их эффективность в 1.5 раза ниже, чем у двигателей на водородном топливе, но и импульса в 3000 м/с и мощности вполне достаточно, для того, чтобы было экономически выгодно выводить тонны полезной нагрузки на околоземные орбиты.
Но полеты к другим планетам требуют намного большего размера космических кораблей, чем все, что были созданы человечеством ранее, включая модульную МКС. В этих кораблях необходимо обеспечивать и длительное автономное существование экипажей, и определенный запас топлива и ресурс работы маршевых двигателей и двигателей для маневров и коррекции орбит, предусмотреть доставку космонавтов в специальном посадочном модуле на поверхность иной планеты, и возврат их на основной транспортный корабль, а затем и возвращение экспедиции на Землю.
Накопленные инженерно-технические знания и химическая энергетика двигателей позволяют вернуться на Луну и достигнуть Марса, поэтому велика вероятность, что в следующем десятилетии человечество побывает на Красной планете.
Если опираться только на имеющиеся космические технологии, то минимальная масса обитаемого модуля для пилотируемого полета к Марсу или к спутникам Юпитера и Сатурна составит примерно 90 тонн, что в 3 раза больше, чем лунные корабли начала 1970-х, а значит, ракеты-носители для их выведения на опорные орбиты для дальнейшего полета к Марсу будут намного превосходить «Сатурн-5» (стартовая масса 2965 тонн) лунного проекта «Аполлон» или советский носитель «Энергия» (стартовая масса 2400 тонн). Потребуется создать на орбите межпланетный комплекс массой до 500 тонн. Полет на межпланетном корабле с химическими ракетными двигателями потребует от 8 месяцев до 1 года времени только в одну сторону, потому что придется делать гравитационные маневры, используя для дополнительного разгона корабля силу притяжения планет, и колоссального запаса топлива.
Но используя химическую энергию ракетных двигателей дальше орбиты Марса или Венеры человечество не улетит. Нужны другие скорости полета космических кораблей и иная более мощная энергетика движения.

Современный проект ядерного ракетного двигателя Princeton Satellite Systems

Для освоения дальнего космоса необходимо значительно повысить тяговооруженность и эффективность ракетного двигателя, а значит увеличить его удельный импульс и ресурс работы. А для этого необходимо внутри камеры двигателя нагреть газ или вещество рабочего тела с низкой атомной массой до температур, в несколько раз превосходящих температуру химического горения традиционных топливных смесей, и сделать это можно с помощью ядерной реакции.
Если вместо обычной камеры сгорания внутрь ракетного двигателя поместить ядерный реактор, в активную зону которого будет подаваться вещество в жидком или газообразном виде, то оно, разогреваясь под большим давлением до нескольких тысяч градусов, начнет выбрасываться через канал сопла, создавая реактивную тягу. Удельный импульс такого ядерного реактивного двигателя будет в несколько раз больше, чем у обычного на химических компонентах, а значит многократно увеличится эффективность как самого двигателя, так и ракеты-носителя в целом. Окислитель для горения топлива при этом не потребуется, а в качестве вещества, создающего реактивную тягу, может быть использован легкий газ водород, мы же знаем, что чем меньше молекулярная масса газа, тем выше импульс, а это позволит намного уменьшить массу ракеты при лучших характеристиках мощности двигателя.
Ядерный двигатель будет лучше обычного, поскольку в зоне реактора легкий газ может нагреваться до температур, превышающих 9 тысяч градусов Кельвина, и струя такого перегретого газа обеспечит намного больший удельный импульс, чем могут дать обычные химические двигатели. Но это в теории.
Опасность даже не в том, что при старте ракеты-носителя с такой ядерной установкой может произойти радиоактивное загрязнение атмосферы и пространства вокруг пусковой площадки, основная проблема, что при высоких температурах может расплавиться сам двигатель вместе с космическим кораблем. Конструкторы и инженеры это понимают и уже несколько десятилетий пытаются найти подходящие решения.
У ядерных ракетных двигателей (ЯРД) есть уже своя история создания и эксплуатации в космосе. Первые разработки ядерных двигателей начались в середине 1950-х годов, то есть еще до полета человека в космос, и практически одновременно и в СССР и в США, а сама идея использовать ядерные реакторы для нагрева рабочего вещества в ракетном двигателе родилась вместе с первыми ректорами в середине 40-х годов, то есть больше 70 лет назад.
В нашей стране инициатором создания ЯРД стал ученый-теплофизик Виталий Михайлович Иевлев. В 1947 году он представил проект, который был поддержан С. П. Королевым, И. В. Курчатовым и М. В. Келдышем. Изначально планировалось использовать такие двигатели для крылатых ракет, а затем ставить и на баллистические ракеты. Разработкой занялись ведущие оборонные КБ Советского Союза, а также научно-исследовательские институты НИИТП, ЦИАМ, ИАЭ, ВНИИНМ.
Советский ядерный двигатель РД-0410 был собран в середине 60-х воронежском «Конструкторском бюро химавтоматики», где создавалось большинство жидкостных ракетных двигателей для космической техники.
В качестве рабочего тела в РД-0410 использовался водород, который в жидком виде проходил через «рубашку охлаждения», отводя лишнее тепло от стенок сопла и не давая ему расплавиться, а затем поступал в активную зону реактора, где нагревался до 3000К и выбрасывался через канал сопла, преобразуя, таким образом, тепловую энергию в кинетическую и создавая удельный импульс в 9100 м/с.
В США проект ЯРД был запущен в 1952 году, а первый действующий двигатель был создан в 1966 году и получил название NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). В 60-х — 70-х годах Советский Союз и США старались не уступать друг другу.
Правда и наш РД-0410, и американский NERVA были твердофазными ЯРД, (ядерное топливо на основе карбидов урана находилось в реакторе в твердом состоянии), и их рабочая температура была в пределах 2300–3100К.
Чтобы увеличить температуру активной зоны без риска взрыва или расплавления стенок реактора, необходимо создать такие условия ядерной реакции, при которых топливо (уран) переходит в газообразное состояние или превращается в плазму и удерживается внутри реактора за счет сильного магнитного поля, не касаясь при этом стенок. А дальше водород, поступающий в активную зону реактора, «обтекает» находящийся в газовой фазе уран, и превращаясь в плазму, с очень высокой скоростью выбрасывается через канал сопла.
Этот тип двигателя получил название газофазного ЯРД. Температуры газообразного уранового топлива в таких ядерных двигателях могут находиться в диапазоне от 10 тысяч до 20 тысяч градусов Кельвина, а удельный импульс достигать 50000 м/с, что в 11 раз выше, чем у самых эффективных химических ракетных двигателей.
Создание и использование в космической технике газофазных ЯРД открытого и закрытого типов — это наиболее перспективное направление развития космических ракетных двигателей и именно то, что необходимо человечеству для освоения планет Солнечной системы и их спутников.
Первые исследования по проекту газофазного ЯРД начались в СССР в 1957 году в НИИ тепловых процессов (НИЦ имени М. В. Келдыша), а само решение о разработке ядерных космических энергоустановок на основе газофазных ядерных реакторов было принято в 1963 году академиком В. П. Глушко (НПО Энергомаш), а затем утверждено постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР.
Разработка газофазного ЯРД велась в Советском Союзе два десятилетия, но, к сожалению, так и не была завершена из-за недостаточного финансирования и необходимости дополнительных фундаментальных исследований в области термодинамики ядерного горючего и водородной плазмы, нейтронной физики и магнитной гидродинамики.
Советские ученые-ядерщики и инженеры-конструкторы столкнулись с рядом проблем, таких как достижение критичности и обеспечение устойчивости работы газофазного ядерного реактора, снижение потерь расплавленного урана при выбросе водорода, разогретого до нескольких тысяч градусов, теплозащита сопла и генератора магнитного поля, накопление продуктов деления урана, выбор химически стойких конструкционных материалов и пр.
А когда для советской программы «Марс-94» первого пилотируемого полета на Марс начала создаваться ракета-носитель «Энергия», проект ядерного двигателя был отложен на неопределенный срок. Советскому Союзу не хватило совсем немного времени, а главное политической воли и эффективности экономики, чтобы осуществить высадку наших космонавтов на планету Марс в 1994 году. Это было бы бесспорным достижением и доказательством нашего лидерства в высоких технологиях в течение следующих нескольких десятилетий. Но космос, как и многое другое, был предан последним руководством СССР. Историю уже не изменить, ушедших ученых и инженеров не вернуть, а утраченные знания не восстановить. Очень многое придется создавать заново.
Но космическая ядерная энергетика не ограничивается только сферой твердо- и газофазных ЯРД. Для создания нагретого потока вещества в реактивном двигателе можно использовать электрическую энергию. Эту идею первым высказал Константин Эдуардович Циолковский еще в 1903 году в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами».
А первый электротермический ракетный двигатель в СССР был создан в 1930-х годах Валентином Петровичем Глушко — будущим академиком АН СССР и руководителем НПО «Энергия».
Принципы работы электрические ракетных двигателей могут быть различными. Обычно их принято делить на четыре типа:

электротермические (нагревные или электродуговые). В них газ нагревается до температур 1000–5000К и выбрасывается из сопла точно также как и в ЯРД.

электростатические двигатели (коллоидные и ионные), в которых сначала происходит ионизация рабочего вещества, а затем положительные ионы (атомы, лишенные электронов) ускоряются в электростатическом поле и также выбрасываются через канал сопла, создавая реактивную тягу. К электростатическим относятся также и стационарные плазменные двигатели.

магнитоплазменные и магнитодинамические ракетные двигатели. Там газовая плазма ускоряется за счет силы Ампера в пересекающихся перпендикулярно магнитном и электрическом полях.

импульсные ракетные двигатели, в которых используется энергия газов, возникающих при испарении рабочего тела в электрическом разряде.

Плюсом этих электрических ракетных двигателей является низкий расход рабочего тела, КПД до 60% и высокая скорость потока частиц, что позволяет значительно сократить массу космического аппарата, но есть и минус — малая плотность тяги, а соответственно низкая мощность, а также дороговизна рабочего тела (инертные газы или пары щелочных металлов) для создания плазмы.
Все перечисленные типы электродвигателей реализованы на практике и многократно использовались в космосе и на советских и на американских аппаратах начиная с середины 60-х годов, но из-за своей малой мощности применялись в основном в качестве двигателей коррекции орбит.
С 1968 по 1988 годы в СССР была запущена целая серия спутников «Космос» с ядерными установками на борту. Типы реакторов носили названия: «Бук», «Топаз» и «Енисей».
Реактор проекта «Енисей» обладал тепловой мощностью до 135 кВт и электрической мощностью порядка 5 кВт. Теплоносителем являлся натрий-калиевый расплав. Этот проект был закрыт в 1996 году.
Для настоящего маршевого ракетного электродвигателя требуется очень мощный источник энергии. И лучшим источником энергии для таких космических двигателей является ядерный реактор.
Ядерная энергетика — одна из высокотехнологичных отраслей, где наша страна сохраняет лидирующие позиции. И принципиально новый ракетный двигатель в России уже создается и этот проект близок к успешному завершению в 2018 году. Летные испытания намечена на 2020 год.
И если газофазный ЯРД — это тема будущих десятилетий к которой предстоит вернуться после проведения фундаментальных исследований, то его сегодняшняя альтернатива — это ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ), и она уже создается предприятиями Росатома и Роскосмоса с 2009 года.
В создании ядерного энергодвигателя и транспортно-энергетического модуля принимают участие НПО «Красная звезда», которое на сегодняшний день является единственным в мире разработчиком и изготовителем космических ядерных энергетических установок, а также Исследовательский центр им. М. В. Келдыша, НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля, «НИИ НПО «Луч», «Курчатовский институт», ИРМ, ФЭИ, НИИАР и НПО Машиностроения.
Ядерная энергодвигательная установка включает в себя высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор на быстрых нейтронах с системой турбомашинного преобразования тепловой энергии в электрическую, систему холодильников-излучателей для отвода избыточного тепла в космос, приборно-агрегатный отсек, блок маршевых плазменных или ионных электродвигателей и контейнер для размещения полезной нагрузки.
В энергодвигательной установке ядерный реактор служит источником электроэнергии для работы электрических плазменных двигателей, при этом газовый теплоноситель реактора, проходящий через активную зону, попадает в турбину электрогенератора и компрессора и возвращается обратно в реактор по замкнутому контуру, а не выбрасывается в пространство как в ЯРД, что делает конструкцию более надежной и безопасной, а значит пригодной для пилотируемой космонавтики.
Планируется, что ядерная энергодвигательная установка будет применяться для многоразового космического буксира для обеспечения доставки грузов при освоении Луны или создания многоцелевых орбитальных комплексов. Плюсом будет являться не только многоразовое использование элементов транспортной системы (чего пытается добиться Илон Маск в своих космических проектах SpaceX), но и возможность доставки в три раза большей массы грузов, чем на ракетах с химическими реактивными двигателями сопоставимой мощности за счет уменьшения стартовой массы транспортной системы. Особая конструкция установки делает ее безопасной для людей и окружающей среды на Земле.
В 2014 году на ОАО «Машиностроительный завод» в г. Электросталь был собран первый тепловыделяющий элемент (твэл) штатной конструкции для этой ядерной электродвигательной установки, а в 2016 проведены испытания имитатора корзины активной зоны реактора.
Сейчас (в 2017 году) ведутся работы по изготовлению элементов конструкции установки и тестирование узлов и агрегатов на макетах, а также автономные испытания систем турбомашинного преобразования энергии и прототипов энергоблоков. Завершение работ запланировано на конец следующего 2018 года, правда, с 2015 года начало накапливаться отставание от графика.
Итак, как только эта установка будет создана, Россия станет первой в мире страной обладающей ядерными космическими технологиями, которые лягут в основу не только будущих проектов освоения Солнечной системы, но и земной и внеземной энергетики. Космические ядерные энергетические установки можно будет использовать для создания систем дистанционной передачи электроэнергии на Землю или на космические модули с помощью электромагнитного излучения. И это тоже станет передовой технологией будущего, где наша страна будет иметь лидирующие позиции.
На основе разрабатываемых плазменных электродвигателей будут созданы мощные двигательные установки для дальних полетов человека в космос и в первую очередь для освоения Марса, достичь орбиты которого можно будет всего за 1,5 месяца, а не за год с лишним, как при использовании обычных химических реактивных двигателей.
А будущее всегда начинается с революции в энергетике. И никак иначе. Энергетика первична и именно величина энергопотребления влияет на технический прогресс, на обороноспособность и на качество жизни людей.

