Двигатель ракетный плазменный: В России сделают плазменный ракетный двигатель для освоения дальнего космоса / Хабр

В России сделают плазменный ракетный двигатель для освоения дальнего космоса / Хабр

alizar
26 мая 2016 в 15:12

Научно-популярное Энергия и элементы питания Космонавтика

^{Один из первых прототипов плазменного двигателя в Исследовательском центре НАСА им. Льюиса в Кливленде, 1961 г}

Научно-технический совет НПО «Энергомаш» совместно с НИЦ «Курчатовский институт» решили подать заявку в Фонд перспективных исследований на реализацию проекта безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД). Уже определены состав работ по созданию лабораторного образца.

Плазменный двигатель — электрический ракетный двигатель (ЭРД), рабочее тело которого приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы. Идею двигателей такого типа предложил российский физик Алексей Иванович Морозов в 60-е годы. Сейчас они используются, преимущественно, для поддержания точек стояния геостанционарных спутников связи.

Плазменный двигатель от «Энергомаша» мощностью более 100 кВт подойдёт не только для геостационарных спутников, но и для дальних межзвёздных перелётов.

В последние годы разработки различных видов плазменных двигателей нового поколения начались в разных странах, в том числе совместный проект геликонного плазменного двигателя в Европейском космическом агентстве, Иранском космическом агентстве и Австралийском национальном университете. Американская Ad Astra Rocket Company с канадской Nautel испытывают 200-киловаттный плазменный двигатель VASIMR.

^VASIMR

«Многочисленные варианты уже существующих ЭРД доказали свои положительные качества: высокий импульс (скорость истечения рабочего вещества) и малый массовый расход рабочего тела, что позволяет космическим аппаратам совершать полёты на большие расстояния, — сказано в сообщении «Роскосмоса». — Однако имеющиеся недостатки ЭРД — малая тяга — накладывают определённые ограничения использования подобных двигательных установок — полёты на большие расстояния длятся очень долго. Сегодня ЭРД используются в качестве двигателей для корректировки орбит и ориентации небольших космических аппаратов. Обычно мощность таких двигателей не превышает нескольких десятков киловатт, обеспечиваемых на околоземных орбитах солнечными батареями».

Российский двигатель будет во многих отношениях уникальным.

Рассматриваемый в настоящее время вариант безэлектродного плазменного ракетного двигателя является новым поколением ЭРД. Он обладает высокой энергетической эффективностью, возможностью использовать в качестве рабочего тела практически любое вещество, способен изменять величину удельного импульса, а максимальная мощность двигателя ограничивается практически только мощностью питания высокочастотного генератора. Также двигатель такого типа потенциально может иметь большой ресурс работы, поскольку снимаются все ограничения, связанные с воздействием энергонасыщенного рабочего вещества с элементами конструкции.

Реализация идей, заложенных в предлагаемую разработку, стала возможной благодаря прогрессу в исследовании плазменных процессов термоядерного синтеза, в развитии технологии высокотемпературных сверхпроводников и современной элементной базы высокочастотных генераторов. При создании такого двигателя разработчикам придется решить вопросы оптимизации плазменных процессов, разработки высокочастотного генератора, криогенных магнитных систем, а также систем питания и управления БПРД. Обеспечение решения этих задач потребует создания экспериментальной и испытательной стендовой базы.

Курчатовский институт ведёт разработку плазменных двигателей несколько десятилетий. В свою очередь, АО «Конструкторское бюро химавтоматики» начало заниматься ЭРД с 2010 года и уже изготовило демонстрационный образец магнитоплазмодинамического двигателя мощностью до 10 кВт, а также высокочастотный ионный двигатель мощностью 300 Вт.

Теги:

• БПРД
• плазменный двигатель
• электрический ракетный двигатель
• ЭРД
• Энергомаш
• ионный двигатель
• реактивная тяга
• Курчатовский институт
• Конструкторское бюро химавтоматики
• VASIMR

Хабы:

• Научно-популярное
• Энергия и элементы питания
• Космонавтика

Всего голосов 24: ↑21 и ↓3 +18

Просмотры

35K

Комментарии
141

Анатолий Ализар
@alizar

автор, фрилансер

Telegram

Комментарии
Комментарии 141

Созданный в России плазменный ракетный двигатель VERA прошёл огневые испытания и готов к тестам в космосе

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, прорывной шаг вперед в развитии 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 устойчивым, 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 общей 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 «ядром ракеты». Ядро ракеты разделено на 3 ступени. В первом газ впрыскивается и нагревается с помощью радиочастотного (РЧ) соединителя для получения 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.

