Реферат на тему:
VASIMR на испытательном стенде
Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом (англ. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; 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.
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 близким к системам большой тяги и малой.
Концепция двигателя предложена астронавтом и учёным Франклином Чанг-Диазом из Коста-Рики в 1979 году и продолжает развиваться в настоящее время.
VASIMR, иногда рассматриваемый как электротепловой плазменный ускоритель (ЭПУ), использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для ускорения плазмы для получения ускорения. 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 ионизированной плазмой, потенциальная продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя.
Проект включает в себя три части:
Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, направленного на создание плазмы, VASIMR способен как производить малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.
Диаграмма VASIMR
В отличие от обычных циклотронно-резонансных нагревающих процессов, ионы в VASIMR сразу же проходят через магнитное сопло быстрее времени, необходимого для достижения термодинамического равновесия. Основываясь на теоретической работе 2004 года Арефьева (Arefiev) и Брейзмана (Breizman) из Техасского университета в Остине, практически вся энергия в ионной циклотронной волне будет равномерно распределена в ионизированной плазме за один проход в циклотронном абсорбционном процессе. Это позволяет ионам покинуть магнитное сопло с очень узким распределением энергии, что дает упрощенное и компактное распределение магнитов в двигателе.[1]
Текущие VASIMR должны обладать удельными импульсами в диапазоне от 3000 до 30 000 секунд (скорости истечения от 30 до 300 км/с). Нижний предел этого диапазона сопоставим с некоторыми существующими концепциями ионных двигателей. Регулируя получение плазмы и нагрев, VASIMR может управлять удельным импульсом и тягой. Двигатель также способен использовать гораздо более высокие уровни энергии (мегаватты) по сравнению с существующими концепциями ионных двигателей. Поэтому VASIMR может обеспечить в десятки раз большую тягу, при условии наличия подходящего источника энергии.
VASIMR не подходит для запуска полезной нагрузки с поверхности Земли из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости. Он может быть использован в качестве последней ступени, сокращая потребность в топливе для транспортировки в космосе. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости на основе технологий химического реактивного движения:
Другие применения VASIMR (например, транспортировка людей к Марсу) требуют наличия источников очень высоких энергий с небольшой массой, таких как ядерные энергетические установки.
В августе 2008 г. Тим Гловер (Tim Glover), директор по развитию фирмы «Ad Astra», публично заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR является «заброс грузов (не людей) с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту» и будет предназначено для поддержки программы НАСА возвращения на Луну.[2]
Основным разработчиком VASIMR является «Ad Astra Rocket Company». На данный момент основные усилия были направлены на улучшение общей эффективности двигателя, путём увеличения уровней используемой энергии. Согласно данным компании, текущая эффективность VASIMR составляет 67 %. Опубликованные данные по двигателю VX-50 говорят о том, что двигатель способен использовать 50 кВт на излучение в радиодиапазоне, обладает КПД 59 %, вычисленное следующим образом: 90 % NA эффективность процесса получения ионов × 65 % NB эффективность процесса ускорения ионов. Модель VX-100, как ожидается, будет иметь общую эффективность 72 %, путём улучшения параметра NB, то есть эффективности ускорения ионов, до 80 %.[3][4]
Однако имеются дополнительные меньшие потери эффективности, относящиеся к конвертации постоянного тока в радиоволновую энергию и потребление энергии сверхпроводящими магнитами. Для сравнения, рабочий ионный двигатель NASA HiPEP, обладает общей эффективностью ускорителя 80 %.[5] Опубликованные данные испытаний по VASIMR модели двигателя VX-50 показывают, что он способен производить 0,5 Н тяги. «Ad Astra Rocket Company» планировала проведение испытаний прототипа двигателя VX-200 в начале 2008 г. с мощностью излучения в радиодиапазоне 200 кВт с целью достижения требуемой эффективности, требуемой тяги и удельного импульса.
24 октября 2008 года компания заявила, что генерация плазмы двигателем VX-200 с помощью радиоволн первой ступени или твердотельным высокочастотным излучателем энергии достигла планируемых рабочих показателей. Ключевая технология, твердотельное преобразование энергии постоянного тока в радиоволны, стала крайне эффективной и достигла уровня 98 %. Радиоволновый импульс использует 30 кВт для превращения газа аргон в плазму, оставшиеся 170 кВт расходуются на разгон и разогрев плазмы в задней части двигателя с помощью ион-циклотронного резонансного разогрева.[6]
На основании данных, опубликованных по предыдущим испытаниям VX-100[7], можно ожидать, что двигатель VF-200, который должен быть установлен на МКС, будет иметь системную эффективность 60—65 % и уровень тяги 5 Н. Оптимальный удельный импульс предполагается на уровне 5000 с и использованием в качестве рабочего тела аргона. Удельная мощность оценивается в 1 кг/кВт, что означает, что вес данной версии VASIMR будет составлять только 300 кг.
Одна из оставшихся проблем — определение соотношения потенциально возможной тяги по отношению к действительному её значению. То есть, будет или нет горячая плазма находится на расстоянии от двигателя на самом деле. Это будет подтверждено в 2009 г, когда двигатель VX-200 будет установлен и протестирован в достаточно большой вакуумной камере. Другая проблема — управление выделяемым паразитным теплом при работе (60 % эффективности означает около 80 кВт ненужного тепла), решение которой критически важно для продолжительного функционирования двигателя VASIMR.
10 декабря 2008 года «Ad Astra Rocket Company» заключила контракт с NASA на определение расположения и испытание полетной версии VASIMR VF-200 на МКС. Его запуск запланирован на 2011—2012 гг[2][8][9].
7 июля 2009 года сотрудники «Ad Astra Rocket Company» успешно испытали плазменный двигатель на сверхпроводящих магнитах.[10]
VASIMR-двигатель на МКС будет использоваться в пакетно-монопольном режиме, с периодическими включениями. Так как производство электроэнергии на МКС недостаточно велико, система будет включать в себя набор батарей с достаточно малым потреблением тока для подзарядки, которая позволит двигателю работать в течение 10 мин. Этого будет достаточно для поддержания высоты станции, что исключит необходимость дорогостоящей операции по подъему станции с использованием ускорителей на основе химических реакций горения.
Наиболее важным применением в обозримом будущем для VASIMR-ускоряемых космических аппаратов является транспортировка грузов. Многочисленные исследования показали, что VASIMR-ускоряемый аппарат будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с традиционными интегрированными химическими ракетами. Космический буксир, ускоряемый одним VF-200, был бы способен переместить 7 т груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полета.
NASA планирует перемещение 34 т полезного груза от Земли до Луны. Для того, чтобы совершить такое путешествие, должно быть сожжено около 60 тонн кислород/водород. Сопоставимый космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих 1 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или от ядерного реактора. Для того, чтобы проделать такую же работу, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Время полета буксира может быть сокращено за счёт полета с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе топлива). Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 с или за 14 дней при удельном импульсе 3000 с.
Предполагается, что 10—20-мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществлять миссии по доставке людей к Марсу всего за 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые требуются традиционным ракетам.[11]
wreferat.baza-referat.ru
Реферат на тему:
VASIMR на испытательном стенде
Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом (англ. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; 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.
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 близким к системам большой тяги и малой.
Концепция двигателя предложена астронавтом и учёным Франклином Чанг-Диазом из Коста-Рики в 1979 году и продолжает развиваться в настоящее время.
VASIMR, иногда рассматриваемый как электротепловой плазменный ускоритель (ЭПУ), использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для ускорения плазмы для получения ускорения. 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 ионизированной плазмой, потенциальная продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя.
Проект включает в себя три части:
Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, направленного на создание плазмы, VASIMR способен как производить малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.