Экспериментальный плазменный ракетный двигатель NASA

Советский астрофизик Николай Кардашёв еще в 1964 году предложил шкалу развития цивилизаций. Согласно этой шкале уровень технологического развития цивилизаций зависит от количества энергии, которое население планеты использует для своих нужд. Так цивилизация I типа использует все доступные ресурсы, имеющиеся на планете; цивилизация II типа — получает энергию своей звезды, в системе которой находится; а цивилизация III типа пользуется доступной энергией своей галактики. Человечество пока не доросло до цивилизации I типа по этой шкале. Мы используем лишь 0.16% всего объема потенциального энергетического запаса планеты Земля. А значит, и России и всему миру есть куда расти, и эти ядерные технологии откроют нашей стране дорогу не только в космос, но и будущее экономическое процветание.
И, возможно, единственный вариант для России в научно-технической сфере — это совершить сейчас революционный прорыв в ядерных космических технологиях для того чтобы одним «прыжком» преодолеть многолетнее отставание от лидеров и оказаться сразу у истоков новой технологической революции в очередном цикле развития человеческой цивилизации. Такой уникальный шанс выпадает той или иной стране лишь один раз в несколько столетий.
К сожалению, Россия, не уделявшая в последние 25 лет должного внимания фундаментальным наукам и качеству высшего и среднего образования, рискует навсегда упустить этот шанс, если программа окажется свернутой, а на смену нынешним ученым и инженерам не придет новое поколение исследователей. Геополитические и технологические вызовы, с которыми столкнется Россия уже через 10–12 лет, будут очень серьезными, сопоставимыми с угрозами середины ХХ века. Чтобы сохранить суверенитет и целостность России в будущем уже сейчас необходимо срочно начинать подготовку специалистов, способных на эти вызовы отвечать и создавать что-то принципиально новое.
Есть лишь примерно 10 лет на то, чтобы превратить Россию в мировой интеллектуально-технологический центр, и без серьезного изменения качества образования это сделать невозможно. Для научно-технологического прорыва необходимо вернуть системе образования (и школьной и ВУЗовской) системность взглядов на картину мира, научную фундаментальность и мировоззренческую целостность.
А что касается нынешнего застоя в космической отрасли, то это не страшно. Физические принципы, на которых основаны современные космические технологии будут еще долго востребованы сектором обычных спутниковых услуг. Вспомним, что человечество использовало парус на протяжении 5.5 тысяч лет, а эпоха пара длилась почти 200 лет, и лишь в ХХ веке мир начал стремительно меняться, потому что произошла очередная научно-техническая революция, запустившая волну инноваций и смену технологических укладов, что в итоге изменило и мировую экономику и политику. Главное, оказаться у истоков этих изменений.

«ОКБ Факел» — изготовитель плазменных двигателей в России

На «ОКБ Факел» / Фото: ic.pics.livejournal.com

Гигантские звездолеты с призрачно светящимися двигателями стали одним из постоянных атрибутов космической фантастики. В то же время плазменные двигатели уже полвека успешно используются в настоящей космонавтике, и российские разработчики являются одними из мировых лидеров. Мне удалось посетить калининградское предприятие «ОКБ Факел» и увидеть, как создаются стационарные плазменные двигатели.

Стационарные плазменные двигатели / Фото: ic.pics.livejournal.com

Стационарный плазменный двигатель (СПД) — это одна из разновидностей электроракетного двигателя, где электрическая энергия используется для ионизации газа и придания полученной плазме высокой скорости истечения из «сопла».

Изображение; ic.pics.livejournal.com

У такого двигателя нет топлива в привычном понимании, т.е. горючего и окислителя, необходимого для химической реакции с выделением тепла. СПД подходит практически любой газ, но лучше использовать химически неактивные и с высокой атомной массой, вроде аргона или ксенона. Плазменные двигатели обеспечивают очень высокую скорость выбрасываемой струи газа, например, для ксенона это около 30 км/с. Для сравнения, скорость выброса газа у одного из самых эффективных химических ракетных двигателей — кислород-водородного — около 4,5 км/с. Преимуществом химических двигателей является способность выбрасывать сразу много газа, что дает большую тягу. СПД же требует мощного источника электрической энергии, и даже с ним способен выбрасывать лишь незначительную массу газа за момент времени, то есть имеет очень малую тягу и требует много времени на разгон и торможение. Плазменные двигатели применяются только в космосе: оснащенные ими космические аппараты имеют относительно малый запас рабочего тела и большой размах солнечных батарей.

О возможностях использования электроракетных двигателей задумывались еще в начале XX века, но к первым испытаниям в космосе перешли только в 60-е годы. В 1972 году в системе ориентации советского спутника «Метеор» использовались два электроракетных двигателя: ионный и стационарный плазменный. СПД показал себя лучше, и советские специалисты сконцентрировались на этой разновидности. В создании экспериментальных образцов принимали участие специалисты «ОКБ Факел», и с того времени предприятие стало специализироваться на производстве двигателей такого типа, развивать и совершенствовать технологию.

В начале XXI века калининградский СПД-100 прошел успешные испытания на лунном спутнике Европейского космического агентства Smart-1.

Изображение; ic.pics.livejournal.com

После успешного полета к Луне европейские производители коммерческих геостационарных спутников стали закупать российские двигатели и создавать новые поколения спутников. Ранее на спутниках-ретрансляторах использовались химические двигатели на токсичном гидразине. Применение российских СПД открыло возможность создания т.н. «полностью электрических спутников», на которых уже не было химической тяги.

Калининградские СПД имеют довольно небольшой размер, но цикл их производства всё же требует немалых производственных площадей.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Разработчики «ОКБ Факел» активно сотрудничают с европейскими производителями и даже помогали французам сделать свой двигатель. Однако на предприятии строжайшие нормы безопасности. Фотосъемка на экскурсии была запрещена сотрудниками службы безопасности, а кадры использованные в репортаже, сняли позже сотрудники пресс-службы по моей просьбе.

На «ОКБ Факел» наглядно видна преемственность поколений.

Молодые работают рядом с опытными специалистами.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Кульманы давно заменены на САПР «Компас-3D» для разработки трехмерных моделей и выпуска конструкторской документации.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Цех механической обработки открывается современными станками ЧПУ.

Фото: ic.pics.livejournal.com

«В некоторых случаях у нас токари пишут программы сами, — говорит генеральный конструктор предприятия Евгений Космодемьянский. — И я понимаю, что пришло время выбросить свое удостоверение токаря второго разряда».

Однако в глубине зала работа идет на универсальных станках, где роль ручного труда сохраняет значение, и мои надежды на космическую карьеру возрождаются.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Необходимый этап создания космического двигателя — испытание. Для проверки СПД требуется смоделировать условия космоса, прежде всего вакуум.

Вакуумные камеры кажутся огромными для таких небольших двигателей. Они пригодны для испытания всей линейки двигателей, которые производят на «ОКБ Факел».

Фото: ic.pics.livejournal.com

В советские времена здесь разрабатывали самый мощный двигатель в своем классе — СПД-290. Сейчас создается сравнимый по мощности СПД-230.

Своими глазами работу плазменного двигателя увидеть, к сожалению, не удалось, но фото нам предоставили.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Недавно «Роскосмос» показал классное видео с бортовых камер спутника Egyptsat-A, созданного в «РКК Энергия».

На этих кадрах, пожалуй, впервые миру показана работа плазменных двигателей СПД-70 в космосе.

Возможно, моя фраза про мировое лидерство «ОКБ Факел» может показаться излишне пафосной, но практика
показывает правоту этих слов. Space System/Loral, Airbus — это одни из самых крупных производителей коммерческих спутников связи в мире, и они берут калининградские СПД. А совсем недавно заключен вероятно самый большой контракт в истории мирового спутникостроения — на несколько сотен модернизированных двигателей СПД-50М.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Когда проходила моя экскурсия сотрудники предприятия не признавались кто заказчик ссылаясь на соглашение о неразглашении. Позже информация попала в СМИ
и теперь мы знаем, что это OneWeb. Проект низкоорбитального спутникового интернета предполагает запуск почти тысячи космических аппаратов в течение трех-четырех лет. И на каждом спутнике будет российский плазменный двигатель.

Новый заказ требует перестройки всего производства, ведь надо создавать практически по двигателю в день. Специалистов на работу набирают
даже из других городов. Такой нагрузки не было никогда, поэтому под проект OneWeb провели модернизацию с новыми станками ЧПУ и оборудовали новое современное чистое помещение для сборки.

Фото: ic.pics.livejournal.com

За каждым столом собирается по двигателю.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Готовые изделия запираются в специальном шкафу, где поддерживается определенный режим температуры и влажности.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Работа почти ювелирная и неподготовленным взглядом воспринимается непривычно. Обычно под сборкой космических двигателей понимается что-то более масштабное.

Зато в результате получаются вот такие красавцы.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Финальный этап экскурсии — музей предприятия. Здесь первым делом показывают историческую гордость, «лунный камин» — макет радиоизотопного теплогенератора, который был установлен на советских «Луноход-1» и «Луноход-2» и согревал электронику в холодные лунные ночи.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Разумеется, музейный образец не начинен полонием и не радиоактивен.

Еще одно направление производимых «ОКБ Факел» двигателей для космических аппаратов — термокаталитические. Они требуют химического топлива, но его разложение до газообразных компонентов происходит при помощи металлического катализатора, размещенного внутри двигателя. Для повышения интенсивности реакции катализатор нагревается подобно спирали электроплитки.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Термокаталитические двигатели имеют меньшую эффективность чем плазменные или даже химические двухкомпонентные, зато они позволяют создать более простую топливную систему. Обычно такие двигатели используются для ориентирования космических аппаратов и располагаются в блоках по несколько штук.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Особый интерес вызывает один музейный образец — стационарный плазменный двигатель, прошедший длительные испытания в вакуумной камере. Тысячи часов работы приводят к деградации поверхности двигателя под воздействием плазмы.

Фото: ic.pics.livejournal.com

Такие испытания позволяют повышать ресурс двигателей. Сейчас СПД обеспечивают гарантированную работу в течение нескольких тысяч часов. И, по словам представителей «ОКБ Факел», этот ресурс многократно подтвержден заказчиками, и новые заказы лучше всего говорят о качестве.

Хотелось бы приурочить эту публикацию к Дню космонавтики, чтобы не на словах, а на примере «ОКБ Факел» показать, что у нас есть космос, надо просто уметь его готовить.

Выражаю признательность пресс-службе и сотрудникам «ОКБ Факел» и компании «Аскон» за большую помощь в подготовке материала.

МОСКВА, сайт zelenyikot.livejournal.com
1

Оригинал

Наш двигатель — ракетная компания Ad Astra

Двигатель VASIMR®

Усовершенствованная электрическая двигательная установка

Магнитоплазменный ракетный двигатель с переменным удельным импульсом (VASIMR®) — это флагманский проект Ad Astra, революционная разработка в области космических двигателей. Это продукт более чем 25-летнего исследования и разработок НАСА и Министерства энергетики (DoE) в области физики плазмы и технологии космических двигателей, а также 15-летнего развития дополнительных технологий в частном секторе компанией Ad Astra Rocket.

Двигатель VASIMR® — это мощный электрический ракетный двигатель, подходящий для широкого круга задач; от экономически устойчивых логистических операций в окололунном пространстве до высокоскоростного транспорта в дальнем космосе.

В двигателе VASIMR мощные радиочастотные (РЧ) волны запускаются специальными антеннами (мы называем их «ответвителями»), намотанными на керамическую трубку, куда подается пропеллент. RF ионизирует газ, превращая его в плазму (очень горячий электрически заряженный газ). Сильное внешнее магнитное поле ограничивает, направляет и, в конечном счете, ускоряет плазму, позволяя ей уйти, чтобы обеспечить полезную ракетную тягу.

VASIMR® может изменить наш способ передвижения в космосе, сделав его более экономичным, экономичным и экологичным, а также открыв новые возможности для космической экономики.

Технический обзор

Электрические плазменные ракеты в целом и двигатель VASIMR® в частности могут работать при гораздо более высоких температурах, чем химические ракеты. В то время как обычные химические ракеты работают при температуре в тысячи градусов, электрические плазменные двигатели работают при температуре в миллионы! Это важно. Чем горячее выхлоп ракеты, тем быстрее он выходит из двигателя и тем экономичнее ракета. В ракетной терминологии скорость выхода выхлопных газов из двигателя выражается числом 9.0019 Удельный импульс (Isp) и измеряется в секундах. Для сравнения, лучшая из доступных сегодня химических ракет имеет Isp 500 с, тогда как двигатель VASIMR® может достигать 5000 с и выше.

Уникальность двигателя VASIMR® заключается во многих особенностях его конструкции. Вот некоторые из них:

Без движущихся частей . В отличие от большинства химических ракет, которым нужны сложные насосы и турбомашины, VASIMR® не имеет движущихся частей. Он состоит из двухступенчатого ядра ракеты, каждая ступень имеет свой собственный радиочастотный (РЧ) ответвитель. Плазма создается на первом этапе и дополнительно нагревается радиочастотными волнами на втором этапе. Магнитное сопло ускоряет горячую плазму для создания полезной тяги.
Переменная I sp и тяга при постоянной мощности . Уникальной особенностью двигателя VASIMR® по сравнению с другими ракетами является его способность изменять параметры выхлопа, тяги и удельного импульса (Isp) при работе на фиксированном уровне полной мощности. Мы называем этот метод «Дросселирование с постоянной мощностью» (CPT), функция похожа на переключение передач в автомобиле. Пониженная передача приводит к высокой тяге, низкой скорости и большому расходу топлива, а высокая передача связана с высокой скоростью, низким расходом топлива, но малой тягой. Поскольку автомобиль переключает передачи для оптимизации расхода топлива при движении по холмистой местности, двигатель VASIMR® использует CPT для оптимальной эффективности при движении по гравитационным холмам и долинам межпланетного пространства.

Большинство электрических ракет могут изменять свой удельный импульс (Isp ) путем изменения ускоряющего напряжения.

Однако при этом они также неохотно изменяют настройку мощности двигателя, что нежелательно. В двигателе VASIMR® изменение осуществляется без изменения общей мощности за счет изменения только доли этой мощности, поступающей на каждую ступень. Для высокой тяги мощность направляется преимущественно на первую ступень, производящую больше плазмы (большую тягу) при более низкой скорости истечения (низкий Isp). При высоком Isp меньше мощности подается на первую ступень и больше на вторую, что снижает производство плазмы, но увеличивает ее температуру и, следовательно, скорость истечения.