73

% Эффективность двигателя

6

(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 ракетный двигатель

Плазменный ракетный двигатель значительно ускоряет космический полет

Художественный концепт плазменной ракеты. Прототип разрабатывается подразделением Fusion Energy в Центре производственных технологий Ок-Риджа.

Это может быть не варп-скорость, а новая ракета
Концепция двигателя, разработанная в Центре производственных технологий Ок-Риджа, может сделать космические полеты намного более быстрым бизнесом, чем это уже есть. Это было бы хорошей новостью для астронавтов, которым предстоит долгое путешествие вдали от дома в межпланетных миссиях.

Центр радиочастотных (РЧ) и микроволновых технологий ORCMT в Центре производственных технологий Ок-Риджа сотрудничает с НАСА для разработки прототипа мощного плазменного ракетного двигателя, концепции, которую НАСА рассмотрит для высокоскоростного межпланетного движения. Система разрабатывается в качестве проверки принципа действия магнитоплазменной ракеты с переменным удельным импульсом или VASIMR.

По словам Стэна Милора из отдела Fusion Energy ORNL, где расположен центр ORCMT, газ с низкой молекулярной массой, вероятно, гелий, будет ионизирован, нагрет радиочастотными волнами и выброшен из ракетного двигателя.

«Вы можете обеспечить тягу двумя способами: с низкой скоростью и большим массовым расходом, как в ракете на жидком топливе, что очень неэффективно, или с помощью плазмы, которая выбрасывает топливо при температуре в миллионы градусов вместо тысяч», — говорит Милора. «Это будет ракета со значительно увеличенной топливной экономичностью — вы сможете совершать более длительные полеты с большей полезной нагрузкой, потому что на топливо будет приходиться меньше веса».0005

Плазма VASIMR, состоящая из ионов гелия и электронов, генерируется геликоновым инжектором плазмы и удерживается и формируется высокотемпературными сверхпроводящими магнитами. Плазма будет направляться через камеру ракеты, образованную магнитным полем, и дополнительно нагреваться радиочастотными волнами на ионно-циклотронных частотах.

«Гелий можно нагревать до очень высоких температур, что обеспечивает направленный, очень быстрый выхлопной шлейф», — говорит Милора. Магнитное поле похоже на шланг. По мере того как ионы гелия спускаются по шлангу, вращаясь на циклотронной частоте, мы поднимаем их дальше с помощью радиочастотной мощности, настроенной на эту частоту. 0005

То, что выходит из магнитного сопла ракеты, имеет температуру 1 миллион градусов и скорость 70 000 метров в секунду.

Плазменная ракета будет использовать топливо в относительно небольших количествах по сравнению с обычной химической ракетой для той же миссии. В реальной миссии для старта с Земли будут использоваться обычные ракетные двигатели. Оказавшись в космосе, корабль переключался на плазменный двигатель и непрерывно разгонялся, вместо того, чтобы двигаться по инерции к месту назначения после кратковременного «выжигания» на большой тяге.0005

Первый полет VASIMR может состояться уже в 2001 году. НАСА рассматривает возможность тестирования технологии в рамках миссии двойного назначения под названием «Миссия по демонстрации радиации и технологий». В дополнение к своим основным целям демонстрации технологий космический корабль будет нести приборы для измерения радиации и проведет всестороннее исследование радиационных поясов Ван Аллена.

Двигатель VASIMR разрабатывается в партнерстве с Лабораторией перспективных космических двигателей НАСА, а также с частным сектором и рядом университетов США. ORCMT несет основную ответственность за радиочастотные и сверхпроводящие магнитные системы VASIMR. Подразделение ORNL Fusion Energy в течение последнего десятилетия было ведущей радиочастотной лабораторией Министерства энергетики США по применению термоядерной энергии и занимается исследованиями и разработками, направленными на коммерческое применение высокотемпературных сверхпроводников.

Успешная конструкция даст НАСА огромную свободу действий в расширенных миссиях, потому что для топлива будет использоваться гораздо меньшая полезная нагрузка космического корабля. VASIMR обеспечит широкий спектр возможностей прерывания миссии, что является важным элементом полета человека. Более высокие скорости от непрерывного ускорения также будут важны для экипажей в пилотируемых миссиях.

Физик-медик ORNL и математик Тройс Джонс утверждает, что длительные космические полеты могут иметь очень пагубные последствия для экипажей, страдающих от потери костной массы (и связанных с этим последствий для иммунной системы) из-за микрогравитации, высокой радиации и даже месяцев невкусной пищи.