Диаграмма VASIMR
В отличие от обычных циклотронно-резонансных нагревающих процессов, ионы в VASIMR сразу же проходят через магнитное сопло быстрее времени, необходимого для достижения термодинамического равновесия. Основываясь на теоретической работе 2004 года Арефьева (Arefiev) и Брейзмана (Breizman) из Техасского университета в Остине, практически вся энергия в ионной циклотронной волне будет равномерно распределена в ионизированной плазме за один проход в циклотронном абсорбционном процессе. Это позволяет ионам покинуть магнитное сопло с очень узким распределением энергии, что дает упрощенное и компактное распределение магнитов в двигателе.[1]
Текущие VASIMR должны обладать удельными импульсами в диапазоне от 3000 до 30 000 секунд (скорости истечения от 30 до 300 км/с). Нижний предел этого диапазона сопоставим с некоторыми существующими концепциями ионных двигателей. Регулируя получение плазмы и нагрев, VASIMR может управлять удельным импульсом и тягой. Двигатель также способен использовать гораздо более высокие уровни энергии (мегаватты) по сравнению с существующими концепциями ионных двигателей. Поэтому VASIMR может обеспечить в десятки раз большую тягу, при условии наличия подходящего источника энергии.
VASIMR не подходит для запуска полезной нагрузки с поверхности Земли из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости. Он может быть использован в качестве последней ступени, сокращая потребность в топливе для транспортировки в космосе. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости на основе технологий химического реактивного движения:
Другие применения VASIMR (например, транспортировка людей к Марсу) требуют наличия источников очень высоких энергий с небольшой массой, таких как ядерные энергетические установки.
В августе 2008 г. Тим Гловер (Tim Glover), директор по развитию фирмы «Ad Astra», публично заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR является «заброс грузов (не людей) с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту» и будет предназначено для поддержки программы НАСА возвращения на Луну.[2]
Основным разработчиком VASIMR является «Ad Astra Rocket Company». На данный момент основные усилия были направлены на улучшение общей эффективности двигателя, путём увеличения уровней используемой энергии. Согласно данным компании, текущая эффективность VASIMR составляет 67 %. Опубликованные данные по двигателю VX-50 говорят о том, что двигатель способен использовать 50 кВт на излучение в радиодиапазоне, обладает КПД 59 %, вычисленное следующим образом: 90 % NA эффективность процесса получения ионов × 65 % NB эффективность процесса ускорения ионов. Модель VX-100, как ожидается, будет иметь общую эффективность 72 %, путём улучшения параметра NB, то есть эффективности ускорения ионов, до 80 %.[3][4]
Однако имеются дополнительные меньшие потери эффективности, относящиеся к конвертации постоянного тока в радиоволновую энергию и потребление энергии сверхпроводящими магнитами. Для сравнения, рабочий ионный двигатель NASA HiPEP, обладает общей эффективностью ускорителя 80 %.[5] Опубликованные данные испытаний по VASIMR модели двигателя VX-50 показывают, что он способен производить 0,5 Н тяги. «Ad Astra Rocket Company» планировала проведение испытаний прототипа двигателя VX-200 в начале 2008 г. с мощностью излучения в радиодиапазоне 200 кВт с целью достижения требуемой эффективности, требуемой тяги и удельного импульса.
24 октября 2008 года компания заявила, что генерация плазмы двигателем VX-200 с помощью радиоволн первой ступени или твердотельным высокочастотным излучателем энергии достигла планируемых рабочих показателей. Ключевая технология, твердотельное преобразование энергии постоянного тока в радиоволны, стала крайне эффективной и достигла уровня 98 %. Радиоволновый импульс использует 30 кВт для превращения газа аргон в плазму, оставшиеся 170 кВт расходуются на разгон и разогрев плазмы в задней части двигателя с помощью ион-циклотронного резонансного разогрева.[6]
На основании данных, опубликованных по предыдущим испытаниям VX-100[7], можно ожидать, что двигатель VF-200, который должен быть установлен на МКС, будет иметь системную эффективность 60—65 % и уровень тяги 5 Н. Оптимальный удельный импульс предполагается на уровне 5000 с и использованием в качестве рабочего тела аргона. Удельная мощность оценивается в 1 кг/кВт, что означает, что вес данной версии VASIMR будет составлять только 300 кг.
Одна из оставшихся проблем — определение соотношения потенциально возможной тяги по отношению к действительному её значению. То есть, будет или нет горячая плазма находится на расстоянии от двигателя на самом деле. Это будет подтверждено в 2009 г, когда двигатель VX-200 будет установлен и протестирован в достаточно большой вакуумной камере. Другая проблема — управление выделяемым паразитным теплом при работе (60 % эффективности означает около 80 кВт ненужного тепла), решение которой критически важно для продолжительного функционирования двигателя VASIMR.
10 декабря 2008 года «Ad Astra Rocket Company» заключила контракт с NASA на определение расположения и испытание полетной версии VASIMR VF-200 на МКС. Его запуск запланирован на 2011—2012 гг[2][8][9].
7 июля 2009 года сотрудники «Ad Astra Rocket Company» успешно испытали плазменный двигатель на сверхпроводящих магнитах.[10]
VASIMR-двигатель на МКС будет использоваться в пакетно-монопольном режиме, с периодическими включениями. Так как производство электроэнергии на МКС недостаточно велико, система будет включать в себя набор батарей с достаточно малым потреблением тока для подзарядки, которая позволит двигателю работать в течение 10 мин. Этого будет достаточно для поддержания высоты станции, что исключит необходимость дорогостоящей операции по подъему станции с использованием ускорителей на основе химических реакций горения.
Наиболее важным применением в обозримом будущем для VASIMR-ускоряемых космических аппаратов является транспортировка грузов. Многочисленные исследования показали, что VASIMR-ускоряемый аппарат будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с традиционными интегрированными химическими ракетами. Космический буксир, ускоряемый одним VF-200, был бы способен переместить 7 т груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полета.
NASA планирует перемещение 34 т полезного груза от Земли до Луны. Для того, чтобы совершить такое путешествие, должно быть сожжено около 60 тонн кислород/водород. Сопоставимый космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих 1 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или от ядерного реактора. Для того, чтобы проделать такую же работу, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Время полета буксира может быть сокращено за счёт полета с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе топлива). Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 с или за 14 дней при удельном импульсе 3000 с.
Предполагается, что 10—20-мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществлять миссии по доставке людей к Марсу всего за 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые требуются традиционным ракетам.[11]
wreferat.baza-referat.ru
Реферат на тему:
VASIMR на испытательном стенде
Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом (англ. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; 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.
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 близким к системам большой тяги и малой.
Концепция двигателя предложена астронавтом и учёным Франклином Чанг-Диазом из Коста-Рики в 1979 году и продолжает развиваться в настоящее время.
VASIMR, иногда рассматриваемый как электротепловой плазменный ускоритель (ЭПУ), использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для ускорения плазмы для получения ускорения. 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 ионизированной плазмой, потенциальная продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя.
Проект включает в себя три части:
Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, направленного на создание плазмы, VASIMR способен как производить малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.
Диаграмма VASIMR
В отличие от обычных циклотронно-резонансных нагревающих процессов, ионы в VASIMR сразу же проходят через магнитное сопло быстрее времени, необходимого для достижения термодинамического равновесия. Основываясь на теоретической работе 2004 года Арефьева (Arefiev) и Брейзмана (Breizman) из Техасского университета в Остине, практически вся энергия в ионной циклотронной волне будет равномерно распределена в ионизированной плазме за один проход в циклотронном абсорбционном процессе. Это позволяет ионам покинуть магнитное сопло с очень узким распределением энергии, что дает упрощенное и компактное распределение магнитов в двигателе.[1]
Текущие VASIMR должны обладать удельными импульсами в диапазоне от 3000 до 30 000 секунд (скорости истечения от 30 до 300 км/с). Нижний предел этого диапазона сопоставим с некоторыми существующими концепциями ионных двигателей. Регулируя получение плазмы и нагрев, VASIMR может управлять удельным импульсом и тягой. Двигатель также способен использовать гораздо более высокие уровни энергии (мегаватты) по сравнению с существующими концепциями ионных двигателей. Поэтому VASIMR может обеспечить в десятки раз большую тягу, при условии наличия подходящего источника энергии.