Высокая удельная мощность. Полная намагниченность ионов и электронов позволяет ракете VASIMR® управлять более плотной плазмой, чем другие электрические ракеты, такие как ионные двигатели или двигатели Холла. Это приводит к более компактной и менее массивной конструкции. Ионные двигатели с сеткой обычно не имеют намагниченности, тогда как двигатели Холла демонстрируют только электронную намагниченность. Удельная мощность двигателя VASIMR® составляет 6 МВт/м2 по сравнению с 0,2 МВт/м2 для двигателей Холла и 0,04 МВт/м2 для ионных двигателей с сеткой.
Без электродов. Ракета VASIMR® не имеет встроенных в плазму электродов, которые могут разрушаться Отказ от физических электродов имеет первостепенное значение для обеспечения надежности и долговечности.
Нейтрализатор не требуется. Традиционные электрические ракеты, такие как ионные двигатели и двигатели Холла, представляют собой электростатические ускорители. Положительные ионы из плазмы извлекаются и ускоряются через высоковольтный промежуток. Однако полученный ионный пучок необходимо нейтрализовать, чтобы ракета не стала отрицательно заряженной из-за дисбаланса заряда, что заставит ионы вернуться обратно. Эта нейтрализация осуществляется с помощью внешнего «нейтрализатора», который распыляет на ионный пучок равное количество отрицательных электронов, чтобы сделать поток нейтральным. Ракета VASIMR® не требует такого нейтрализатора. В то время как ионы (будучи более массивными) действительно обеспечивают основную часть тяги, как ионные, так и электронные популяции в плазме должны течь вместе, и любой дисбаланс заряда самокорректируется, чтобы удовлетворить физическое требование, согласно которому плазма должна быть по существу нейтральной.
Может использовать несколько порохов . VASIMR работает со многими различными газами и даже их смесями. Различные виды топлива полезны для разных типов миссий. Для мощных ядерных электрических двигателей и межпланетных путешествий мы могли бы использовать водород (хранящийся в виде жидкого водорода обеспечивает очень хорошую радиационную защиту для людей). Для роботизированных миссий с солнечной электроэнергией, ближе к среде Земля-Луна, лучше всего подходит аргон. Цена топлива является важным фактором в космической экономике, поддерживаемой электрическим двигателем. При цене 1000 долларов за кг ксенон, предпочтительное топливо для ионных двигателей и двигателей Холла, слишком дорог. В двигателе VASIMR® используется аргон, который при цене 5 долларов США за кг является значительно более экономичным.

Как это работает

Механизмы работы

Как это работает

Как уже говорилось выше, VASIMR® представляет собой мощный электрический плазменный двигатель. Механизм, лежащий в основе того, как это работает, на самом деле довольно прост. Газ — мы обычно используем аргон, но успешно провели испытания с гелием, водородом, неоном, криптоном и другими — вводится в то, что мы называем «ядро ракеты». Ядро ракеты разделено на 3 ступени. В первом газ впрыскивается и нагревается с помощью радиочастотного (РЧ) соединителя для образования плазмы. По мере того, как эта плазма переходит на вторую ступень, на нее воздействует большая ВЧ-мощность (от второго ВЧ-ответвителя), которая возбуждает плазму. Энергия плазмы преобразуется в высокую скорость истечения на третьей ступени, магнитном сопле, и выбрасывается для обеспечения тяги ракеты.

Одним из захватывающих аспектов работы с движком VASIMR® являются творческие инновации.

Наш двигатель производит очень горячий выхлоп. Температура выхлопа VASIMR® составляет от 1 до 5 миллионов градусов. Обычно такие температуры невозможно удержать в канале из обычного материала, однако, поскольку ядро нашей ракеты окружено сверхпроводящим магнитом, который создает магнитное поле внутри ядра, плазма не вступает в контакт с какой-либо физической структурой. Практически нет предела тому, насколько горячими мы можем сделать выхлоп.

Наш двигатель электрический, а это означает, что для работы нам нужен источник электроэнергии.

VASIMR® может работать с различными источниками питания; для испытаний, которые мы провели на земле, мы используем электроэнергию из сети, мы считаем, что для полетов между низкой околоземной орбитой и Луной солнечные панели были бы практичным вариантом для питания наших двигателей, и по мере развития ядерной энергетики мы считаем, что это также может обеспечить устойчивый вариант электроэнергии для путешествий в дальний космос.

Технические характеристики движка

Настоящая красота этого движка заключается в его универсальности и масштабируемости. Во-первых, это просто двигатель, то есть его можно поместить под любой метафорический «капот». Это позволяет нам работать со многими различными компаниями и государственными учреждениями. Гибкость работы с различными видами топлива также позволяет выполнять различные типы миссий с одной и той же платформой двигателя. Кроме того, его масштабируемость от сотен киловатт до нескольких мегаватт делает его пригодным для роботизированных, солнечных электрических грузов, а также для перевозки людей в дальний космос с использованием ядерной электроэнергии.

Ниже приведены технические характеристики двигателя VASIMR® мощностью 200 кВт, использующего аргон в качестве топлива.

% Эффективность двигателя

(Н) Упорный

5000

SEC Удельный импульс (Isp)

Определяющие характеристики

Эффективность

Эффективность двигателя VASIMR®, определяемая как отношение выходной реактивной мощности к входной RF, составляет 73% при уровне мощности 200 кВт, очень конкурентоспособная производительность по сравнению с другими электрическими подруливающими устройствами, что в сочетании с другими его характеристиками делает двигатель VASIMR® экономически эффективным вариантом для приложений с высокой мощностью.

Универсальность

Одной из наиболее недооцененных характеристик VASIMR является его универсальность. На уровне продукта это просто двигатель, то есть он может работать под любым метафорическим «капотом». В качестве электрического двигателя он может быть настроен на получение электроэнергии из различных источников или их комбинации (батареи, солнечные батареи, ядерные электрические реакторы). Он может использовать различные типы топлива (аргон, водород, неон, криптон и многие другие). В конечном счете, из-за всех этих других вариаций его можно использовать в качестве двигательной установки для множества различных приложений/миссий.

Высокомощный

В отличие от других электрических ракетных двигателей, которые существуют и работают в космосе сегодня, двигатель VASIMR®, естественно, является двигателем большой мощности, лучше всего работающим от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Чтобы достичь высокой мощности, классические электрические двигатели должны прибегать к объединению множества двигателей меньшего размера, что увеличивает размер, сложность и массу.

Переменная Isp

Isp или удельный импульс ракетного двигателя просто показывает, насколько быстро выхлоп выходит из указанного двигателя. Чем быстрее выхлоп, тем экономичнее ракета и тем выше Isp. В то время как в большинстве ракет Isp является постоянной величиной, двигатель VASIMR® имеет возможность оптимально варьировать ее в соответствии с требованиями миссии с минимальным количеством топлива. Изменение Isp в двигателе VASIMR® достигается за счет использования нескольких видов топлива и выборочного распределения электроэнергии между двумя ступенями ракеты.

Как мы вписываемся в современную и будущую космическую экономику

Многие люди не подозревают, насколько наша повседневная жизнь зависит от космоса и спутников. Каждый раз, когда вы ищете ближайшее кафе или заправочную станцию, выполняете банковский перевод или пользуетесь банкоматом, эти действия триангулируются из космоса. Не говоря уже обо всех технологиях, которые мы используем в повседневной жизни и которые на самом деле являются продуктом освоения космоса. Технологии развиваются с поразительной скоростью, однако наши средства передвижения и пребывания в космосе не сильно продвинулись с 19 века.50-е годы.

В космосе есть работа.

Спутники, упомянутые ранее, нуждаются в обслуживании. В противном случае они станут космическим мусором. Мусор вращается вокруг Земли со скоростью 17 500 миль в час. Хламом стали не только спутники, разгонные ступени химических ракет остаются на орбите сотни лет. Мы запустили так много вещей в космос, но так и не смогли понять, как эффективно убирать за собой.

В настоящее время вокруг Земли на очень высоких скоростях вращается более полумиллиона объектов.

Столкновение с космическим мусором — одна из самых больших угроз для членов экипажа и космического корабля на орбите. Если один из этих кусков космического мусора столкнется с крупным спутником, это может привести к финансовой катастрофе, а в некоторых случаях поставить под угрозу благополучие целых сообществ. Механизм VASIMR® может помочь решить эту и многие другие проблемы, связанные с космической логистикой.

В нашей нынешней космической экономике преобладают химические двигатели с небольшой нишей на рынке маломощных электрических двигателей (также известных как ионные двигатели). Химическая тяга — единственный способ, которым мы можем подняться с Земли в космос, но в космосе этот тип тяги теряет большую часть своей эффективности.

Химические двигатели по-прежнему будут абсолютно необходимы для поддержки растущей космической экономики, однако, если мы хотим создать устойчивое и эффективное присутствие в космосе, нам необходимо разработать и внедрить мощные электрические двигатели.

Двигатель VASIMR® предлагает эффективное, экономичное, устойчивое и надежное решение для наших потребностей в космических перевозках и логистике. Это помогает открыть пространство, предоставляя больше возможностей и потенциала для будущего присутствия и исследования.

Масштабируемость VASIMR® как мощного электрического двигателя позволяет ему хорошо работать как с солнечными, так и с ядерными источниками электроэнергии, обеспечивая широкую универсальность миссии от роботизированных солнечных-электрических грузовых полетов до быстрого атомно-электрического транспорта людей для дальние космические направления, такие как Марс и за его пределами. .

После нашего дебютного космического полета двигатель VASIMR® будет готов поддерживать роботизированные солнечно-электрические логистические миссии между низкой околоземной орбитой и Луной. По мере развития ядерно-электрических технологий мы сможем масштабироваться, чтобы соответствовать им с двигателями мощностью в несколько мегаватт, что будет иметь решающее значение для открытия человеком освоения дальнего космоса.

Для нашего выживания важно научиться жить в новых условиях. У всех видов, дошедших до этого момента, есть одна общая черта: они приспосабливаются. С растущим населением в 8 миллиардов человек мы перерастаем нашу планету и вызываем большую нагрузку на окружающую среду.

Мы зашли так далеко, потому что, как и другие виды, мы адаптировались, мы эволюционировали. Мы должны продолжать делать это, чтобы обеспечить наше выживание.

Плазменный двигатель может значительно сократить время полета к внешней Солнечной системе

Я только что закончил последний сезон Пространство — мой любимый научно-фантастический сериал. В отличие от большинства других моих научно-фантастических произведений, повествование «Пространства» (пока что) в основном сосредоточено в нашей собственной Солнечной системе. В «Звездном пути» корабли летают по галактике со скоростью, превышающей скорость света, упоминая о многих световых годах (или парсеках *кашель* «Звездных войн»), не говоря уже о субсветовых путешествиях внутри самих солнечных систем. Расстояния между звездами огромны. Но для современных земных технологий сама наша Солнечная система по-прежнему огромна. Чтобы куда-то добраться, нужны годы.

В «Пространстве» корабли используют вымышленный досветовой двигатель под названием «Драйв Эпштейна», чтобы быстро перемещаться по Солнечной системе со скоростью, составляющей доли скорости света. Мы еще почти не достигли этого, но мы приближаемся к этому с анонсом нового теоретического досветового двигателя. Это не будет двигатель Эпштейна, но он может стать известен как двигатель Эбрахими — двигатель, вдохновленный термоядерными реакторами и невероятной мощностью солнечных выбросов корональной массы.

Fatima Ebrahimi в своем кабинете c, Elle Starkman

Flip and Burn

Ракетные двигатели были основой космических исследований, доставлявших людей на Луну, марсоходы на Марс и отправляющих зонды за пределы Солнечной системы. Однако, несмотря на всю их взрывную мощь, они по своей природе неэффективны и громоздки. Вы можете получить столько энергии только из ракетного топлива. В результате большая часть всего вашего космического корабля представляет собой гигантский топливный бак. Масса ракеты, предназначенной для Марса, может составлять до 78% топлива. Для снижения веса нужны более эффективные двигатели.

Измерение КПД двигателя называется «удельным импульсом» и выражается как количество секунд, в течение которых данная масса топлива может ускоряться в условиях земного притяжения. Например, если у меня есть фунт топлива, сколько секунд этот фунт топлива может разогнаться, прежде чем он будет исчерпан? Чем больше секунд сгорает топливо, тем эффективнее ваш двигатель. Удельный импульс также может быть выражен как скорость выхлопной тяги двигателя (вещества, вылетающего из его задней части) относительно самой ракеты. Одним из самых эффективных когда-либо созданных ракетных двигателей является РС-25 — основной двигатель космического корабля «Шаттл», который имел удельный импульс 453 секунды и скорость истечения 4,4 км/с — что кажется довольно быстрым!

Три главных двигателя RS-25 на борту космического корабля «Атлантис» — ок. НАСА

Выше Быстрее

Если мы хотим раздвинуть границы пилотируемого освоения космоса, нам нужно превзойти даже самые эффективные ракетные двигатели. Следующее поколение космических двигателей появилось в виде ионных двигателей. Ионные двигатели используют электромагнитные поля для ускорения заряженных частиц — ионов, которые затем выбрасываются из космического корабля, ускоряя вас в нужном направлении. Как сказал Ньютон, равные и противоположные реакции. Если вы стреляете в одну сторону, вы идете в другую. Это не обязательно должно быть ракетное топливо, это могут быть просто ионизированные газы.

Двигатель на эффекте Холла — это конструкция ионного двигателя, успешно развернутая на космических кораблях, в том числе на текущих спутниках SpaceX Starlink. В отличие от ракет, двигатели Холла могут развивать скорость истечения от 10 до 80 км/с и удельный импульс от 1000 до 8000 секунд. Однако, несмотря на огромный скачок в эффективности, эти двигатели работают в небольших масштабах, создавая небольшую общую тягу всего в несколько ньютонов силы (ньютон — это сила, необходимая для ускорения 1 кг со скоростью один метр в секунду каждую секунду). Таким образом, ионные двигатели идеально подходят для небольших роботизированных космических кораблей и спутников, но для более крупных полезных нагрузок требуется другая конструкция.

Hall Thruster в работе в Лаборатории реактивного движения НАСА – ок. НАСА/Лаборатория реактивного движения

Видео Universe Today о функционировании и работе ионных двигателей – Fraser Cain

Mass Ejection

Здесь в игру вступает новый двигатель – не ионный двигатель, а плазменный двигатель – конструкция Фатимы Эбрахими. Плазменный двигатель имеет сходные характеристики с ионным двигателем в том смысле, что он также использует электрические поля и заряженные частицы. Газы электрически заряженных частиц, также известные как плазма, считаются четвертым состоянием вещества. Горячая плазма составляет 99% видимой Вселенной состоит из звезд, подобных Солнцу, которое само по себе является гигантским шаром плазмы. Во время драматических вспышек, называемых выбросами корональной массы (КВМ), Солнце иногда выбрасывает в космос миллиарды тонн этой плазмы.

Гигантский выброс корональной массы с Солнца – ок. NASA

Физический механизм, катализирующий CME, называется магнитным пересоединением. На поверхности Солнца плазма часто направляется вдоль магнитных полей, создавая огромные петли или «протуберанцы», в несколько раз превышающие размеры Земли. Линии поля скручиваются и напрягаются под действием магнитной энергии, пока не порвутся, как резиновая лента, и снова не соединятся с другими линиями поля. Воссоединение преобразует магнитную энергию в кинетическую энергию и тепло и значительно ускоряет выброс огромных количеств плазмы в космос со скоростью сотен или даже тысяч километров в секунду.

Плазменные протуберанцы на Солнце, приводимые в движение извилистыми силовыми линиями магнитного поля – c. Плазменный двигатель НАСА

Эбрахими создает подобные магнитные пересоединения, которые мы наблюдаем в короне Солнца. Вместо постоянного потока ускоренных частиц, как в ионном двигателе, думайте об этой конструкции как о мини-CME, которые срабатывают каждые несколько миллисекунд, создавая отдельные пузырьки плазмы, называемые «плазмоидами». Эти плазмоиды истощаются, чтобы создать тягу. Смоделированный двигатель Ebrahimi достиг удельного импульса 50 000 секунд при скорости выхлопа до 500 км/с! Гораздо более высокая эффективность, чем у современных конструкций ионных двигателей. Создаваемая сила также намного выше, чем у ионных двигателей — до 100 ньютонов.

