Обзор концепта двигателя vasimr

Тимоти А. Маркарт¹

Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом (англ. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR) – новый тип электродвигателя, разработанного ракетной компанией Ad Astra. Он позволяет оптимизировать ракетное топливо космических миссий благодаря своей способности регулировать тягу и удельный импульс, при этом поддерживая постоянную мощность. Ракетный двигатель VASIMR использует радиоволны для ионизации рабочего тела с последующим разгоном полученной плазмы с помощью электромагнитного поля для получения тяги. Недавние испытания на 200-киловаттной экспериментальной модели продемонстрировали до 10 Н тяги и 4900 секунд удельного импульса с эффективностью системы = 72%. Несмотря на устойчивый прогресс, концепции VASIMR по-прежнему препятствует отсутствие подходящего источника питания для крупномасштабных миссий.

Номенклатура

a = ускорение

B = магнитное поле

b = единичный вектор в направлении B

E = электрическое поле

E = энергия

E _i = ионизация

F _L = сила Лоренца

F _t = тяга

g = гравитационное ускорение

I = суммарный импульс

I _sp = удельный импульс

ICH = ионно-циклотронный нагрев

K _i = суммарная кинетическая энергия ионов

К _∥ = параллельная кинетическая энергия

К _Ⱶ = перпендикулярная кинетическая энергия

m = масса

m _a = горючее/рабочее тело

m _i = суммарная масса ионов

n _i = плотность ионов

P = мощность

q = заряд частицы

RF = радиочастоты

r _L = ларморовский радиус

t _f = время в полёте

u = скорость истечения газов

v = скорость

v _Ⱶ = составляющая скорости, перпендикулярная B

v _∥ = составляющая скорости, параллельная B

VASIMR = Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом

х _c = направление центрального положения

α = удельная энергоёмкость

φ _i = поток ионов

γ = коэффициент понижения импульсов

η = КПД

µ = магнитный момент

θ = сопловой полуугол

ω _c = циклотронная частота

___________________________________________________________________________

¹ Студент аэрокосмической промышленности, университет Auburn. Этот документ был подготовлен в рамках весенней 2014 AERO 6530. Данные исследования не являются авторскими и не принадлежат университету.

Введение

Э лектромагнитный ракетный ускоритель представляет собой новый тип электрического двигателя, разработанный в Ad Astra Rocket Company. Как и многие другие электродвигатели, VASIMR использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для разгона плазмы и получения тяги.¹ При этом, VASIMR действительно уникален.

На рисунке 1 показана схема двигателя. Сначала газ поступает в устройство и проходит через геликонную RF-муфту, которая бомбардирует газ радиоволнами высокой интенсивности для повышения ионизации. Затем газ преобразуется в плазму с температурой около 5800К¹ . Мощные электромагниты окружают ядро двигателя и создают приложенное магнитное поле для сдерживания и направления потока плазмы. Такая «холодная» плазма переходит во вторую соединительную RF-муфту, также известную как секция ионно-циклотронного нагрева (ICH). Далее ICH облучает ионы радиоволнами, настроенными на ионно-циклотронную частоту. Заставляя их ускорить своё движение по орбитам вокруг силовых линий магнитного поля.¹ Затем плазма проходит через магнитное сопло для преобразования перпендикулярного кругового движения в полезное линейное, и выброса ионов с максимальной скоростью, благодаря чему возникает тяга.¹

Поскольку плазма ионизируется радиоволнами и сдерживается электромагнитными полями на протяжении всего процесса, она никогда напрямую (физически) не контактирует ни с одной частью двигателя. В частности, с электродами. Это значительно продлевает потенциальный срок службы двигателя и теоретически даёт ему преимущество в сравнении с большинством других электродвигателей. Следующее преимущество VASIMR в том, что тяга и удельный импульс могут контролироваться регуляцией подачи газа и поступления энергии в RF-муфту. Таким образом, один и тот же двигатель может не только эффективно поддерживать тягу в течение длительного времени, но и, при необходимости, обеспечить всплески относительно высокой тяги с меньшим удельным импульсом. Такие возможности могут быть использованы для аварийного отключения или настройки мощности двигателя для определённых миссий.

Из недостатков концепции VASIMR следует отметить потребность в мощном источнике питания и нежелательное влияние сильных магнитных полей на оборудование корабля. Концепция двигателя предложена астронавтом и учёным Франклином Чанг-Диазом из Коста-Рики в 1979 году в процессе исследования удержания плазмы в магнитных зеркалах в лаборатории Чарли Старка Дрейпера.³ Чанг-Диаз понял, что магнитно-направленная плазма может быть использована в качестве текучей среды высокоскоростного ракетного двигателя. Несколько лет спустя, когда Чанг-Диаз стал астронавтом, он начал разработку двигателя VASIMR в сотрудничестве с НАСА и его работа была перенесена в прогрессивную лабораторию реактивного движения в Космическом центре Джонсона.³ Там он продолжил эксперименты с различными способами удержания плазмы и выявил, что для продления срока службы оборудования потребуется бесконтактный метод.³ Кроме того, оригинальная идея магнитного зеркала была заброшена, когда было обнаружено, что геликонная антенна может ионизировать газ-вытеснитель в один прогон.³ Испытательный запуск более мощных двигателей производился с 1995 по 2005 года с успешным испытанием прототипа, впервые удавшимся в 1998 г. С 2005 финансирование проекта в НАСА иссякло и Чанг-Диаз основал кампанию Ad Astra Rocket – для продолжения работы над двигателем VASIMR.³ Технология все еще находится в разработке, на 2015 год запланирована установка опытного образца двигателя на борту Международной космической станции. Ожидаемые характеристики 200 кВт-модели: 60% КПД, примерно 5 Н тяги и около 5000 сек максимального удельного импульса.²