VASIMR не подходит для запуска полезной нагрузки с поверхности Земли из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости. Он может быть использован в качестве последней ступени, сокращая потребность в топливе для транспортировки в космосе. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости на основе технологий химического реактивного движения:
Другие применения VASIMR (например, транспортировка людей к Марсу) требуют наличия источников очень высоких энергий с небольшой массой, таких как ядерные энергетические установки.
В августе 2008 г. Тим Гловер (Tim Glover), директор по развитию фирмы «Ad Astra», публично заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR является «заброс грузов (не людей) с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту» и будет предназначено для поддержки программы НАСА возвращения на Луну.[2]
Основным разработчиком VASIMR является «Ad Astra Rocket Company». На данный момент основные усилия были направлены на улучшение общей эффективности двигателя, путём увеличения уровней используемой энергии. Согласно данным компании, текущая эффективность VASIMR составляет 67 %. Опубликованные данные по двигателю VX-50 говорят о том, что двигатель способен использовать 50 кВт на излучение в радиодиапазоне, обладает КПД 59 %, вычисленное следующим образом: 90 % NA эффективность процесса получения ионов × 65 % NB эффективность процесса ускорения ионов. Модель VX-100, как ожидается, будет иметь общую эффективность 72 %, путём улучшения параметра NB, то есть эффективности ускорения ионов, до 80 %.[3][4]
Однако имеются дополнительные меньшие потери эффективности, относящиеся к конвертации постоянного тока в радиоволновую энергию и потребление энергии сверхпроводящими магнитами. Для сравнения, рабочий ионный двигатель NASA HiPEP, обладает общей эффективностью ускорителя 80 %.[5] Опубликованные данные испытаний по VASIMR модели двигателя VX-50 показывают, что он способен производить 0,5 Н тяги. «Ad Astra Rocket Company» планировала проведение испытаний прототипа двигателя VX-200 в начале 2008 г. с мощностью излучения в радиодиапазоне 200 кВт с целью достижения требуемой эффективности, требуемой тяги и удельного импульса.
24 октября 2008 года компания заявила, что генерация плазмы двигателем VX-200 с помощью радиоволн первой ступени или твердотельным высокочастотным излучателем энергии достигла планируемых рабочих показателей. Ключевая технология, твердотельное преобразование энергии постоянного тока в радиоволны, стала крайне эффективной и достигла уровня 98 %. Радиоволновый импульс использует 30 кВт для превращения газа аргон в плазму, оставшиеся 170 кВт расходуются на разгон и разогрев плазмы в задней части двигателя с помощью ион-циклотронного резонансного разогрева.[6]
На основании данных, опубликованных по предыдущим испытаниям VX-100[7], можно ожидать, что двигатель VF-200, который должен быть установлен на МКС, будет иметь системную эффективность 60—65 % и уровень тяги 5 Н. Оптимальный удельный импульс предполагается на уровне 5000 с и использованием в качестве рабочего тела аргона. Удельная мощность оценивается в 1 кг/кВт, что означает, что вес данной версии VASIMR будет составлять только 300 кг.
Одна из оставшихся проблем — определение соотношения потенциально возможной тяги по отношению к действительному её значению. То есть, будет или нет горячая плазма находится на расстоянии от двигателя на самом деле. Это будет подтверждено в 2009 г, когда двигатель VX-200 будет установлен и протестирован в достаточно большой вакуумной камере. Другая проблема — управление выделяемым паразитным теплом при работе (60 % эффективности означает около 80 кВт ненужного тепла), решение которой критически важно для продолжительного функционирования двигателя VASIMR.
10 декабря 2008 года «Ad Astra Rocket Company» заключила контракт с NASA на определение расположения и испытание полетной версии VASIMR VF-200 на МКС. Его запуск запланирован на 2011—2012 гг[2][8][9].
7 июля 2009 года сотрудники «Ad Astra Rocket Company» успешно испытали плазменный двигатель на сверхпроводящих магнитах.[10]
VASIMR-двигатель на МКС будет использоваться в пакетно-монопольном режиме, с периодическими включениями. Так как производство электроэнергии на МКС недостаточно велико, система будет включать в себя набор батарей с достаточно малым потреблением тока для подзарядки, которая позволит двигателю работать в течение 10 мин. Этого будет достаточно для поддержания высоты станции, что исключит необходимость дорогостоящей операции по подъему станции с использованием ускорителей на основе химических реакций горения.
Наиболее важным применением в обозримом будущем для VASIMR-ускоряемых космических аппаратов является транспортировка грузов. Многочисленные исследования показали, что VASIMR-ускоряемый аппарат будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с традиционными интегрированными химическими ракетами. Космический буксир, ускоряемый одним VF-200, был бы способен переместить 7 т груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полета.
NASA планирует перемещение 34 т полезного груза от Земли до Луны. Для того, чтобы совершить такое путешествие, должно быть сожжено около 60 тонн кислород/водород. Сопоставимый космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих 1 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или от ядерного реактора. Для того, чтобы проделать такую же работу, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Время полета буксира может быть сокращено за счёт полета с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе топлива). Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 с или за 14 дней при удельном импульсе 3000 с.
Предполагается, что 10—20-мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществлять миссии по доставке людей к Марсу всего за 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые требуются традиционным ракетам.[11]
www.wreferat.baza-referat.ru
Сначала выдержка из статьи об этом двигателе:
"Двигатель VASIMR, сокращенно от «Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket», работает, подобно всем космическим двигателям, используя реактивную тягу."
"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.
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. Работает это так: нейтральный газ (обычно водород или гелий) подается в специальную камеру и ионизируется. Получившаяся холодная плазма поступает во вторую камеру и разогревается. Наконец, в третьей камере создается весьма быстрый направленный поток плазмы, который и толкает аппарат вперед. 
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 подолгу. Разгоняясь понемногу, зато постоянно, они позволяют кораблям, на которых установлены, довольно быстро обгонять своих традиционных собратьев.
Впрочем, двигатель VASIMR, о котором пойдет речь, представляет собой куда более совершенную систему. Работает над ним компания Ad Astra, которая была основана в 2005 г. физиком и бывшим астронавтом Франклином Чен-Диазом (Franklin Chang-Diaz).
В VASIMR в качестве источника плазмы используется благородный газ аргон. Радиочастотный генератор раскаляет его до такой температуры, что его электроны отрываются от ядер, создавая плазму. Эта плазма способна создать тягу уже сама по себе, но для достижения куда большей эффективность ее лучше еще сильнее нагреть. Рабочая температура плазмы в VASIMR достигает миллионов градусов. Получается это при помощи сверхпроводящих электромагнитов. Они создают сильное магнитное поле, в котором заряженные ионы газа колеблются с определенной частотой. При этом на них воздействуют радиоизлучением, вступающим в резонансное взаимодействие с движением ионов плазмы. Они получают все новую и новую энергию. Затем другие электромагниты создают ток плазмы в виде тонкой и очень быстрой струи, которая выбрасывается из сопла и толкает двигатель в противоположном направлении.
По словам разработчиков, VASIMR в сотни раз более производителен, чем традиционные ионные двигатели, в которых ионы просто ускоряются, последовательно проходя через серию электродов, находящихся под все возрастающим напряжением. Кроме того, при такой схеме работы ионы часто соударяются с электродами, довольно быстро приводя к их эрозии и снижая срок жизнедеятельности двигателя. В отличие от них, в VASIMR никакого контакта плазмы с самим двигателем не происходит – примерно как пища разогревается в микроволновке, не касаясь ее стенок. Примерно так же устроены российские плазменные двигатели СПД (только в них используется относительно холодная плазма).