Еще одно огромное преимущество плазменного двигателя — он может работать практически на любом газе. Ионные двигатели, такие как двигатель Холла, запускаются с ограниченным запасом газа, такого как ксенон, который ионизируется для создания тяги. Процесс магнитного пересоединения плазменного двигателя более важен для общей тяги, чем тип или масса газа, используемого для генерации плазмоидов. Таким образом, ваш космический корабль может буквально дозаправиться в космосе, используя газы, найденные в камнях и астероидах, а затем продолжить свое путешествие.

«Для исследования Солнечной системы за пределами Луны и Марса необходим электромагнитный двигатель большой тяги длительностью в десятки тысяч секунд»
— Фатима Эбрахими

Звезды в бутылках

Концепция плазменного двигателя Эбрахими была вдохновлена ее работой в качестве директора физик-исследователь Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). во время наблюдения за плазмоидами в термоядерном реакторе PPPL National Spherical Torus Experiment (NSTX). В настоящее время все энергетические ядерные реакторы на Земле представляют собой реакторы деления, которые расщепляют атомы тяжелых элементов, таких как уран, для высвобождения энергии. Термоядерные реакторы работают наоборот — сплавляют более легкие элементы вместе, воспроизводя ядерные ядра звезд. У термоядерной энергии есть определенные преимущества перед делением. Реакторы деления создают радиоактивные ядерные отходы в виде отработавших топливных стержней, которые необходимо безопасно хранить в течение тысяч лет, а само урановое топливо необходимо добывать.

NSTX Камера «Торус» и потолок «зонтик», где плазма будет магнитно удерживаться во время реакции
– c. Элли Старкман/PPPL Communications

Термоядерные реакторы могут работать в основном на водороде, высвобождаемом из воды – почти неиссякаемого источника топлива – и не производят отходов, которые необходимо закапывать. Проблемой для конструкций термоядерных реакторов является сдерживание перегретой плазмы. Плазма в термоядерном реакторе может достигать сотен миллионов градусов, и требуется энергия для нагрева плазмы и создания мощных магнитных полей для сдерживания реакции. Положительные реакции чистой энергии были редки. Такие реакторы, как NSTX, создают высокоскоростные плазмоиды посредством магнитного пересоединения, которые, по наблюдениям Эбрахими, перемещались внутри реактора со скоростью более 20 км/с. Она обдумывала, как плазмоиды можно использовать в конструкции космического двигателя, что привело к ее исследованиям.

NSTX разработала компоненты и научные данные для ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор), крупнейшего в мире термоядерного реактора, который в настоящее время строится во Франции. В сотрудничестве 35 стран ИТЭР является одним из самых сложных инженерных проектов, когда-либо предпринятых. Задачей реактора является создание устойчивой реакции мощностью 500 МВт (достаточно для питания города) из входной мощности в 50 МВт к 2035 году. к реальности. Физика звезд может питать наш будущий мир, вести нас в другие миры и, возможно, доставлять нас к самим звездам.

Солнце садится над реакторным комплексом ИТЭР – звезды вдохновляют звезды. – с. EJF Riche

Подписывайтесь на Мэтью в Твиттере, чтобы узнать больше о Spacey Stories

Примечание автора. Нам было отмечено, что исходное изображение этой статьи было использовано в публичном пресс-ките без разрешения и принадлежит художнику Стиву Бургу

Новое Характеристика изображения: Экспериментальная двигательная ракета c. NASA Public Domain

Еще для изучения:

Новая концепция ракетного двигателя использует механизм солнечных вспышек | Принстонская лаборатория физики плазмы (pppl.gov)

Эбрахими, Ф. (2020). Альфвеновский плазмоидный двигатель с воссоединением. Journal of Plasma Physics, 86(6),

0614. doi:10.1017/S0022377820001476 (Оригинальная исследовательская статья. Открытый доступ)

Новый способ сделать плазменный двигатель легче и эффективнее – Universe Today

ИТЭР – путь к новой энергии

Итер: Начинается сборка крупнейшего в мире проекта ядерного синтеза – BBC News

Министерство энергетики объясняет… Токамаки | Министерство энергетики

Наука о магнитном пересоединении | НАСАКорональные выбросы массы | NOAA / NWS Центр прогнозирования космической погоды

Нравится:

Нравится Загрузка. ..

Ученые демонстрируют новую ракету для исследования дальнего космоса — ScienceDaily

Растущий интерес к исследованию дальнего космоса вызвал потребность в мощных долгоживущих ракетных системах для запуска космический корабль через космос. Ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) разработали крошечную модифицированную версию плазменной двигательной установки, называемой двигателем Холла, которая одновременно увеличивает срок службы ракеты и производит большую мощность.

Миниатюрная система, питаемая плазмой — состоянием вещества, состоящим из свободно плавающих электронов и атомных ядер или ионов — имеет диаметр немногим более дюйма и устраняет стенки вокруг плазменного двигателя для создания инновационных конфигураций двигателей. Среди этих нововведений цилиндрический двигатель Холла, впервые предложенный и исследованный в PPPL, и полностью бесстенный двигатель Холла. Обе конфигурации уменьшают эрозию канала, вызванную взаимодействием плазмы со стенками, что ограничивает срок службы двигателя — ключевую проблему для обычных кольцевых или кольцеобразных двигателей Холла и особенно для миниатюрных маломощных двигателей для приложений на малых спутниках.

Широко изученный

Цилиндрические холловские двигатели были изобретены физиками PPPL Евгением Райцесом и Натом Фишем в 1999 году и с тех пор изучались со студентами в лабораторном эксперименте с холловыми двигателями (HTX). Устройства PPPL также изучались в странах, включая Корею, Японию, Китай, Сингапур и Европейский союз, при этом Корея и Сингапур рассматривают возможность их использования.

Хотя двигатели Холла без стенок могут свести к минимуму эрозию канала, они сталкиваются с проблемой значительного расширения или расхождения факела плазменной тяги, что снижает производительность системы. Чтобы уменьшить эту проблему, компания PPPL внедрила ключевое нововведение в свою новую бесстеночную систему в виде сегментированного электрода, концентрически соединенного носителя тока. Это нововведение не только уменьшает дивергенцию и помогает усилить тягу ракеты, сказал Райтсес, но также подавляет икоту плазмы малогабаритного двигателя Холла, которая прерывает плавную подачу энергии.

Новые данные завершают серию статей, которые Джейкоб Симмондс, аспирант факультета машиностроения и аэрокосмической инженерии Принстонского университета, опубликовал вместе с Райтсесом, своим научным руководителем; Физик PPPL Масааки Ямада выступает в качестве второго советника. «За последние два года мы опубликовали три статьи о новой физике плазменных двигателей, которые привели к описанному в этой статье динамическому двигателю», — сказал Райтсес, руководитель исследований PPPL в области физики низкотемпературной плазмы и HTX. «Он описывает новый эффект, который обещает новые разработки в этой области».

Применение сегментированных электродов в двигателях Холла не ново. Райтсес и Фиш ранее использовали такие электроды для управления потоком плазмы в обычных кольцевых двигателях Холла. Но эффект, который Симмондс измерил и описал в недавней статье Applied Physics Letters , намного сильнее и оказывает большее влияние на общую работу и производительность двигателя.

Фокусировка шлейфа

Новое устройство помогает преодолеть проблему бесстенных двигателей Холла, которая позволяет плазменному топливу выбрасываться из ракеты под широкими углами, мало влияя на тягу ракеты. «Короче говоря, бесстенные двигатели Холла, хотя и многообещающие, имеют несфокусированный шлейф из-за отсутствия стенок канала», — сказал Симмондс. «Поэтому нам нужно было найти способ сфокусировать шлейф, чтобы увеличить тягу и эффективность и сделать его лучшим двигателем для космического корабля».

Сегментированный электрод отводит часть электрического тока от стандартного высоковольтного электрода двигателя для формирования плазмы, а также для сужения и улучшения фокуса шлейфа. Электрод создает этот эффект, изменяя направления сил в плазме, особенно в ионизированной ксеноновой плазме, которую система ускоряет для движения ракеты. Ионизация превратила газообразный ксенон в автономные электроны и атомные ядра или ионы.

Эти усовершенствования увеличили плотность тяги за счет формирования большей ее части в уменьшенном объеме, что является ключевой целью двигателей Холла. Дополнительным преимуществом сегментированного электрода стало снижение нестабильности плазмы, называемой колебаниями режима дыхания, «где количество плазмы периодически увеличивается и уменьшается по мере изменения скорости ионизации со временем», — сказал Симмондс. Удивительно, добавил он, сегментированный электрод заставил эти колебания исчезнуть. «По этим причинам сегментированные электроды очень полезны для двигателей Холла», — сказал он.

Новая ракета с высокой плотностью тяги может быть особенно полезна для крошечных кубических спутников или CubeSats. Масааки Ямада, содоктор Симмондса, который возглавляет эксперимент по магнитному воссоединению (MRX), изучающий процессы, лежащие в основе солнечных вспышек, северного сияния и других космических явлений, предложил использовать систему сегментированных электродов без стенок для питания CubeSat. Симмондс и его команда студентов бакалавриата, работающих под руководством профессора Дэниела Марлоу, Эванс Кроуфорд 1911 Профессор физики в Принстоне принял это предложение о разработке CubeSat и такой ракеты — проект, который был остановлен почти до завершения из-за пандемии COVID-19 и который может быть возобновлен в будущем.

Поддержка этой работы осуществляется Управлением науки Министерства энергетики США.

Введение в двигательную установку на основе плазмы: двигатели Холла

Вход в панель авторов

Что такое открытый доступ?

Открытый доступ — это инициатива, направленная на то, чтобы сделать научные исследования бесплатными для всех. На сегодняшний день наше сообщество сделало более 100 миллионов загрузок. Он основан на принципах сотрудничества, беспрепятственного открытия и, самое главное, научного прогресса. Будучи аспирантами, нам было трудно получить доступ к нужным нам исследованиям, поэтому мы решили создать новое издательство с открытым доступом, которое уравняет правила игры для ученых со всего мира. Как? Упрощая доступ к исследованиям и ставя академические потребности исследователей выше деловых интересов издателей.

Наши авторы и редакторы

Мы представляем собой сообщество из более чем 103 000 авторов и редакторов из 3 291 учреждения в 160 странах мира, включая лауреатов Нобелевской премии и самых цитируемых исследователей мира. Публикация на IntechOpen позволяет авторам получать цитирование и находить новых соавторов, а это означает, что больше людей увидят вашу работу не только из вашей собственной области исследования, но и из других смежных областей.

Оповещения о содержимом

Краткое введение в этот раздел, описывающий открытый доступ, особенно с точки зрения IntechOpen

Как это работаетУправление предпочтениями

Контакты

Хотите связаться? Свяжитесь с нашим головным офисом в Лондоне или командой по работе со СМИ здесь:

Карьера:

Наша команда постоянно растет, поэтому мы всегда ищем умных людей, которые хотят помочь нам изменить мир научных публикаций.

Рецензируемая глава в открытом доступе

Автор:

Сукхмандер Сингх, Санджив Кумар, Шраван Кумар Мина и Суджит Кумар Сайни

0005

DOI: 10.5772/intechopen.96916

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

Из отредактированного тома

Под редакцией Кадзуо Мацуути и Хироаки Хасэгава
361 Глава Загрузки

Просмотреть полные показатели

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

Рекламное объявление

Abstract

С технической точки зрения существует два типа силовых установок: химические и электрические, в зависимости от источников топлива. Электростатические двигатели используются для запуска на низкую околоземную орбиту малых спутников, способных обеспечивать тягу в течение длительных интервалов времени. Эти двигатели потребляют меньше топлива по сравнению с химическими двигательными установками. Поэтому в интересах снижения затрат ученые-космонавты заинтересованы в разработке двигателей, основанных на технологии электродвижения. Эта глава предназначена для того, чтобы служить общим обзором технологии электродвижения (ЭРД) и ее приложений. Плазменная электрическая двигательная установка, используемая для космических миссий в отношении поддержания, перефразирования и выхода на орбиту станций космических кораблей. Срок службы типичных двигателей составляет 10 000 часов, а тяга составляет 0,1–1 Н. Эти устройства имеют конфигурации E→×B→, которые используются для удержания электронов, увеличения времени пребывания электронов и обеспечения большей ионизации в канале. До 2020 года на орбиту было запущено почти 2500 спутников. Например, миссия ESA SMART-1 (Small Mission for Advanced Research in Technology) использовала двигатель Холла, чтобы выйти с околоземной орбиты и достичь Луны с помощью небольшого спутника весом 367 кг. Эти спутники несут небольшие двигатели Холла для коррекции орбиты в космосе, поскольку тяга необходима для компенсации различных внешних сил, включая атмосферное сопротивление и радиационное давление. В главе описываются системы и технологии электрических двигателей, а также их недостатки. Кроме того, обсуждалось текущее состояние потенциальных исследований по совершенствованию электрических двигательных установок для малых спутников.

Ключевые слова

электрическая двигательная установка
двигатель Холла
импульс
скорость истечения

1. Введение

должны быть скорректированы. Двигатели используются для космических миссий в связи с удержанием станции космического корабля, перефразированием и выходом на орбиту. Кроме того, такого рода устройства находят применение в частично ионизированной плазме (токамаках), в ионосфере (основе солнечной фотосферы), в протопланетных дисках, околоядерных дисках в активных ядрах галактик и нейтронных звездах. Обозначим ṁp — массовый расход, скорость истечения U→ex и g — ускорение свободного падения. Производительность подруливающих устройств обычно определяется тягой T , что является полной силой, испытываемой ракетой. Тяга также имеет ту же единицу, что и сила, в ньютонах, которые показывают движение двигательной установки. Тяга создается за счет сжигания топлива или электростатических сил. Тяга T=ṁpU→ex, если массовый расход постоянен. Удельный импульс Ispis используется для сравнения эффективности различных типов двигательных установок [1]. Удельный импульс выражается как Isp=Tṁpg. Как правило, чем выше удельный импульс, тем меньше требуется топлива. Поэтому удельный импульс упрощается до Isp=U→exg. Удельный импульс имеет измерение времени и является мерой эффективного срока службы двигателя. Высокое значение удельного импульса сокращает время полета.

2. Уравнение Циолковского

Уравнение ракеты используется в двигательных установках для определения различных параметров. Следовательно, высокий удельный импульс связан с большей эффективностью топлива. Если обозначить Δυ→=υ→f−υ→i как изменение скорости ракеты, то уравнение ракеты было выведено ученым Циолковским (1857–1935) и имеет вид

mfmi=e−Δυ→gIspE1

Здесь mf — конечная масса, а mi — начальная масса ракеты соответственно. Возьмем натуральный логарифм с обеих сторон, получим

Δυ→=gIsplnmimfE2

С помощью этого соотношения можно найти изменение скорости ракеты через удельный импульс или силу. Это уравнение называется уравнением Циолковского. Через скорость истечения получается

Δυ→=U→exlnmf+mpmfE3

Здесь масса топлива mp=mi−mf, mf – сухая масса ракеты. Это видно из уравнения (3) что чем выше dυ→, тем больше топлива требуется. Поэтому для достижения более высокого dυ→ скорость истечения топлива U→ex должна быть порядка dυ→. Для достижения более высокого Δυ→ электрическая тяга играет ключевую роль в текущем времени. Различные космические миссии, включая спутники связи GEO, требуют ΔV примерно 0,6 км/с в течение 10-летнего периода.