Важно и то, что на текущем уровне мощности VASIMR способен полностью обеспечивать себя за счет солнечной энергии. Так что в будущем такие небольшие ПРД вполне подойдут для установки на спутники и позволят им, не требуя дополнительных источников питания, корректировать свой полет. В Ad Astra видят и другой вариант использования: отправку легких аппаратов с их двигателями к астероидам, которые могут потенциально угрожать нашей планете столкновением. «Вцепившись» в такое небесное тело, аппараты включат двигатели и отведут опасность в сторону. 
Что же до 39-дневного перелета к Марсу, то VASIMR потребуется стать куда мощнее – примерно в 1000 раз, чем сегодня. А для этого солнечной энергии будет совершенно недостаточно, так что предполагается, что питаться он будет от бортового ядерного реактора."
"Ионно-плазменный двигатель VASIMR VF-200 успешно выдержал всю программу наземных испытаний и теперь начинается космическая часть испытаний нового двигателя. Буквально совсем недавно представители НАСА дали окончательное согласие на проведение этих испытаний на борту Международной Космической Станции (МКС). Если и эта часть испытаний двигателя VASIMR пройдет столь же успешно, как и наземные испытания, то человечество получит в свое распоряжение двигатель, способный доставить космический аппарат к Марсу не за шесть месяцев, а всего за 40 дней."
А теперь можно и порассуждать об этом.
Чем хорош двигатель VASIMR ? Он хорош тем, что удельный импульс у него от 5000 сек до 30000 сек, т.е скорость истечения газа = от 50 км/сек до 300 км/сек. И что это даёт? А это даёт экономию топлива, т.е. топлива в полёт нужно брать от 17 до 100 раз меньше, чем с обычным ракетным двигателем.
И это даёт возможность путешествовать по всей Солнечной системе и далее в пояс Койпера и в Облако Оорта за приемлемые сроки.
Но тут возникают, конечно, и некоторые проблемы и главная из них -- это создание источника электрической энергии необходимой мощности. И этот источник в настоящее время может быть только ядерным реактором.
Вообще-то для полётов не дальше Марса источником электрической энергии могут быть солнечные батареи, но площадь их будет где-то около 200 000 кв. метров при к.п.д. = 11% и это будет гигантское сооружение в виде квадрата 450х450 метров. Но сделать это вполне реально при нынешнем развитии техники. Но для полётов за орбиту Марса годится только ядерный реактор, так как плотность солнечной энергии там резко падает до неприемлемых значений.
Часто пишут о полёте к Марсу за 39 дней с этим двигателем, вот только не пишут о том, что для этого мощность двигателя должна быть 200 000 квт. Сделать такой реактор для космоса вряд ли реально, а вот сделать ядерный космический реактор на 30000 квт электр. пожалуй можно, используя калий как теплоноситель.
Лучшим двигателем для межпланетных КК будет термоядерный двигатель на Гелии-3, но когда это будет реально? Не раньше, чем через 50 лет.
А пока что для полёта к Марсу в качестве источника эл. энергии можно использовать солнечные батареи (для VASIMR) и для начального разгона с НОО ракеты на метане.
maxpark.com
VASIMR на испытательном стенде Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом (англ. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, VASIMR™) - электромагнитный плазменный ускоритель, предназначен для реактивного ускорения КА. Реактивный двигатель использует радиоволны для ионизации рабочего тела с последующим разгоном полученной плазмы с помощью электромагнитного поля для получения тяги.
Метод нагрева плазмы, используемый в VASIMR, изначально был разработан в результате исследования 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 близким к системам большой тяги и малой. Концепция двигателя предложена учёным и бывшим астронавтом Франклином Чанг-Диазом из Коста-Рики в 1979 г, продолжая развитие до нынешних дней (2009 г).
VASIMR, иногда рассматриваемый как Электротепловой Плазменный Ускоритель (ЭПУ), использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для ускорения плазмы для получения ускорения. 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 ионизированной плазмой, потенциальная продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя.
Проект включает в себя три части 1) превращение газа в плазму с использованием радиоволновых антенн; 2) возбуждение плазмы с помощью дальнейшего нагрева в ускорителе; 3) использование электромагнитов для создания магнитного сопла, которое конвертирует полученную тепловую энергию плазмы в кинетическую энергию реактивной струи. Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, направленного на создание плазмы, VASIMR способен как производить малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.
Диаграмма VASIMR Следует отметить, что в отличие от обычных циклотронно-резонансных нагревающих процессов, ионы в VASIMR сразу же проходят через магнитное сопло быстрее времени, необходимого для достижения термодинамического равновесия. Основываясь на новаторской теоретической работе 2004 года Арефьева (Arefiev) и Брейзмана (Breizman) из университета Техаса в Остине (англ. UT-Austin), практически вся энергия в ионной циклотронной волне будет равномерно распределена в ионизированной плазме за один проход в циклотронном абсорбционном процессе. Это позволяет ионам покинуть магнитное сопло с очень узким распределением энергии, что дает упрощенное и компактное распределение магнитов в двигателе.[1]
Текущие VASIMR должны обладать удельными импульсами в диапазоне от 3,000 до 30,000 секунд (скорости истечения от 3 до 30 км/с). Нижний предел этого диапазона сопоставим с некоторыми существующими концепциями ионных двигателей. Регулируя получение плазмы и нагрев, VASIMR может управлять удельным импульсом и тягой. Двигатель также способен использовать гораздо более высокие уровни энергии (Мегаватты) по сравнению с существующими концепциями ионных двигателей. Поэтому VASIMR может обеспечить в десятки раз большую тягу, при условии наличия подходящего источника энергии.
VASIMR не подходит для запуска полезной нагрузки с поверхности Земли из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в вакууме. Он может быть использован в качестве последней ступени, сокращая потребность в топливе для транспортировки в космосе. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости на основе технологий химического реактивного движения:
Другие применения VASIMR, такие как быстрая транспортировка людей к Марсу, требуют очень высоких энергий, источников энергии с небольшой массой, такой как ядерная энергия.
В Августе 2008 г., Тим Гловер (Tim Glover), директор по развитию фирмы Ад Астра (Ad Astra), публично заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR является "заброс грузов (не людей) с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту" и будет предназначено для поддержки программы НАСА возвращения на Луну.[2]
Основным разработчиком VASIMR является Ад Астра Рокет Компани (англ. Ad Astra Rocket Company). На данный момент основные усилия были направлены на улучшение общей эффективности двигателя, путём увеличения уровней используемой энергии. Согласно данным компании, текущая эффектиность VASIMR составляет 67%. Опубликованные данные по двигателю VX-50 говорят о том, что двигатель способен использовать 50КВт на излучение в радиодиапазоне, обладает КПД 59%, вычисленное следующим образом: 90% NA эффективность процесса получения ионов × 65% NB эффективность процесса ускорения ионов. Модель VX-100, как ожидается, будет иметь общую эффективность 72%, путём улучшения параметра NB, то есть эффективности ускорения ионов, до 80%.[3][4]
Однако имеются дополнительные меньшие потери эффективности, относящиеся к конвертации постоянного тока в радиоволновую энергию и потребление энергии сверхпроводящими магнитами. Для сравнения, рабочий ионный двигатель НАСА HiPEP, обладает общей эффективностью ускорителя 80%.[5][6] Опубликованные данные испытаний по VASIMR модели двигателя VX-50 показывают, что он способен производить 0.5 Н тяги. Ад Астра планировала проведение испытаний прототипа двигателя VX-200 в начале 2008 г. с мощностью излучения в радиодиапазоне 200 КВт с целью достижения требуемой эффективности, требуемой тяги и удельного импульса.
24 октября 2008 года компания заявила, что аспект генерации плазмы двигателем VX-200 с помощью радиоволн первой ступени или твердотельным высокочастотным излучателем энергии достиг планируемых рабочих показателей. Ключевая технология, твердотельное преобразование энергии постоянного тока в радиоволны, стала крайне эффективной и достигла уровня 98%. Радиоволновый импульс использует 30 КВт для превращения газа аргон в плазму, оставшиеся 170 КВт расходуются на разгон и разогрев плазмы в задней части двигателя с помощью ион-циклотронного резонансного разогрева.[7]
На основании данных, опубликованных по предыдущим испытаниям VX-100[8], можно ожидать, что двигатель VF-200, который должен быть установлен на МКС, будет иметь системную эффективность 60-65% и уровень тяги 5 Н. Оптимальный удельный импульс предполагается на уровне 5 000 сек с использованием в качестве рабочего тела газа аргон. Удельная мощность оценивается в 1.5 кг/КВт, что означает, что вес данной версии VASIMR будет составлять только 300 кг.
Одна из оставшихся проблем - определение соотношения потенциально-возможной тяги по отношению к действительному её значению. То есть, будет или нет горячая плазма находится на расстоянии от двигателя на самом деле. Это будет подтверждено в 2009 г, когда двигатель VX-200 будет установлен и протестирован в достаточно большой вакуумной камере. Другая проблема - управление выделяемым паразитным теплом при работе (60% эффективности означает около 80 КВт ненужного тепла), решение которой критически важно для продолжительного функционирования двигателя VASIMR.
VASIMR двигатель МКС будет использоваться в пакетно-монопольном режиме, с периодическими включениями. Так как производство электроэнергии на МКС не достаточно велико, система будет включать в себя систему батарей с достаточно малым потреблением тока для подзарядки, которая будет позволять работу двигателя в течение 10 мин. Однако этого, как ожидается, будет достаточно для поддержания высоты станции, что исключит необходимость дорогой операции по подъему станции с использованием ускорителей на основе химических реакций горения.
Наиболее важным применением в обозримом будущем для VASIMR-ускоряемых КА является транспортировка грузов. Многочисленные исследования показали что, несмотря на более продолжительное время полета, VASIMR-ускоряемый аппарат будет гораздо более эффективным при движении в космосе по сравнению с традиционными интегрированными химическими ракетами. Космический буксир, ускоряемый одним VF-200, был бы способен переместить 7 тонн груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полета. НАСА планирует перемещение 34 тонн полезного груза от Земли до Луны. Для того, чтобы совершить такое путешествие, должно быть сожжено около 60 тонн кислород/водород. Сопоставимый космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих 1 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или от ядерного реактора. Для того, чтобы проделать такую же работу, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Время полета буксира может быть сокращено за счёт полета с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе топлива). Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5,000 секунд или за 14 дней при удельном импульсе 3,000 секунд.
Предполагается, что 10-20-мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществлять миссии по доставке людей к Марсу всего за 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые требуются традиционным ракетам.[11]
dic.academic.ru
Почему, статья называется именно так?Почему автор так долго распинался касательно вывода грузов на околоземную орбиту, а потом просто берёт — и заявляет просто и непритязательно: «Цель — космос!»?Где долгие рассказы о полётах на Луну, о лунной базе, о колониях на астероидах, о длительной подготовке к полёту на Марс?
Начнём с того, что выбравшись на орбиту Земли, вы уже решили не просто часть задачи, а выполнили уже львиную часть работы.Смысл данного утверждения хорошо продемонстрирован в давнем разговоре двух американских фантастов — Джерри Пурнелла (автора «Мошки») и мэтра американской фантастики, Роберта Хайнлайна.По воспоминаниям самого Пурнелла, обсуждая с Хайнлайном вопрос колонизации космоса, они вышли на момент достаточного условия для таковой:
«В том рассказе Хайнлайна, что мы обсуждали, значительные грузы с Земли уже без проблем выводили на орбиту. "Ага, - сказал я, - Я вижу вашу проблему. Если вы можете вытащить корабль на орбиту, вы уже на полпути к Луне.""Нет, - ответил мне Роберт. - если вы можете вытащить свой корабль на орбиту, то вы уже на полпути куда угодно.»
Да, это именно так.В тот момент, когда вы вышли на орбиту Земли, избавившись от назойливого влияния земной атмосферы и постоянно обманываете земную силу тяжести, осуществляя бесконечное «падение» на околоземной орбите, вы уже на полпути куда угодно.Например, наиболее экономичным способом добраться от Земли до Марса (да и вообще до любого внеземного тела) будет так называемая гомановская траектория. Орбита, а точнее, линия Гомана между двумя планетами гарантировано использует минимальное возможное приращение ващей характеристической скорости (ещё именуемой Δv). Так, для перемещения с Земли на Марс по такой траектории необходимое приращение Δv составит около 5 590 м/с, в зависимости от взаимного положения планет.
Обратите внимание, что Δv для выхода на орбиту Земли, с учётом всех аэродинамических и гравитационных потерь современных способов вывода составляет около 11 000 м/с, а запуск космического корабля от Земли к Марсу, с учётом разгона и торможения, будет вам стоить всего лишь 5 590 м/с, то есть — вдвое меньше!
Однако, гомановская траектория, весьма удобная, например, для полётов к Луне, когда срок всей экспедиции исчисляется двумя неделями, уже при полёте к Марсу приводит к тому, что полёт надо осуществлять минимум три года!Достаточно много времени можно сэкономить при обратном гравитационном манёвре возле Венеры, но даже в этом случае срок всей экспедиции составит почти два года:
Смысл обратного пролёта Венеры понятен из вот этого анимированного пояснения, которое показывает, как небесное тело может дополнительно ускорится в гравитационном поле крупного небесного тела:
Приращение скорости, которое можно получить в гравитационном поле Венеры, сравнимо с Δv, необходимым для запуска космического корабля с Земли на Марс и составляет без малого до 7 300 м/c и позволяет, за счёт «пересадки» возле Венеры превратить орбиту «падения» к Солнцу в орбиту, ведущую назад к нашей Земле.Но больше по пути к Марсу и на пути от него подходящих небесных тел нет — и поэтому сократить сильнее сроки полёта к Красной Планете в рамках использования эллиптических гомановских траекторий уже не получается.
Связано это с тем, что гомановская эллиптическая орбита, хоть и позволяет нам очень сильно экономить необходимое для осуществления полёта приращение характеристической скорости (то самое Δv), но не позволяет добиться минимального времени полёта — космический корабль на эллиптической гомановской орбите оказывается заложником небесной механики, двигаясь со скоростями, сравнимыми с орбитальной скоростью планет «отправления» и «назначения» и «пересадки».То есть, летая по гомановским орбитам, вы будете постоянно иметь сроки перемещения даже между объектами Солнечной системы, исчисляемые годами и десятилетиями.
Можно ли уйти от такой неприятной ситуации? Ведь, как говорится, «не эллипсом Гомана единым!» жив человек.Да, можно.
Время полёта до любого небесного тела можно сократить, но для этого, конечно же, надо будет чем-то пожертвовать. Для случая межпланетных перелётов в гравитационном поле нашего Солнца надо будет жертвовать Δv, которое нужно будет расходывать уже менее экономно, но добиваясь гораздо более быстрых, уже не элиптических, а гиперболических траекторий полёта между планетами Солнечной системы.