2.1 Связь между КПД тяги и входной мощностью

Если обозначить КПД тяги η и входную мощность Pt, то они связаны соотношением

T=2ηPtIspgE4

плазменных двигателей были разработаны за последние 70 лет. Корпорация Mitsubishi Electric разработала ионные двигатели Кауфмана для японского инженерно-испытательного спутника в 1994 г., которые создавали тягу 20 мН (удельный импульс около 2400 с) [2, 3]. Еще один ионный двигатель (для коммерческого применения на станциях) под названием Hughes-13-cm Xenon Ion Propulsion System был выведен на орбиту в 1919 г.97 на спутнике Hughes PAS-5 [4]. Двигатели Hughes создавали тягу 18 мН при удельном импульсе 2500 с (КПД около 50%).

В зависимости от ускорения газов для приведения в движение электрические двигатели подразделяются на три основные категории, а именно электротермические, электростатические и электромагнитные двигатели. В двигателе с химическим двигателем скорость истечения зависит от теплового нагрева, который не может достигать очень большой величины. В химическом двигателе топливо сжигается, а горячий газ выбрасывается из двигателя с помощью сопла, а в плазменном двигателе выброс плазмы происходит без взрыва [2, 3, 5, 6, 7, 8, 9]., 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]. The performances of different types of electric thrusters have been discussed in Table 1.

Names of Thrusters	Typical uses	Working mechanism	Electric power (kW)	Specific impulse I _sp (s)	T (N)
Гидразин	Летающие космические аппараты	Электротермический: электрическая энергия используется для нагрева топлива, которое расширяется через сопло [3].	0.3 to 2	500 to 600	10 ^–3 to 0. 2
Hydrogen	For ground testing work		1 to 100	900 to2000	0.1 to 5
Hall effect двигатели	Летающие космические аппараты	Электростатический двигатель: электрическая энергия используется для ускорения ионов топлива [3].	0.5 to 5	500 to 3000	10 ⁻² to 0.4
Gridded ion engines	Flight space vehicles		0.3 to 5	1000 to 4000	10 ⁻³ to 0.2
Импульсный плазменный двигатель	Управление ориентацией малых спутников	для формирования плазмы и выброса ее из сопла под действием магнитного поля [3].	.070	80	860 мкН
Литий	Для наземных испытательных установок	Электромагнитный двигатель: электромагнитные системы ионизируют и ускоряют топливо под совместным действием магнитного и электрического полей [3].	200 to 1000	2000 to 5000	2 to 15
Hydrogen	For ground testing facilities		1000	5000	15
Variable Specific Impulse Magnetoplasma	В разработке	Он ионизирует топливо радиоволнами для образования плазмы, затем ускоряет ее в магнитном поле [3].

Таблица 1.

Классификация некоторых электродвигателей.

4. Электростатические двигатели Холла

В электростатических двигателях только ионы ускоряются за счет приложения постоянного электрического поля на выходной стороне двигателя для создания тяги. Двигатели Холла были изобретены в США и России 70 лет назад. После этого они были широко исследованы в Европе, Японии и Китае. Двигатели Холла стали неотъемлемой частью двигательной техники. В отличие от химических и электрических ракет (твердотопливные ракетные двигатели, жидкостные ракетные двигатели и гиперголические двигатели), тяга в двигателях Холла достигается за счет топлива (обычно ксенона). Типичные удельные импульсы химических двигателей составляют около 200–500 с, хотя электрические двигатели могут иметь удельные импульсы до 3000 с и более [1, 5, 6, 7, 19].]. Давление внутри канала составляет порядка 0,1 Па. В настоящее время большинство стран используют технологию двигателей Холла в своих космических миссиях. В отличие от химических и электрических ракет, тяга в двигателе Холла достигается за счет ионизированного инертного газа (ксенона), который имеет высокий атомный номер и низкий потенциал ионизации. Для этого в основном используется ксенон. В двигателе Холла топливо ионизируется, а затем ускоряется электростатическими силами.

На рис. 1 показаны внутренние части плазменного холловского двигателя. Как правило, выпускной канал имеет цилиндрическую форму, выполненную из металлического материала. Магнитное поле порядка 150 Гс прикладывается для создания замкнутого дрейфа электронов внутри канала. Приложенное магнитное поле, достаточно сильное, чтобы электроны намагничивались, то есть они могли вращаться внутри разрядного канала, но ионы оставались незатронутыми из-за их ларморовского радиуса, намного превышающего размер двигателя. Магнитная структура обычного HET состоит из магнитной цепи с двумя полюсными наконечниками, сердечниками и двумя магнитными экранами, одной внутренней катушкой и четырьмя внешними катушками для достижения максимального радиального магнитного поля на выходе из канала. Таким образом, электроны остаются эффективно захваченными в азимутальном дрейфе E→×B→ вокруг кольцевого канала и медленно диффундируют к аноду. Этот азимутальный дрейфовый ток электронов называется током Холла. Топливо поступает с левой стороны канала через анод и ионизируется через полый катод устройства. Двигатели Холла можно разделить на две категории. Один из них — стационарный плазменный двигатель (имеет расширенную зону разгона), а второй — двигатель с анодным слоем (имеет более узкую зону разгона). Внутри разрядного канала вдоль аксиального направления устройства создается электрическое поле напряженностью ~1000 В/м [5]. ISRO (Индия) использовала ионные двигательные установки на эффекте Холла в GSAT-4 еще в 2010 году, установленные на GSLV Mk2 D3. У него было четыре двигателя с ксеноновым двигателем для удержания станции Север-Юг. Двое из них были русскими, а двое других – коренными жителями.

Рис. 1.

Принципиальная схема типичного холловского плазменного двигателя.

Объявление

5. Типовые параметры двигателей Холла

В таблице 2 приведены типовые значения некоторых соответствующих свойств на выходе из двигателя СПД-100.

3 Внутренний диаметр0426

Свойство	Типовое значение	Свойство	Типовое значение
60 mm	Neutral velocity	300m/ s
Outer diameter	100 mm	Electron temperature	5-10 eV
Plasma density	1017/m ³	Ion temperature	1-5 eV
Neutral density	1018/m ³	Neutral temperature	0. 9 eV
Ion velocity	104m/s	Длина Дебая	10–5 м
Среднее значение для столкновения	1 M

22. Таблица 2.

9005

Table 2.

Реклама

6. Компоненты двигателей Холла

Есть несколько компонентов, которые отвечают за правильную работу двигателей Холла. Ниже мы обсудим некоторые важные ингредиенты.

6.1 Топливо

В большинстве двигателей в качестве топлива используется ксенон из-за его большей массы (131,3 а.е.м.), более низкого первого потенциала ионизации, меньшей токсичности, поперечного сечения ионизации 2,3 × 10 ⁻⁶ см ² . К сожалению, ксенон очень дорог (по сравнению с криптоном высокое значение первого потенциала ионизации) из-за одной лишь его доступности в земной атмосфере [20].

6.2 Анод и катод

Последние двигатели имеют полые аноды, через которые топливо закачивается в закрытый канал. Топливо ксенон хранится в баке на космическом корабле и достигает анода. Полые катоды используются в двигателе Холла для подачи электронов (с помощью генератора плазмы с электронным разрядом постоянного тока), для нейтрализации корпуса космического корабля (для управления зарядкой космического корабля), а также для поддержания плазменного разряда и. Полый катод выполнен из тугоплавкой металлической трубки и гексаборида лантана [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]., 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20]. Катод работает при напряжении от 30 В до 40 В, отрицательном по отношению к аноду в ртутном двигателе, в зависимости от конструктивных соображений.

Реклама

7. Обзор литературы

Теоретически, численно (моделирование PIC) и экспериментально исследованы различные явления в двигателях Холла. Физические явления, изучаемые в настоящее время в холловских двигателях, — это колебания плазмы различных частотных диапазонов, распространение и нейтрализация ионного пучка, транспорт электронов, взаимодействие плазмы с диэлектрической стенкой и плазменной оболочкой. Некоторые из них обсуждаются ниже.

7.1 Исследования срока службы

Низкочастотные колебания и характеристики сильно изменяются при изменении конфигурации магнитного поля. Меньшая кривизна конфигурации магнитного поля подавляет амплитуду низкочастотных колебаний и повышает производительность двигателя Холла. Было проведено множество исследований срока службы двигателей Холла, включая испытания на выносливость и измерения эрозии, что ограничивает срок службы двигателей Холла. Эрозия зависит от материала стенки, условий эксплуатации, геометрии канала, конструкции магнитного поля и конфигурации анода. Гарригес и др. [21] уделили особое внимание сроку службы двигателей и сообщили, что конфигурация с нулевым магнитным полем и меньшей областью с большим магнитным полем имеет тенденцию уменьшать эрозию стенок и низкочастотные колебания тока. Дорф и др. [22] сообщили, что работа двигателя более стабильна с анодом с покрытием. Барраль и Медзик [23] исследовали роль цепей индуктор-конденсатор и резистор-индуктор-конденсатор в стабилизации плазменного разряда. Тахара и др. [24] изучали влияние материала стенки канала на характеристики двигателя Холла. Ахедо и Эскобар [25] изучили влияние параметров конструкции и работы на характеристики двигателя Холла.

7.2 Исследования плазменного факела

Структура плазменного факела, выходящего из двигателя, представляет большой интерес, поскольку его огромная расходимость выхлопного луча может вызвать помехи связи спутников и проблемы с электростатическим зарядом. Асхабов и др. . В работе [26] установлено, что плазменная струя имеет половинный угол 45°, а температура электронов монотонно спадает вдоль струи и падает на порядок на 10 м. Было обнаружено, что потенциал плазмы существенно возрастает по мере удаления от выхода из двигателя. Это важный результат ввиду эффективного падения потенциала ускорения [27]. Фрухтман теоретически показал [28], что управление профилем электрического поля в холловском двигателе за счет размещения дополнительного электрода вдоль канала должно повысить эффективность. Кейдар и Бойд [29] изучали влияние магнитного поля на плазменный шлейф холловского двигателя.

7.3 Исследования колебаний и неустойчивостей

Плотность плазмы, внешние электрические и магнитные поля в холловском двигателе находятся в неоднородном виде и не находятся в термодинамически равновесном состоянии. Эти отклонения являются источником нестабильности плазмы. Эти колебания и нестабильность в двигателе Холла могут повлиять на расходимость ионного пучка и перенос электронов поперек магнитного поля, которые контролируют производительность системы. Choueiri [11] качественно обсудил характер колебаний в диапазоне частот 1 кГц–60 МГц, которые наблюдались при работе двигателей Холла. Типичный диапазон колебаний был обнаружен в двигателях Холла, таких как разрядные колебания 10–20 кГц, вращающиеся спицы 5–25 кГц (из-за процесса ионизации), азимутальные моды 20–60 кГц (из-за нестабильности дрейфового типа, связанной с градиентом плотность и магнитное поле), время переходного процесса 70–500 кГц (время пребывания ионов в канале), азимутальная волна 0,5–5 МГц и высокочастотные колебания (табл. 1). Вышеуказанные волны регулируют эффективность двигателя. Реальная частота, скорость нарастания и амплитуда колебаний зависят от геометрии, профиля магнитного поля, массового расхода и разрядного напряжения. Дюкрок и др. . В работе [30] исследована высокочастотная дрейфовая неустойчивость электронов и получено трехмерное дисперсионное уравнение. Кейдар [31] смоделировал динамику плазмы и ионизацию рабочего газа внутри анодных отверстий. Баррал и Маковски [32] проанализировали неустойчивость времени прохождения в холловском двигателе. Капулкин и Гельман [33] исследовали низкочастотную нестабильность в прианодной области холловского двигателя. Лазуренко и др. . [34] рассмотрели высокочастотные нестабильности и аномальный перенос электронов в холловских двигателях. Исследователи исследовали резистивные неустойчивости в холловском двигателе и обнаружили, что плазменные возмущения в ускорительном канале неустойчивы при наличии столкновений [13, 15, 17, 35, 36, 37, 38, 39]. , 40]. Фернандес и др. В работе [41] проведено моделирование роста резистивных неустойчивостей в E→×B→ плазменном разряде. Удельное сопротивление плазмы индуцирует резистивные неустойчивости (электростатические и электромагнитные) [13, 15, 17], связанные с азимутальным и аксиальным направлениями, и было показано, что эти неустойчивости имеют самый высокий уровень вблизи выходной плоскости двигателя. Смоляков и др. сообщил, что нестабильность оболочки играет жизненно важную роль в явлениях аномального переноса в холловском плазменном двигателе [41]. Плазменная оболочка играет важную роль в управлении подвижностью электронов внутри плазменного канала [42, 43, 44].

Range (kHz)	Type	Driving mechanism
10–20	Loop or circuit oscillations	Magnetic field, discharge voltage and electron wall collision frequency [45]
5–25	Вращающиеся спицы	Процесс ионизации [46]
20–60	Дрейфовая неустойчивость		Градиент магнитного поля	0426
70–500	Временные временные колебания ионы		Градиент плотности плазмы и низкий ионизация [11, 48]
0,5 до 5 МГц
0,5 до 5 МГГ
0,5 до 5 МГ. , 34].

Реклама

8. Выводы

Проанализировано текущее состояние электрических двигателей для дальних межпланетных миссий. Приведены основные рабочие механизмы электротермических, электростатических и электромагнитных двигателей. Обсуждены ограничения и недостатки системы двигателя Холла. Также приведены основные моменты потенциальных исследований.

Реклама

Благодарности

Комиссия по университетским грантам (UGC), Нью-Дели, Индия выражает благодарность за предоставление стартового гранта (№ F. 30-356/2017/BSR).