Пытаться перейти на гиперболическую траекторию полёта к Марсу, используя те же самые химические ракеты, которые использовались для старта с Земли — чистой воды безумие.Гиперболические скорости для Солнечной системы начинаются от цифры в 16 650 м/c (что, с учётом скорости нашей родной планеты, обеспечивает скорость почти в 45 000 м/c относительно Солнца) и простираются вплоть до бесконечности скорости света — все тела, имеющие скорости, выше третьей космической для Солнечной системы, движутся в ней по гиперболическим траекториям, которые обеспечивают гораздо меньшее время перелёта, нежели эллиптические траектории.
Отсюда можно и весьма условно прикинуть необходимую энергетику для полёта по гиперболической траектории: орбитальная скорость Земли на её орбите составляет 29 780 м/c, Марса — 24 130 м/c, следовательно, конечные скорости гиперболического полёта должны соответствовать скоростям планет «отправления» и «назначения».Если вы хотите лететь от Земли к Марсу по самой медленной гиперболе, то вы должны набрать около Земли 16 650 м/c, а около Марса — сбросить «лишние» 22 300 м/c, что в целом выводит нас на цифру Δv, составляющую почти что 39 км/c.Конечно, расчёт этот весьма условен и груб, но он показывает нам, что энергетика гиперболического полёта превосходит энергетику химических ракет и доступных им гомановских траекторий как минимум в восемь раз.
Скажу сразу: даже разработки 1960х-1980х годов, проводившиеся в рамках американских и советских программ ЯРД, не обеспечивали полного соответствия требованиям гиперболической траектории: получившийся для них удельный импульс в пределе 850-950 секунд (против 450 секунд для лучших кислород-водородных химических ЖРД) — всё равно был недостаточен, чтобы обеспечить изменение Δv в пределе 39 км/c и выше.Схема полёта американского космического корабля к Марсу с помощью двигателей NERVA всё равно опиралась на гомановские траектории и на гравитационный манёвр возле Венеры на обратном пути, в силу чего общий срок экспедиции к Марсу составил бы от 460 до 640 суток, в зависимости от времени запуска:
При этом, в общем-то, основная задача перехода от гомановской траектории к гиперболическому полёту с переходом от ЖРД к твердотельного ЯРД так и не была решена: на орбите Земли пришлось бы всё равно собирать громадного «монстра» весом больше 1200 тонн, а срок экспедиции на Марсе составил бы не более 30 суток.При этом основная задача — сокращение времени межпланетного перелёта, с использованием ЯРД NERVA так и не решалась.
И связано это было в первую очередь с тем, что концепция твердотельного ЯРД не позволяла значительно поднять скорости истечения реактивного тела (и, как следствие, удельный импульс двигателей) — скорость истечения реактивной массы лишь вдвое превосходила лучшие ЖРД, а поднять её уже не позволяло то, что дополнительный нагрев реактивной массы внутри корпуса ЯРД уже разрушал и сам реактор, который не мог нагреться выше 3000 К.
Разумным решением, которое напрашивалось для совершенствования твердотельного ЯРД, являлось разделение процессов получения энергии — и нагрева реактивного тела, которое в этом случае уже лучше было нагревать не путём теплообмена с конструкциями реактора, а с использованием промежуточного носителя энергии — электричества.
В силу этого, начиная с начала 1970х годов усилия конструкторов и инженеров пошли по двум независимым направлениям:1) разработка максимально эффективных, высокоимпульсных космических двигателей2) разработка максимально компактных и мощных источников электрической энергии на борту космического корабля
Итогом этого длинного пути разработки и конструирования такой «разнесённой» концепции «источник энергии — двигатель» стала возможность достичь Марса... за 40 дней!
Так есть ли у нас сегодня межпланетные двигатели и энергетические установки для них, чтобы сделать такие смелые перемещения по Солнечной системе уже не мечтой, но обычной реальностью?
Во-первых, конечно, о двигателях.Основной надеждой на быстрые полёты в Солнечной системе сегодня является двигатель VASIMR — Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (магнитоплазменный двигатель с изменяющимся удельным импульсом).Уже из самого названия двигателя можно понять, что основным преимуществом его конструкции является возможность изменения удельного импульса, а принцип его работы основан на удержании высокотемпературной плазмы в магнитном поле.
Вот упрощённая схема этого двигателя:
Как видите, последовательность действий для создания тяги в двигателе VASIMR состоит из пяти этапов:Шаг 1 — впрыск нейтрального, холодного газа в двигатель;Шаг 2 — превращение холодного газа в низкотемпературную плазму с использованием высокочастотных антенн;Шаг 3 — конфигурация низкотемпературной плазмы внутри двигателя с помощью сильного магнитного поляШаг 4 — возбуждение плазмы с помощью дальнейшего её нагрева в ускорителе до температуры в 1 000 000 К;Шаг 5 — использование электромагнитов для создания магнитного сопла, которое конвертирует полученную тепловую энергию плазмы в кинетическую энергию реактивной струи.
Как видите, уже начиная с третьего шага, всё ещё холодная, низкотемпературная плазма оказывается заключена внутри двигателя в магнитную ловушку, которая не позволяет плазме соприкасаться с конструкциями двигателя и разрушать их за счёт своей высокой температуры, которую она получает, начиная со следующего, четвёртого шага.
Именно этот принцип магнитного удержания плазмы выгодно отличает VASIMR от обычных ионных двигателей, которым на сегодняшний день принадлежит рекорд ускорения космических аппаратов в открытом космосе: именно ионные двигатели смогли ускорить аппарат Deep Space 1 на 4 300 м/c. потратив на эту операцию всего лишь 74 килограмма ксенона.Однако, в ионных двигателях электроды двигателя находятся внутри потока высокотемпературной плазмы, что ограничивает ресурс двигателя — сегодня лучшие образцы ионных двигателей проработали в космосе не больше трёх лет.
Работающий ионный двигатель. В реактивной струе ионизированного газа хорошо виден сетчатый анод.
Кроме того, такая конструкция с погружёнными в плазму электродами, которая используется в ионном двигателе, ограничивает скорость истечения рабочего тела в пределе 20-50 км/c, что гораздо лучше твердотельного ЯРД (9-10 км/c) и ЖРД (4,5 км/c), но значительно уступает возможностям VASIMR, который может обеспечивать скорость истечения рабочего тела в диапазоне от 30 до 300 км/c.
Американский астронавт и учёный Франклин Чанг-Диаз возле своего детища — двигателя VASIMR, помещённого в вакуумную камеру.
Именно эта способность VASIMR к изменению скорости истечения рабочего тела является и его второй уникальной особенностью. Возможность регулировать эту скорость в пределах 30-300 км/c (и, одновременно, меняя удельный импульс от достижимых для ионных двигателей 3000 до невообразимых 30 000 секунд) позволяет VASIMR одновременно менять и тягу двигателя от наименьшей при высоких скоростях истечения рабочего тела до наибольшей — при самых низких скоростях.
Так, для VASIMR мощностью в 6 МВт расчётная тяга на скорости истечения в 30 км/c составит около 400 Н (40 килограмм), а для скорости истечения в 300 м/c она уменьшится до 40 Н (4 килограмм)Учитывая, что масса самого VASIMR такой мощности составит уже несколько тонн, конечно же, такие небольшие значения тяги не позволяют использовать VASIMR для старта космического корабля с Земли, но вот постоянная работа на протяжении минимум 100 часов на разгоне и 100 часов на торможении даже при такой скромной тяге вполне делает задачу полёта к Марсу за 40 дней достижимой реальностью, поскольку удельный импульс VASIMR как минимум в 30 раз превосходит удельным импульс твердотельного ЯРД и в 10 раз — импульс лучших ионных двигателей.Вариант же «низкой передачи», с высокой тягой и низким удельным импульсом вполне пригоден для быстрых коррекций орбиты космического корабля, когда вам невозможно ждать по 100 часов для обеспечения коррекции вашей скорости.
Кроме того, как вы уже поняли, VASIMR, превосходя лучшие «классические» ионные двигатели, имеющие сегодня тягу в пределе 20—250 мН как минимум в 1000 раз по тяге, столь же прожорлив и в вопросе энергоснабжения.Так, разрабатываемый сейчас для коррекции и подъёма орбиты МКС VASIMR-двигатель VF-200 будет иметь тягу около 5 Н (0,5 кг) и удельный импульс на уровне 5000 секунд (скорость истечения 50 км/c). В качестве рабочего тела будет использоваться инертный газ аргон.Удельная мощность оценивается сегодня в 1 кг/кВт, весить VF-200 будет около 300 кг, потребляя при этом около 300 кВт мощности.
Испытания VF-200 в космосе, в реальных условиях МКС позволят накопить массу фактических данных о реальной работе этого типа двигателя в космосе. Пока что на Земле испытания проводились короткими пусками, как для первой модели VF-100, так и для прототипа двигателя VF-200:
Даже установка VF-200 на МКС уже покажет массу вопросов, связанных с энергообеспечением такого двигателя: максимальная мощность энергосистемы МКС, завязанной на её солнечные батареи, составляет 110 кВт, что, при мощности VASIMR в 300 кВт в любом случае заставит дополнительно устанавливать на станции системы генерации электрической мощности или аккумулирования энергии солнечных батарей для обеспечения запуска VASIMR.
Ещё более значительные запросы на энергию будут у двигателя VASIMR, который подходит по размеру, тяге и удельному импульсу для обеспечения работы космического буксира, и осуществления быстрого полёта на Луну или на Марс (Как вы помните — если вы уже выбрались на околоземную орбиту, то вы уже на полпути куда угодно).
Так, для обеспечения потребностей в космической буксировке грузов на космический буксир, который сможет переместить 7 тонн груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полета потребуется тот же VF-200, но уже с ресурсом не часы, а тысячи и тысячи часов.Если же мы хотим достичь Луны за короткий промежуок времени, сопоставимый с полётом миссий «Аполлон» к Луне, то такой космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих уже около 1,5 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей.Однако, для того, чтобы проделать такую же работу, как третья ступень «Сатурна V», S-IVB, сжигавшая 60 тонн кислорода и водорода на пути к Луне, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона, что позволяет при колонизации Луны отказаться от использования тяжёлых ракет на химическом топливе и выводить полезную нагрузку и реактивную массу (аргон) для самого космического буксира с помощью обычных ракет средней грузоподъёмности (20-30 тонн на НОО).
Лунный околоземный буксир с двигателем VASIMR в представлении художника компании Ad Astra Rockets.Обратите внимание на размер поля солнечных батарей.
Время полета буксира может быть сокращено за счёт полета с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе и большем расходе топлива. Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 секунд или же за 14 дней при удельном импульсе в 30 000 секунд.
Другим вариантом развития орбитального околоземного буксира, понятное дело, является увеличение количества или мощности двигателей VASIMR, с целью экономии расхода рабочего тела и времени в полёте к пункту назначения и обратно.И тут уже ограничивающим фактором выступает энергоснабжение нашего буксира.
Плясать надо от солнечной постоянной на орбите Земли и от КПД самих батарей. Солнечная постоянная на орбите Земли составляет 1 366 Вт/м², а КПД современных фотоэлементов (беру самые надёжные кремниевые) — около 23%. Таким образом, уже даже для 1,5 МВт электроэнергии буксиру надо иметь уже около 5000 м² солнечных панелей, что составляет квадрат со стороной в 71 метр.Хотим мощности двигателей в 3 МВт — площадь солнечных панелей составит уже 10 000 м², что будет уже представлять из себя квадрат в 100x100 метров.И так далее, пока вместе с орбитальным буксиром нам не потребуется тягать целую солнечную электростанцию (попутно её обслуживая и затрачивая и на её разгон и торможение немало небесплатной реактивной массы).
Ещё более неприятная ситуация с надеждой только на Солнце сложится и при попытке использовать солнечные батареи при путешествиях дальше земной орбиты. Постепенное удаление от Солнца будет постоянно снижать эффективность солнечных батарей межпланетного корабля, если их использовать для питания потребностей VASIMR.Так, солнечная постоянная в районе Марса составит уже всего лишь 43% от земного значения, что сразу же ещё удвоит требования к площади фотоэлементов.
Альтернативной системой будет являться переход на ядерную энергию.И тут «космическая ядерная установка мегаваттного класса», о которой так долго говорили большевики, может стать единственным выходом из ситуации.Я прекрасно понимаю, что в 2009 году говорилось о том, что российский буксир на ЯЭУ полетит в космос уже в 2014 году (а теперь говорят более осторожно — в этом десятилетии), но альтернатив данному подходу не видно и на горизонте:
Всё дело состоит в энергетике «полёта на Марс за 40 дней».
По самым скромным расчётам, для обеспечения такой гиперболической траектории полёта к Марсу, мощность VASIMR-ов, которые бы смогли за 100 часов разогнать и за 100 часов затормозить марсианский космический корабль, составит... около 200 МВт.Для создания такой мощности даже на орбите Земли потребуются солнечные батареи площадью в 670 000 м² (квадрат со стороной в 820 метров), а на орбите Марса для запитки 200-мегаваттного VASIMR-а потребуется и вообще адское поле в в 1 558 000 м², что заставит корабль буквально тянуть за собой километровые поля солнечных батарей и поддерживающих их ферм и преобразователей.
А вот для атомного реактора это, в принципе, не очень большая мощность — на высокообогащённом уране вес такой установки (конечно, без системы биологической защиты) составит около 100 тонн (базируясь на том, что 500 килограмм веса реакторной конструкции — вполне достижимый предел для генерации 1 МВт электроэнергии в условиях космоса).Вопрос, скорее, состоит в том, что ЯЭУ подобного класса пока ещё никогда не эксплуатировались в космосе: максимально достигнутая мощность составляла 6,6 кВт и была обеспечена на советской ЯЭУ «Топаз», имевшей тепловую мощность в 150 кВт:
ЯЭУ «Топаз». В 1987 году он успешно проработал на орбите 142 дня.
Такой низкий КПД (всего около 4,5%) у космических ЯЭУ, разрабатывавшихся в СССР связан с тем, что для них использовались термоэмиссионные преобразователи тепловой энергии в электрическую, а не системы, основанные на термодинамических циклах (Ренкина, Брайнона), которые могут обеспечивать КПД в 25-35%.
К сожалению, открытой информации о создаваемой «космической ядерной установке мегаваттного класса» не так уж и много, в силу чего ориентироваться приходится на скупые данные официальных презентаций различных российских космических «лавок», вариант чего, в общем-то, показан на слайде выше.Потому что в других местах под видом оной рассказывают и вообще о классическом твердотельном ЯРД, испытывавшемся ещё в 1970е-1980е годы.Однако, работы ведутся и, судя по всему 1 МВт электрической энергии в космосе при массе станции в 20 тонн — это уже близкая к нам реальность.
Ну а от 1 МВт до 12 МВт (и 100 тонной конструкции) — уже и вообще рукой подать.Как будет «подать рукой до Марса» при достигнутой мощности в 12 МВт.Ведь полёт к Марсу на VASIMR-е, который мы сможем запитать хотя бы 12 МВт электрической мощности продлится пусть и не 40 дней, но — всего лишь три с половиной месяца!Согласитесь, разница между месяцами и годами — всё-таки почти в десять раз.
А это — меньше еды, воздуха и воды для космонавтов, меньшая опасность их попадания под солнечные вспышки и меньшее время нахождения вне магнитного поля нашей Земли.
«Ведь, если вы можете вытащить свой корабль на орбиту, то вы уже на полпути куда угодно.»
alex-anpilogov.livejournal.com
Новые программы освоения космоса требуют разработки более совершенных двигателей. Конструкторам всегда хотелось уменьшить их массу, увеличить тягу и повысить экономичность. Сейчас это стало не простым стремлением сделать лучше, а необходимым условием для будущих пилотируемых миссий и доставки научной аппаратуры к другим планетам в разумные сроки. Какие технические решения выглядят заманчиво в отдалённой перспективе, а какие реализуются прямо сейчас?