Ссылки

1. Kaufman HR. (2012). Технология двигателей с закрытым дрейфом. AIAA J, Vol. 23, No.1, May 2012, 78–86, doi:10.2514/3.8874
2. O’Reilly D, Herdrich G, Kavanagh DF. Методы электрического движения для малых спутников: обзор. Аэрокосмическая промышленность. 2021; 8:1–30. Doi.org/10.3390/aerospace8010022
3. Наваз А., Альбертони Р., Ауветер-Куртц М. Оптимизация эффективности тяги импульсного плазменного двигателя SIMP-LEX. Акта Астронавт. 2010; 67: 440–448. Doi.org/10.1016/j.actaastro.2010.03.006
4. Битти JRXIPS. Отслеживает спутники, Промышленный физик. Том. 4. Американский институт физики; 1998
5. Potrivitu GC, Sun Y, Rohaizat MW, Cherkun O, Xu L, Huang S, et al. Обзор исследований маломощных электрических двигателей в Центре космических двигателей Сингапура. Аэрокосмическая промышленность. 2020 Июн;7(6):67
6. Гебель Д.М., Кац И. Основы электрического двигателя: ионные и холловские двигатели. Нью-Йорк: Уайли; 2008
7. Оланд Э., Кристиансен Р., Никлассон П.Дж. Комбинированный химический и электрический двигатель для управления ориентацией. На 4-й Международной конференции по последним достижениям в области космических технологий, 11 июня 2009 г. (стр. 627-631). IEEE
8. Ян Р.Г. Физика электродвижения. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл; 1968
9. Мартинес-Санчес М., Поллард Дж. Э. Электродвигатель космического корабля: обзор. Журнал Силовая установка. 1998; 14(5), сентябрь-октябрь, 688–699
10. Левченко И., Сюй С., Мазоуффр С., Лев Д., Педрини Д., Гебель Д. и соавт. Перспективы, рубежи и новые горизонты плазменных космических электрореактивных двигателей. Физика плазмы. 2020; 3 февраля 27(2):020601
11. Choueiri EY. Плазменные колебания в холловских двигателях. Физика плазмы. 2001;8:1411-1426. DOI: 10.1063/1.1354644
12. Ахедо Э. Плазма для космических двигателей. Физика плазмы и управляемый синтез. 2011;53(12):124037. DOI: 10.1088/0741-3335/53/12/124037
13. Сингх С., Малик Х.К., Нисида Ю. Высокочастотная электромагнитная резистивная нестабильность в двигателе Холла под действием ионизации. Физика плазмы. 2013;102109(1–7):20
14. Ling WY, Zhang S, Fu H, Huang M, Quansah J, Liu X, et al. Краткий обзор альтернативных видов топлива и требований к импульсным плазменным двигателям для микродвигателей. Китайский журнал аэронавтики. 2020;33:2999-3010
15. Сингх С., Малик Х.К. Рост низкочастотной электростатической и электромагнитной неустойчивости в холловском двигателе. Транзакции IEEE по плазменной науке. 2011;39:1910-1918
16. Левченко И., Сюй С., Тил Г., Мариотти Д., Уокер М.Л., Кейдар М. Недавний прогресс и перспективы космических электрических двигательных установок на основе интеллектуальных наноматериалов. Связь с природой. 2018;9:1-9
17. Сингх С., Малик Х.К. Резистивные неустойчивости в холловском двигателе при наличии столкновений и теплового движения электронов. Открытый журнал физики плазмы. 2011;4:16-23
18. Rovey JL, Lyne CT, Mundahl AJ, Rasmont N, Glascock MS, Wainwright MJ, et al. Обзор многорежимных космических двигателей. Прогресс в аэрокосмических науках. 2020;100627(1–27):118
19. Браун Н.П., Уокер М.Л. Обзор эрозии холловского двигателя, вызванной плазмой. Прикладные науки. 2020 Jan;10(11):3775(1–18)
20. Журин В.В., Кауфман Х.Р., Робинсон Р.С. Физика двигателей с закрытым дрейфом. Наука и техника источников плазмы. 1999;8:R1-R20
21. Гарриг Л., Хагелаар Г.Дж., Барель Дж., Бонифаций С., Бёф Дж.П. Модельное исследование влияния конфигурации магнитного поля на характеристики и срок службы двигателя Холла. Физика плазмы. 2003;10:4886-4892
22. Дорф Л., Райцес Ю., Фиш Н.Ю., Семенов В. Влияние анодного диэлектрического покрытия на работу двигателя Холла. Письма по прикладной физике. 2004;84:1070-1072
23. Баррал С., Медзик Дж. Численное исследование управления с обратной связью для ускорителей Холла. Журнал прикладной физики. 2011;013302(1–10):109
24. Тахара Х., Иманака К., Юге С. Влияние материала стенки канала на характеристики тяги и характеристики плазмы двигателей на эффекте Холла. Вакуум. 2006;80:1216-1222
25. Ахедо Э., Эскобар Д. Влияние конструкции и рабочих параметров на характеристики подруливающего устройства Холла. Журнал прикладной физики. 2004;96:983-992
26. Акшабов Н, Бургасов М.П., Веселовзоров А.Н. Советский журнал плазмы. физика. 1981;7:125
27. Кейдар М., Галлимор А.Д., Райцес Ю., Бойд И.Д. О распределении потенциала в холловских двигателях. Письма по прикладной физике. 2004;85:2481-2483
28. Фрухтман А., Коэн-Зур А. Плазменная линза и расходимость факела в двигателе Холла. Буквы по прикладной физике. 2006;89:111501. Doi.org/10.1063/1.2349827
29. Кейдар М., Бойд И.Д. Влияние магнитного поля на плазменный шлейф холловских двигателей. Журнал прикладной физики. 1999; 86: 4786–4791. Doi.org/10.1063/1.371444
30. Ducrocq A, Adam JC, Heron A, Laval G. Неустойчивость высокочастотного дрейфа электронов в конфигурации поперечного поля холловских двигателей. Физика плазмы. 2006; 13:102111(1–8). Doi.org/10.1063/1.2359718
31. Кейдар М. Анодная плазма в холловских двигателях. Журнал прикладной физики. 2008;103:053309(1–5). Doi.org/10.1063/1.2844495
32. Barral S, Makowski K, Peradzyński Z, Dudeck M. Неустойчивость во времени в холловских двигателях. Физика плазмы. 2005;12:073504 Doi.org/10.1063/1.1947796
33. Капулкин А., Гельман М.М. Низкочастотная нестабильность в прианодной области холловского двигателя. Транзакции IEEE по плазменной науке. 2008;36:2082–2087. Doi.org/10.1109/TPS.2008.2003359
34. Лазуренко А., Красносельских В., Бушуль А. Экспериментальные исследования высокочастотных нестабильностей и связанного с ними аномального переноса электронов в холловских двигателях. Транзакции IEEE по плазменной науке. 2008;36:1977–1988. Doi.org/10.1109/TPS.2008.2000972
35. Тьяги Дж., Сингх С., Малик Х.К., Влияние пыли на наклонную электростатическую резистивную нестабильность в двигателе Холла. Журнал теоретической и прикладной физики. 2018; 12: 39–43. Doi.org/10.1007/s40094-018-0278-z
36. Малик Х.К., Сингх С. Резистивная неустойчивость в холловском плазменном разряде под действием ионизации. Физика плазмы. 2013;052115(1–8):20
37. Сингх С. Эволюция растущих волн в сложной плазменной среде. IntechOpen, Лондон, Великобритания, ноябрь: в отредактированной книге Engineering Fluid Mechanics; 2020
38. Сингх С. Волны и нестабильности в E X B пылевой плазме. В кн.: Под редакцией Теплофизические свойства сложных материалов. IntechOpen, Лондон, Великобритания, 12 декабря. 2019
39. Сингх С. Динамика неустойчивости Рэлея-Тейлора в плазменных жидкостях. В: отредактированная книга Engineering Fluid Mechanics. IntechOpen, Лондон, Великобритания, 15 апреля. 2020
40. Сингх С. Холл Двигатель: Электрический двигатель через плазму. В: отредактированная книга Plasma Science IntechOpen, Лондон, Великобритания, 29 марта.0436-й . 2020
41. Фернандес Э., Шарфе М.К., Томас К.А., Гаскон Н., Каппелли М.А. Рост резистивных неустойчивостей в моделировании плазменного разряда E×B. Физика плазмы. 2008; 15:012102(1–10). Doi.org/10.1063/1.2823033
42. Альварес-Лагуна А., Магин Т., Массо М., Бурдон А., Чаберт П. Переход плазма-оболочка в многожидкостных моделях с инерционными членами в условиях низкого давления: сравнение с классической и кинетическая теория. Наука и техника источников плазмы. 2020;29:025003
43. Mandal D, Elskens Y, Lemoine N, Doveil F. Хаотический перенос электронов в поперечном поле из-за нестабильности дрейфа электронов E×B в холловском двигателе. Физика плазмы. 2020;27:032301
44. Смоляков А., Зинтел Т., Кудель Л., Сидоренко Д., Умнов А., Сорокина Е. и соавт. Аномальный перенос электронов в одномерной электронной циклотронной дрейфовой турбулентности. Отчеты по физике плазмы. 2020;46:496-505
45. Тилинин Г.Н. Высокочастотные плазменные волны в холловском ускорителе с протяженной зоной ускорения. Советская физика Техническая физика. 1977;22:974-978
46. Честа Э., Лам С.М., Мизан Н.Б., Шмидт Д.П., Каппелли М.А. Характеристика флуктуаций плазмы в холловском разряде. Транзакции IEEE по плазменной науке. 2001;29:582-591
47. Фриас В., Смоляков А.И., Каганович И.Д., Райцес Ю.Дрейфовая неустойчивость длинноволнового градиента в холловских плазменных устройствах. I. Теория жидкости. Физика плазмы. 2012;19:072112
48. Морозов А.И., Савельев В.В. Основы теории стационарных плазменных двигателей. Обзоры физики плазмы. 2000:203-391

Разделы

Информация о авторе

1. Введение
2. Уравнение Циолковского
3. Майн -классы электрических вырубков
4. Электростатические залы. .Компоненты двигателей Холла
7.Обзор литературы
8.Выводы
Благодарности

Ссылки

Реклама

Автор

Сукхмандер Сингх, Санджив Кумар, Шраван Кумар Мина и Суджит Кумар Саини

Подано: 7 февраля 2021 г. Отредактировано: 1 марта 2021 г. Опубликовано: 23 апреля 2021 г.

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

© 2021 Автор(ы). Лицензиат IntechOpen. Эта глава распространяется в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 3.0, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Путешествие на Марс с бессмертными плазменными ракетами

Спустя почти 50 лет после высадки на Луну человечество нацелилось на отправку первых людей на Марс. Путешествие на Луну заняло три дня; путешествие на Марс, вероятно, займет большую часть года. Разница не только во времени.

Нам понадобится еще много припасов для самой поездки, а когда мы доберемся до Красной планеты, нам нужно будет разбить лагерь и остаться там на некоторое время. Для перевозки всего этого материала потребуется революционная ракетная технология.

Ракета Сатурн V нарисована в масштабе Статуи Свободы. Космический корабль «Аполлон» и Луна не в масштабе.
CC BY-ND

«Сатурн-5» — самая большая ракета из когда-либо построенных. Он израсходовал огромное количество топлива во взрывоопасных химических реакциях, которые вывели космический корабль «Аполлон» на орбиту. Достигнув орбиты, «Аполлон» выбросил пустые топливные баки и запустил собственные химические ракеты, которые использовали еще больше топлива, чтобы добраться до Луны. Потребовалось почти миллион галлонов различного топлива только для того, чтобы отправить несколько человек в однодневную поездку к ближайшему внеземному телу.

Так как же отправить поселение на Марс, который более чем в 100 раз дальше Луны? Комбинация Сатурн-Аполлон могла доставить на Луну только массу, эквивалентную одному железнодорожному товарному вагону; чтобы построить небольшой дом на Марсе, понадобились бы десятки таких ракет. К сожалению, альтернатив «химической» ракете-носителю нет; только мощные химические взрывы могут обеспечить достаточную силу для преодоления земного притяжения. Но в космосе может взять верх новая экономичная ракетная технология: плазменные ракеты.

Гэри Ли на выпускном экзамене Калифорнийского университета в 2016 году рассказывает о своем исследовании.

Космические «электромобили»

Плазменные ракеты — это современная технология, которая превращает топливо в горячий суп из электрически заряженных частиц, известный как плазма, и выбрасывает его, чтобы толкать космический корабль. Использование плазменных ракет вместо традиционных химических ракет может снизить общее потребление топлива в космосе на 90 процентов. Это означает, что мы могли бы доставить в 10 раз больше груза, используя ту же массу топлива. Планировщики миссий НАСА уже изучают возможность использования транспортных средств с плазменными ракетами для перевозки грузов между Землей и Марсом.

Двигатель Холла мощностью 6 кВт.
Лаборатория реактивного движения НАСА

Основным недостатком плазменных ракет является их малая тяга. Тяга — это мера того, насколько сильный «толчок» ракета может дать космическому кораблю. Самая мощная плазменная ракета, запущенная в космос, называемая двигателем Холла, будет производить тягу, достаточную только для того, чтобы поднять лист бумаги против силы земного притяжения. Хотите верьте, хотите нет, но двигателю Холла потребовалось бы много лет непрерывной работы, чтобы достичь Марса.

Но не волнуйтесь, слабая тяга не помеха. Благодаря своей революционной эффективности использования топлива плазменные ракеты позволили НАСА выполнять миссии, которые в противном случае были бы невозможны с химическими ракетами. Совсем недавно миссия Dawn продемонстрировала потенциал плазменных ракет, став первым космическим кораблем, вышедшим на орбиту двух разных внеземных тел.

Несмотря на то, что у плазменных ракет большое будущее, у этой технологии все еще есть нерешенные проблемы. Например, что произойдет с двигателем, который работает в течение многих лет, необходимых для выполнения грузовых миссий на Марс туда и обратно? Скорее всего, сломается.

Вот тут и начинается мое исследование. Мне нужно выяснить, как сделать плазменные ракеты бессмертными.

Понимание плазменных ракет

Схема модели плазменной ракеты. Наиболее похож на конструкцию ионного двигателя.
Автор указан, CC BY-ND

Для этого нам нужно понять, как работает плазменная ракета. Ракета создает плазму, вводя электрическую энергию в газообразное топливо, отделяя отрицательно заряженные электроны от положительно заряженных ионов. Затем ионы выбрасываются из задней части ракеты, толкая космический корабль вперед.

К сожалению, вся эта энергия плазмы не только приводит в движение космические корабли — она хочет уничтожить любой материал, с которым соприкасается. Электрические силы от отрицательно заряженных стенок заставляют ионы врезаться в стенку с очень высокой скоростью. Эти столкновения отрывают атомы от стенки, медленно ослабляя ее с течением времени. В конце концов, достаточное количество ионов попадает в стену, и вся стена ломается, двигатель перестает работать, и ваш космический корабль застревает в космосе.

Недостаточно использовать более прочные материалы, чтобы выдержать бомбардировку: всегда будет некоторое количество повреждений, независимо от того, насколько прочный материал. Нам нужен умный способ манипулирования плазмой и материалом стен, чтобы избежать повреждений.

Самовосстанавливающаяся стена

Было бы здорово, если бы стена камеры могла восстанавливаться сама? Оказывается, есть два физических эффекта, которые могут позволить этому случиться.

Иллюстрация трех возможных сценариев отрыва атома стены: 1) он потерян навсегда, 2) он перехватывает стену и осаждается или 3) он ионизируется и ускоряется электрическими силами для осаждения на стене.
CC BY-ND

Первый известен как баллистическое осаждение и присутствует в материалах с микроскопическими изменениями поверхности, таких как шипы или столбики. Когда ион ударяется о стенку, отколовшаяся часть этих микроэлементов может лететь в любом направлении. Некоторые из этих кусочков ударяются о близлежащие выступающие части поверхности и прилипают, оставляя стену практически неповрежденной. Однако всегда найдутся атомы, которые отлетят от стены и потеряются навсегда.

Микроструктуры на образце материала под сканирующим электронным микроскопом.
Крис Маттес (UCLA), CC BY-ND

Второе явление менее интуитивно понятно и зависит от условий плазмы. Представьте тот же сценарий, когда частица стенки отрывается и летит в плазму. Однако вместо того, чтобы исчезнуть навсегда, частица внезапно разворачивается и возвращается прямо к стене.

Это похоже на то, как бейсбольный мяч, подброшенный прямо в воздух, разворачивается и падает обратно в вашу руку. В бейсбольном мяче гравитация не дает мячу подняться выше и притягивает его обратно к земле. В двигателе это электрическая сила между отрицательно заряженной стенкой и самой частицей стенки. Он отрывается нейтрально заряженным, но может терять свой электрон в плазме, становясь положительно заряженным. В результате частица притягивается к стенке в явлении, известном как повторное осаждение плазмы. Этим процессом можно управлять, изменяя плотность и температуру плазмы.

Испытание различных материалов

Образцы материалов оцениваются в испытательном стенде плазменных взаимодействий Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
CC BY-ND

Здесь, в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, я создаю плазму и разбиваю ее на микроструктурные материалы, чтобы измерить эффекты баллистического осаждения и повторного осаждения плазмы. Помните, что баллистическое осаждение зависит от структуры поверхности стены, а повторное осаждение плазмы зависит от самой плазмы. Для моего первоначального исследования я отрегулировал условия плазмы так, чтобы не было повторного осаждения плазмы, а происходило только баллистическое осаждение.

Затем я перевел свое внимание с плазмы на стену. У первого испытанного мной образца с микропорами урон уменьшился на 20 процентов. Улучшив дизайн микроэлементов, можно еще больше снизить ущерб, потенциально до 50 процентов. Такой материал на двигателе может иметь значение между полетом на Марс и застреванием на полпути. Следующим шагом является учет эффектов повторного осаждения плазмы и определение возможности создания действительно бессмертной стены.

По мере того, как плазменные двигатели становятся все более мощными, они также могут повреждать собственные стены. Это увеличивает важность самовосстанавливающейся стены. Моя конечная цель — спроектировать двигатель с использованием передовых материалов, который может прослужить в 10 раз дольше, чем требуется для любой марсианской миссии, что сделает его практически бессмертным. Бессмертная стена решила бы эту проблему отказа двигателей и позволила бы нам переправить груз, необходимый для начала строительства первого аванпоста человечества на Марсе.

ВАСИМР

Другие космические мероприятия

28 июля, 2021

Пусковые установки и движения

VASIMR® (переменная специфическая импульсная магнитоплазма ракета)

Технология пространственного движения. концепция двигателя космического корабля, разрабатываемая компанией Ad Astra Rocket Company (AARC) в Вебстере, штат Техас. Он использует радиоволны для ионизации и нагрева топлива, а магнитные поля — для ускорения образующейся плазмы для создания тяги. Это один из нескольких типов электрических двигательных установок космических кораблей. ¹⁾

История компании ²⁾

1973: Будучи аспирантом Массачусетского технологического института (MIT), Франклин Чанг Диас изучал поведение сверхгорячих газов, называемых плазмой, как часть поисков управляемого термоядерного синтеза: процесса, который питает солнце и звезды как источник энергии на Земле.

1977: Докторская диссертация Франклина Чанга Диаса касалась управления и направления плазмы миллионов градусов в магнитных структурах, называемых магнитными зеркалами.

1982: Франклин Чанг Диас опубликовал статью под названием «Сверхзвуковая газовая мишень для плазмы с отклоняющим пучком», которая привела к концепции плазменной ракеты, которая первоначально называлась «Гибридная плазменная ракета». Первое письменное раскрытие двигателя VASIMR® было засвидетельствовано коллегами из НАСА в бортовом журнале доктора Чанга.

1983: В Массачусетском технологическом институте был проведен первый двигательный эксперимент VASIMR® на плазменном устройстве с магнитным зеркалом.

1989: Получен первый патент VASIMR®.

1990-е годы: в концепцию ракеты внесены важные усовершенствования, в том числе использование источника плазмы «геликон», который заменил первоначально задуманную плазменную пушку и сделал ракету полностью «безэлектродной», чрезвычайно желательной особенностью, обеспечивающей надежность и длительный срок службы. жизнь.

1995: В Космическом центре имени Джонсона НАСА в Хьюстоне была основана Лаборатория передовых космических двигателей (ASPL). Первый плазменный эксперимент в Хьюстоне был проведен с использованием микроволнового источника плазмы. Было установлено сотрудничество с Хьюстонским университетом, Техасским университетом в Остине, Университетом Райса и другими академическими исследовательскими учреждениями.

1998: На ASPL проведен первый эксперимент с геликонной плазмой. Было принято решение относительно официального названия двигателя VASIMR® и эксперимента VASIMR® (VX). В VX-10 работал геликонный разряд мощностью до 10 кВт ВЧ.

2002: Получен третий патент VASIMR. Эксперименты VX-25 и VX-50 работали при мощности 25 кВт и 50 кВт соответственно.

2005: На ASPL были достигнуты крупные прорывы, включая полное и эффективное производство плазмы и ускорение ионов плазмы на второй ступени ракеты.

Компания Ad Astra Rocket зарегистрирована в Делавэре. Ad Astra и NASA подписали первое Соглашение о космическом акте о приватизации технологии VASIMR®. Франклин Чанг Диас уходит из НАСА после 25 лет службы в качестве астронавта. Сформирован совет директоров Ad Astra, и Франклин Чанг Диас становится председателем и главным исполнительным директором.

2006: AARC открывает филиал в Коста-Рике в городе Либерия, Гуанакасте, на территории кампуса EARTH University. AARC-Коста-Рика проводит первый эксперимент с геликонной плазмой на устройстве VX-CR с использованием аргонового топлива.

2007: Эксперимент VX-100 VASIMR® демонстрирует эффективное производство плазмы с затратами на ионизацию ниже 100 эВ/ион. Мощность плазмы VX-100 утроена по сравнению с предыдущим рекордом VX-50. AARC переезжает из лаборатории NASA NBL (Лаборатория нейтральной плавучести) в собственное здание в Вебстере, штат Техас. Космический центр Джонсона НАСА и Ad Astra подписывают второе Соглашение о космическом акте.

2008: Введена в эксплуатацию большая вакуумная камера, и VX-200i производит первую плазму на новом объекте. НАСА и Ad Astra подписывают Соглашение о космическом акте для летных испытаний двигателя VASIMR® на борту Международной космической станции.

2009: Впервые прибывает сверхпроводящий магнит VX-200, позволяющий работать с плазмой при мощности FR 200 кВт.

2010: Рекордная производительность VX-200 (КПД 72%) достигнута при 200 кВт.

2011: Создана подробная таблица дроссельной заслонки для первой ступени VX-200 с использованием аргона и криптона. Плазменный шлейф VX-200 детально картируется в условиях высокого вакуума.

2012: VX-200 демонстрирует повышенную производительность и эффективное регулирование постоянной мощности.

Франклин Чанг Диас является президентом и генеральным директором компании. Франклин Чанг Диас изобрел концепцию VASIMR® и работал над ее разработкой с 1979 года. Технология VASIMR® началась в лаборатории Чарльза Старка Дрейпера в Кембридже, штат Массачусетс, и продолжилась в Центре синтеза плазмы Массачусетского технологического института, прежде чем проект был перенесен в Космический центр Джонсона. в 1994 г.

Ad Astra Rocket была зарегистрирована 14 января 2005 г., когда концепция VASIMR® была приватизирована НАСА. Штаб-квартира AARC находится в 3 милях к западу от Космического центра Джонсона НАСА и примерно в 25 милях к югу от города Хьюстон.

Технология космических двигателей

Двигатель VASIMR® — это новый тип электрического двигателя с множеством уникальных преимуществ. В двигателе VASIMR® газ, такой как аргон, ксенон или водород, впрыскивается в трубу, окруженную магнитом и рядом двух радиоволновых (РЧ) соединителей. Соединения превращают холодный газ в перегретую плазму, а магнитное сопло ракеты преобразует тепловое движение плазмы в направленную струю. ³⁾

Принципы работы: Основная цель первого радиочастотного соединителя состоит в том, чтобы преобразовывать газ в плазму путем его ионизации или выбивания электрона из каждого атома газа. Он известен как секция геликона, потому что его ответвитель имеет такую форму, что он может ионизировать газ, запуская спиральные волны. Геликонные ответвители — распространенный метод генерации плазмы. После сечения геликона газ теперь представляет собой «холодную плазму», хотя его температура выше, чем у поверхности Солнца (5800 К). Плазма представляет собой смесь электронов и ионов (атомов, от которых они были отделены). Новообразованные электроны и ионы несут заряд и затем могут удерживаться магнитным полем, защищающим ядро ракеты от плазмы. Второй ответвитель называется секцией ICH (ионно-циклотронный нагрев). ICH — это метод, используемый в термоядерных экспериментах для нагрева плазмы до температур порядка температуры в ядре Солнца (10 миллионов К). Волны ICH толкают только ионы, поскольку они вращаются вокруг силовых линий магнитного поля, что приводит к ускоренному движению и более высокой температуре.

Тепловое движение ионов вокруг силовых линий магнитного поля в основном перпендикулярно направлению движения ракеты и должно быть преобразовано в направленный поток для создания тяги. Ракета использует магнитное сопло для преобразования орбитального движения ионов в полезный линейный импульс, в результате чего скорость ионов составляет порядка 180 000 км / ч (112 000 миль в час).

Рисунок 1: VASIMR® работает с плазмой, электрически заряженным газом, нагретым до экстремальных температур радиочастотными (РЧ) волнами, управляемым и управляемым сильными магнитными полями, которые также обеспечивают изоляцию. Плазменные ракеты, такие как VASIMR®, имеют чрезвычайно низкий расход топлива и гораздо более высокую мощность и/или производительность по сравнению с другими электрическими или химическими ракетами. VASIMR® предлагает экономические и эксплуатационные преимущества при развертывании спутников, повторной стимуляции, восстановлении и утилизации по окончании срока службы. С надлежащим ядерно-электрическим источником энергии VASIMR® может обеспечить гораздо более быструю и безопасную транспортировку людей и роботов в дальнем космосе, где солнечной энергии недостаточно (изображение предоставлено AARC)

Двигатель VASIMR® по сравнению с другими электрическими двигателями

Двигатель VASIMR® имеет три важные особенности, которые отличают его от других плазменных двигательных установок:

• Двигатель VASIMR® имеет возможность более широкого варьирования параметров выхлопа (тяги и удельного импульса). ) для оптимизации требований миссии, что приводит к наименьшему времени полета с максимальной доставляемой полезной нагрузкой для данной топливной загрузки.

• Двигатель VASIMR® использует электромагнитные (РЧ) волны для создания и возбуждения плазмы внутри своего ядра. Таким образом, двигатель VASIMR® не имеет электродов из физического материала, контактирующих с горячей плазмой. Отсутствие электродов приводит к большей надежности, более длительному сроку службы и обеспечивает гораздо более высокую удельную мощность, чем у конкурирующих ионных и холловских двигателей.

• Двигатель VASIMR® способен обрабатывать большое количество энергии, а это означает, что он может создавать большее количество тяги. Эта большая тяга обещает сделать двигатель VASIMR® полезным для перемещения больших полезных грузов по низкой околоземной орбите, доставки полезных грузов с Земли на Луну и доставки полезных грузов с Земли во внешние области Солнечной системы. Технология VASIMR® также обладает высокой масштабируемостью, а это означает, что можно легко разрабатывать более мощные версии; делая реальностью человеческие миссии с электрическим двигателем.

Источники питания

Одной из ключевых задач при разработке двигателя VASIMR® является подача к нему питания. Для мощного электрического двигателя требуется много электроэнергии, и для ее выработки в космосе могут потребоваться некоторые инженерные инновации. Ниже обсуждается два варианта.

Солнечная энергия: Солнечная энергия может быть эффективно использована для околоземных миссий VASIMR®, таких как компенсация сопротивления для космических станций, лунный грузовой транспорт и дозаправка в космосе. Недавние достижения в технологии солнечных батарей показывают значительное увеличение использования солнечной энергии (до порядка величины).

Рисунок 2: Иллюстрация концепции лунного буксира на солнечных батареях с двумя двигателями VASIMR® (изображение предоставлено AARC)

Атомная энергия

Ядерный реактор имеет очень большое количество энергии на единицу массы; активная зона реактора имеет самую высокую плотность энергии среди всех полезных источников энергии на Земле. Высокая плотность энергии и масштабируемость делают ядерные реакторы идеальным источником энергии в космосе. Космический корабль с ядерной электроэнергией может значительно сократить время перемещения людей между планетами и запускать роботизированные грузовые миссии с очень большой полезной нагрузкой. Время полета и масса полезной нагрузки являются основными ограничениями обычных и ядерных тепловых ракет из-за их изначально низкого удельного импульса (менее 1000 секунд). Космический корабль с ядерным двигателем VASIMR® обещает сделать реальностью быстрые пилотируемые миссии.

Первая летная установка

Двигатель VF-200 ^TM — первая летная установка двигателя VASIMR®. Он будет испытан в космосе, где тяга и характеристики могут быть измерены без ограничений наземных камер моделирования космического пространства. VF-200 ^TM будет состоять из двух подруливающих устройств мощностью 100 кВт, установленных бок о бок. ⁴⁾

Двигатель VF-200 ^TM разрабатывается для достижения установившейся рабочей температуры, чтобы доказать, что он способен работать неограниченно долго для будущих миссий. Ad Astra предложила провести летные испытания на Международной космической станции (МКС), которые могли бы использовать небольшое количество электроэнергии от МКС для зарядки большой аккумуляторной батареи, способной питать двигатели в течение примерно 15 минут на полной мощности во время каждого импульса. Рассматриваются и другие подходы к космическим испытаниям, в том числе специальный летательный аппарат специального назначения или существующая платформа для космических испытаний.

Рисунок 3: Концепция полезной нагрузки МКС VASIMR® Aurora, включая двигатель VF-200TM, установленного на Международной космической станции (изображение предоставлено AARC)Рисунок 4: Другой вид концепции полезной нагрузки МКС VASIMR® Aurora, установленной на Международной космической станции (Изображение предоставлено AARC)

Статус разработки VASIMR® ® Plasma Rocket компании Ad Astra

22 июля 2021 г.: ракета VASIMR® Plasma VX-200SS компании Ad Astra отработала 8 часов непрерывной работы. 80 кВт в лаборатории компании в Техасе недалеко от Хьюстона. При этом компания устанавливает новый мировой рекорд по выносливости мощных электродвигателей. Испытание также демонстрирует зрелость технологии двигателя VASIMR® как конкурентоспособного варианта для мощного космического электрического двигателя с использованием солнечной или ядерной энергии. Электрические ракеты мощностью более 50 кВт на двигатель считаются «мощными». ⁵⁾

Рисунок 5: Фотография двигателя VX200 (фото предоставлено Ad Astra Rocket Company)

— Испытания начались в 12:50 (по центральному поясному времени) в прошлый понедельник, 12 июля, и закончились в пятницу, 16 июля, в 16:55. утра (CST). Стрельба прекратилась всего за 12 часов до запланированной продолжительности в 100 часов из-за ложного датчика температуры, расположенного в вспомогательном испытательном оборудовании, а не на конструкции ракеты. Однако ракета работала нормально, и все указывало на то, что, если бы не этот неисправный датчик, она достигла бы цели в 100 часов и превысила ее. Ad Astra считает, что 88-часовое испытание дает объективное и достаточное доказательство того, что двигатель VASIMR® соответствует цели высокой мощности, установленной НАСА.

— «Испытание стало большим успехом, кульминацией многолетних испытаний методом проб и ошибок и кропотливого внимания к деталям, а также солидной наградой за упорство и самоотверженность команды», — сказал Франклин Р. Чанг Диас, председатель Ad Astra и Генеральный директор и награжденный бывший астронавт НАСА. «Поскольку новый набор модификаций двигателя уже находится на стадии производства, теперь мы перейдем к демонстрации устойчивого теплового режима на мощности 100 кВт во второй половине 2021 года», — добавил он.

— Двигатель VASIMR® уникален тем, что сохраняет высокую мощность химической ракеты, но с десятикратной топливной экономичностью. Как таковой, он является отличным кандидатом для множества приложений, начиная от грузов с высокой полезной нагрузкой на солнечных батареях и миссий по пополнению запасов в цирлунном пространстве, до быстрых пилотируемых миссий на Марс и за его пределы с помощью NEP (ядерно-электрическая двигательная установка). .

— Растущее значение миссий НЭП, для которых идеально подходит VASIMR®, отражено в формулировках законопроекта 2022, представленного Комитетом по ассигнованиям на торговлю, правосудие, науку и смежные агентства Палаты представителей США, , который говорится, что «… не менее 10 000 000 долларов США должны быть использованы для начала систематического подхода к ядерным электрическим двигателям …» и «в течение 180 дней после вступления в силу этого закона НАСА в координации с другими соответствующими федеральными департаментами и агентствами, такими как как Министерству энергетики представить многолетний план демонстрации двигательной установки в космосе для НЭПа».

— «Очень вдохновляюще видеть, как много Франклин Чанг Диас и команда Ad Astra смогли достичь и продвинуться за те годы, что я их знаю. Эта технология обладает большим потенциалом для революции в космической отрасли», — сказал конгрессмен США Брайан Бабин, высокопоставленный член подкомитета Палаты представителей по космосу и аэронавтике. «Небольшая, но целеустремленная команда Ad Astra является настоящим свидетельством настойчивости, и продолжение инвестиций в передовые технологии, такие как VASIMR®, имеет решающее значение, если мы хотим оставаться страной, лидирующей в освоении космоса», — добавил он.

— Основная цель компании состоит в том, чтобы двигатель VASIMR® продемонстрировал работу в стабильном тепловом режиме при все более высоких уровнях мощности. Это условие требует, чтобы все температуры критических компонентов двигателя стабильно поддерживались системой управления температурным режимом двигателя.

— «Возможность непрерывной работы на мощности 80 кВт впечатляет, потому что мы так близки к нашей проектной цели в 100 кВт и нам нужно сосредоточиться на модернизации всего нескольких компонентов», — сказал д-р Мэтью Джамбуссо, старший научный сотрудник Ad Astra, и руководитель экспериментальных операций. «Быстрая череда успешных тестов за последние несколько недель была захватывающей», — добавил он.

— Значительные успехи в разработке этой системы были достигнуты в ходе экспериментальных кампаний продолжительностью от нескольких дней до недель, после каждой из которых следовал период проверки, разборки и усовершенствования. Это быстрое прототипирование является основой подхода Ad Astra к быстрому совершенствованию технологии VASIMR® и предоставлению конкурентоспособного варианта мощного электрического двигателя как для государственных, так и для частных клиентов.

— Управление температурным режимом двигателя VASIMR® является уникально сложной задачей, поскольку необходимо тщательно контролировать температуру от миллионов градусов в плазменном ядре ракеты до почти абсолютного нуля в сверхпроводящем магните, расположенном на расстоянии нескольких десятков сантиметров. Это, конечно, в условиях вакуума, где должен работать двигатель. Эти строгие требования потребовали от Ad Astra разработки инновационных технологий производства и сборки, чтобы соответствовать необычным тепловым и электромагнитным ограничениям в пределах имеющегося корпуса двигателя. «Чтобы добиться гармоничной работы большого разнообразия материалов в окружающей среде, в которой находится двигатель, мы столкнулись с серьезными производственными проблемами, которые нам пришлось преодолеть», — сказал г-н Лоуренс «DJ» Дин, глава производства Ad Astra.

• 9 июля 2021 г .: Ракетная компания Ad Astra побила еще один важный рекорд по длительной/мощной стрельбе своего плазменного двигателя VASIMR® VX-200SS и тем самым еще больше продвинула технологию мощного и топливного двигателя. эффективные электрические ракеты. Электрические ракеты мощностью более 50 кВт на двигатель считаются «мощными». ⁶⁾

— В среду, 30 июня, основываясь на череде предыдущих испытаний в этом году, с увеличением продолжительности и мощности, компания завершила рекордные испытания двигателя, работающего на уровне мощности 82,5 кВт для 28 часов, что намного дольше, чем у любого другого мощного оружия на сегодняшний день. Испытания продолжаются в исследовательском центре компании в Техасе недалеко от Хьюстона.

— Двигатель VASIMR® уникален тем, что сохраняет высокую мощность химической ракеты, но с десятикратной топливной экономичностью. Таким образом, он является отличным кандидатом для множества применений, начиная от грузовых коммерческих грузов с высокой полезной нагрузкой на солнечных батареях и миссий по пополнению запасов в окололунном пространстве до быстрых ядерно-электрических пилотируемых миссий на Марс и за его пределы.

— «Мы очень гордимся командой Ad Astra. Их техническое совершенство, упорство и самоотверженность отражены в этом достижении. Никакая другая электрическая плазменная ракета с такими уровнями мощности и технологической готовности не достигла такого сочетания мощности и выносливости двигателя VASIMR®, которое было достигнуто на сегодняшний день», — сказал Франклин Р. Чанг Диас, председатель и главный исполнительный директор Ad Astra и бывший астронавт НАСА, получивший награды. «Мы могли бы легко побить 28-часовой рекорд, но решили остановить тест, чтобы дать команде столь необходимый отдых и возможность отпраздновать праздник 4 июля», — добавил он.

— Ad Astra неуклонно приближается к рубежу в 100 кВт/100 часов, установленному НАСА, не отвлекаясь от основной цели компании: демонстрации теплового установившегося режима работы двигателя на высокой мощности. Это условие требует, чтобы все температуры критических компонентов двигателя успешно контролировались системой управления тепловым режимом двигателя.

— «Сочетая инновации и решительность, наша небольшая команда разработала уникальные инженерные и производственные возможности для стационарного двигателя VASIMR®, которые сделали недавний успех возможным», — сказал д-р Мэтью Джамбуссо, старший научный сотрудник Ad Astra. и руководитель экспериментальных операций. «Нам предстоит еще много работы, чтобы выйти на проектную мощность в 100 кВт, но последние несколько недель продемонстрировали значительный прогресс», — добавил он.

• 23 января 2000 г.: ⁷⁾ Радиочастотный (РЧ) блок обработки энергии (PPU) нового поколения для двигателя VASIMR®, построенный для ракетной компании Ad Astra компанией Aethera Technologies Ltd. из Канады, завершил Испытание на полной мощности в вакууме на заводе Ad Astra в Техасе недалеко от Хьюстона. Испытания, проведенные 20 января, включали работу установки в условиях жесткого вакуума и стабильного теплового режима при полной номинальной мощности 120 кВт. В рамках испытаний PPU также подвергался воздействию магнитного поля двигателя VASIMR®, чтобы убедиться в отсутствии влияния магнитного поля на работу PPU.

— С помощью этого теста Ad Astra успешно завершила одну из трех оставшихся основных технологических вех в рамках контракта партнерской программы NextSTEP с НАСА на усовершенствование двигателя VASIMR®. Благодаря этим результатам система VASIMR® теперь полностью находится на уровне технологической готовности (TRL) 5; то есть все критические компоненты двигателя теперь работали на полной мощности в соответствующей среде под вакуумом.

— ключевой компонент двухступенчатого двигателя VASIMR®, RF PPU обеспечивает высокочастотную энергию, необходимую для эффективного нагрева аргонового топлива ракеты на второй ступени высокой мощности. Аналогичный RF PPU меньшей мощности будет использоваться на первой ступени для ионизации топлива. Образовавшаяся высокотемпературная плазма разгоняется в магнитном сопле, обеспечивая ракетную тягу.

— При максимальной номинальной мощности 120 кВт и весе всего 53 кг блок VASIMR® RF PPU в 10 раз легче, чем у конкурирующих электрических подруливающих устройств, а его усовершенствованная конструкция на основе полупроводников обеспечивает более 97% отношения постоянного тока к Эффективность радиочастотной мощности. Такие замечательные характеристики были продемонстрированы в вакууме и вблизи магнитного поля двигателя VASIMR®.

— Разработка RF PPU осуществляется при поддержке Ad Astra Rocket Company и Канадского космического агентства (CSA). Поддержка CSA является частью соглашения о вкладе в рамках Программы развития космических технологий (STDP), объявленной CSA 25 мая 2018 года, и расширяет международное измерение проекта VASIMR®.

— В очереди на Ad Astra остались две вехи, которые планируется завершить этой весной. Они включают продолжительное сжигание испытательного изделия VX-200SS VASIMR® мощностью 100 кВт; один на 5-6 часов для демонстрации термоконтроля двигателя и второй на 100 часов для оценки срока службы компонентов. По завершении этих этапов Ad Astra перейдет к следующему этапу развития технологии: разработке двигателя TRL-6 VASIMR® для космических испытаний.

— «Наблюдение за тестом было похоже на сон со всеми параметрами, поддерживающими очень удобные пределы. То, что казалось легким испытанием, стало свидетельством профессионализма команд, разработавших и протестировавших это прекрасное оборудование», — говорит Джаред Сквайр, старший вице-президент по исследованиям. «Требования к условиям окружающей среды в отношении вакуума и магнитного поля были ключевыми требованиями к RF PPU, и успешный результат первого испытания стал большим достижением для команды разработчиков», — сказал Тим Харди, главный технический директор Aethera. «Мы с нетерпением ждем дальнейших положительных результатов, поскольку команда Ad-Astra готовит двигатель VASIMR® к космическим испытаниям», — добавил он.

— Об Aethera: Компания Aethera Technologies Limited, расположенная в Галифаксе, штат Новая Каролина, разрабатывает инновационные технологии и предоставляет сопутствующие услуги своим клиентам, уделяя особое внимание радиочастотной (РЧ) мощности для аэрокосмических, коммуникационных, научных и промышленных приложений, включая диэлектрический нагрев. Aethera стремится превращать идеи в конкурентное преимущество для наших клиентов.

— О Программе развития космических технологий CSA: Программа развития космических технологий CSA (STDP) поддерживает инновации для роста канадского космического сектора и направлена на сокращение технологических неизвестных. Контракты выдаются канадским организациям на разработку технологий для удовлетворения будущих потребностей Канадской космической программы, а безвозмездные взносы предоставляются канадским организациям для поддержки разработки инновационных технологий с большим коммерческим потенциалом.

Рисунок 6: Некоторые члены команды Ad Astra, которые поддерживали испытания RF-PPU, позируют перед открытой вакуумной камерой на заводе компании в Техасе. RF-PPU и часть тестового оборудования видны на заднем плане (вверху в центре). Основная тестовая статья VX-200SS занимает верхнюю правую часть изображения (изображение предоставлено Ad Astra Rocket Company)

• 20 августа 2019 г. : Блок обработки радиочастотного (РЧ) питания (PPU) нового поколения для VASIMR® Двигатель, построенный канадской компанией Aethera Technologies Ltd., завершил серию приемочных испытаний на полной мощности на заводе Ad Astra Rocket Company в Техасе недалеко от Хьюстона. Блок завершил эти испытания 12 августа, работая в устойчивом тепловом режиме без аномалий при полной номинальной мощности 120 кВт. RF PPU теперь готов к включению в вакуумную установку Ad Astra, чтобы его можно было протестировать с VX-200SS 9.0436 TM Прототип VASIMR®. Эти испытания являются частью текущей программы Ad Astra в рамках партнерского контракта NASA NextSTEP. ⁸⁾

— RF PPU является важнейшим компонентом двигателя VASIMR®, обеспечивающим радиочастотную энергию, необходимую для эффективной ионизации и нагрева аргонового топлива в ракете. Образовавшаяся высокотемпературная плазма ускоряется в магнитном сопле, создавая тягу.

— Aethera разработала РЧ-блок питания с эффективностью преобразования электроэнергии в РЧ >97%, используя усовершенствованные полупроводники и обеспечивая возможность работы в вакууме и в непосредственной близости от магнитного поля двигателя VASIMR®. Кроме того, новый PPU VASIMR® RF весом 52 кг примерно в 10 раз легче, чем PPU конкурирующих электрических двигателей.

— Разработка RF PPU осуществляется при поддержке Ad Astra Rocket Company и Канадского космического агентства (CSA). Поддержка CSA является частью соглашения о вкладе в рамках Программы космических технологий и развития (STDP), объявленной CSA 25 мая 2018 года. Финансовый взнос CSA подчеркивает долгосрочную точку зрения Канады на важность мощных электрических двигателей в постепенном развитии человечества эволюции за пределами низкой околоземной орбиты (НОО) и придает проекту дополнительный международный оттенок.

— «Мы очень довольны результатами этих испытаний», — сказал д-р Франклин Р. Чанг Диас, генеральный директор Ad-Astra Rocket Company. «Команды Aethera и Ad Astra очень усердно и хорошо работали вместе, чтобы достичь этой важной вехи, и мы с волнением и оптимизмом смотрим в будущее», — добавил он.

— «Мы очень рады быть частью команды VASIMR® и иметь возможность разрабатывать современное оборудование для космической отрасли», — сказал Тим Харди, главный технический директор Aethera. «Испытания нового ВЧ ППУ на полной мощности — чрезвычайно положительный результат на пути к созданию ракеты, пригодной для полетов», — добавил он.

1) «Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом», Википедия, URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Variable_Specific_Impulse_Magnetoplasma_Rocket

2) http://www.adastrarocket.com/aarc/history

3 ) http://www.adastrarocket.com/aarc/VASIMR

4) http://www.adastrarocket.com/aarc/VF-200

5) «Плазменная ракета VASIMR VX-200SS завершила рекордное 88-часовое -Power Endurance Test», Ad Astra, пресс-релиз, 22 июля 2021 г., URL: https://www.adastrarocket.com
/pressReleases/2021/20210722-PressRelease.pdf

6) «Компания AD Astra Rocket побила рекорд мощности и выносливости в недавних испытаниях плазменной ракеты VASIMR® VX-200SS», пресс-релиз Ad Astra, 9 июля 2021 г., URL: https://www.adastrarocket.com/pressReleases/2021/20210709-PressRelease.pdf

7) «Новый блок обработки ВЧ-мощности Aethera для двигателя VASIMR® успешно завершил испытания вакуума и магнитного поля на полной мощности в компании Ad Astra Rocket Company в Техасе.