С движением мы сталкиваемся ежедневно и привыкли к нему настолько, что не слишком задумываемся о его природе. В обычных условиях всегда есть какая-то среда и возможность взаимодействовать с ней. Ноги и колёса автомобиля отталкиваются от твёрдой поверхности дороги, гребной винт лодки увлекает воду, а турбина самолёта – воздух. Отсутствие привычной среды в космосе не даёт столь богатых возможностей.
Испытания двигателя LYNX (фото: XCOR)Единственный освоенный принцип движения космических аппаратов (КА) был и остаётся прежним: реактивная струя выбрасывается в одну сторону, создавая тягу в противоположном направлении. Вся соль в том, из чего формируется и что представляет собой сама реактивная струя.
Независимо от типа в ракетных двигателях «рабочим телом» принято называть то, что покидает сопло на большой скорости. Для разгонных блоков ракет-носителей это продукты сгорания топлива, для ионных двигателей спутников – ионизированный газ. Во всех случаях время работы двигателя ограничено имеющимся на борту запасом вещества, используемого при создании реактивной тяги.
Для вывода спутника на орбиту Земли и отправки автоматических межпланетных станций (АМС) за её пределы двигатель ракеты-носителя должен обеспечить тягу в сотни и тысячи килоньютон, но ему достаточно проработать несколько минут. Самим космическим аппаратам вне гравитационного поля планеты достаточно тяги в доли ньютона, но эксплуатироваться их двигатели будут годами. Пока даже на одном КА приходится использовать несколько разных типов двигателей в качестве маршевых и корректирующих, но всё может измениться.
Недавно в рамках проекта HyperV были собраны через Kickstarter средства на доработку импульсного плазменного двигателя. В качестве рабочего тела сгодятся практически любые газы. Сам двигатель обещает быть гораздо дешевле в производстве и эксплуатации, чем имеющиеся аналоги.
Испытательный стенд двигателя HyperV (фото: Nancy Atkinson, Universe Today)Главное преимущество заключается в универсальности. За счёт регулирования соотношения тяги к удельному импульсу один двигатель можно использовать для разных задач.
Ядерные двигатели разрабатываются с пятидесятых годов прошлого века и актуальны до сих пор. Изначально их предполагалось делать импульсными – ядерные взрывы малой мощности должны были придавать ускорение огромному космическому кораблю. Грандиозный проект Orion был рассчитан на пилотируемую миссию с командой в 200 человек, но его так и не удалось воплотить по техническим и экономическим причинам.
Проект «Орион» в представлении художника (изображение: Joe Bergeron)Позже предпочтение отдали менее экстремальному режиму работы ЯРД – реактивному, в котором ядерный реактор используется для контролируемого нагрева рабочего тела. Следующий проект (Daedalus) предполагал строительство на орбите Юпитера автономного зонда. Аппарат длиной почти в полкилометра должен был разогнаться термоядерными ракетными двигателями и достичь через 49 лет звезды Барнарда в созвездии Змееносца. Проект был свёрнут в 1977 году из-за недостаточных знаний об устройстве Солнечной системы вблизи её внешних границ.
Проект Daedalus — принципиальная схема (изображение: Adrian Mann)В конце восьмидесятых NASA вернулось к идее межзвёздных полётов космических кораблей. Проект Longshot выглядел более реалистично и основывался на использовании лазерно-термоядерного двигателя. В качестве цели была выбрана звезда альфа Центавра B. Время полёта увеличилось до века, а миссия не предполагала возвращения. В отличие от проекта Daedalus, Longshot опирался преимущественно на существующие, а не на перспективные технологии. На последнем этапе стало очевидно, что кораблю потребуется порядка 264 тонн смеси гелия-3 и дейтерия, которых получить в таких количествах ценой разумных затрат не удастся.
Проект Longshot (изображение: Beals, K.A.)Несмотря на серию неудачных проектов, ядерные ракетные двигатели не теряют актуальности. Глава Роскосмоса Владимир Поповкин сообщил в интервью «Российской газете», что опытный образец ядерной установки мегаваттного класса для межпланетных полётов появится в России в 2017 году.
Проведение стендовых испытаний ядерного реактора запланировано в Сосновом Бору Ленинградской области. По сравнению с прямоточным ядерным двигателем температура нагрева рабочего тела должна снизиться до 1500 градусов, а создаваемая реактивная струя не будет радиоактивной. Второе свойство позволит использовать двигатель уже на ранних этапах полёта без риска радиационного загрязнения атмосферы Земли. Подобная программа NASA «Прометей» была закрыта в 2006 году из-за недостаточного финансирования.
Другим многообещающим проектом является разработка электромагнитного ускорителя с изменяемым удельным импульсом (в англоязычной литературе – VASIMR). Рабочее тело (аргон) ионизируется радиоволнами, и полученная плазма затем разгоняется в электромагнитном поле, создавая реактивную тягу.
Впервые появившись в 1979 году, идея стала по-настоящему революционной и сейчас близка к воплощению. Такой двигатель был бы крайне востребован в системе орбитального и межпланетного транспорта. Для начала «космический буксир» мог бы перемещать многотонные грузы между орбитами Земли и Луны. Модель VASIMR VF-200 производства Ad Astra Rocket Company планируется разместить на борту МКС.
Макет двигателя VASIMR VF-200-1 представлен в ролике ниже.
В конце 2012 года профессор Академии наук Китая Ян Цзюань представила перевод своей статьи, описывающей прототип уникального электромагнитного ракетного двигателя. На бумаге он выглядит гораздо интереснее имеющихся сегодня ионных двигателей хотя бы потому, что не требует расхода рабочего тела, но в этом и главная причина сомнений. Совсем недавно о таком типе электрического ракетного двигателя можно было только мечтать.
В отличие от всех иных типов ракетных двигателей, здесь ускорение должно достигаться за счёт направленного микроволнового излучения. О том, что электромагнитные волны создают давление, было известно ещё со времён Максвелла, однако описание принципов работы EmDrive вызывает множество вопросов.
Образно говоря, такой двигатель похож на микроволновку, к которой добавили резонирующую полость в виде замкнутого усечённого конуса. По идее, излучаемые микроволны оказывают давление на внутреннюю полость, которое не компенсируется только в одном направлении. Так (по мнению госпожи Цзюань) у EmDrive возникает реактивная тяга.
Прототип электромагнитного двигателя EmDrive (фото: Yang Juan)К сожалению, такой принцип работы EmDrive вызывает множество сомнений и напоминает печальный опыт установки экспериментального «движителя без выброса реактивной массы» на спутник «Юбилейный» в 2008 году.
Радует то, что EmDrive хотя бы не относится к пресловутым инерциоидам – типу устройств, работоспособность которых без взаимодействия с внешней средой невозможна. Сомнения касаются и большинства заявленных характеристик. Помимо того что в сравнении с лучшими ионными двигателями EmDrive обещает обеспечить больший срок службы, декларируется примерно в десять раз меньшая масса при той же мощности и большей (720 мН) тяге. Подробнее об истории разработки EmDrive смотрите статью Евгения Золотова.
Схема электромагнитного двигателя (изображение: peswiki.com)При исследованиях дальнего космоса энергию для EmDrive, скорее всего, будут вырабатывать привычные модули РИТЭГ. Во внутренней области Солнечной системы (условно – до главного пояса астероидов) можно ограничиться солнечными батареями. Срок автономной работы КА с электромагнитным двигателем и солнечными батареями будет практически ограничен только износом, так как у него на борту нет расходуемых компонентов.
www.computerra.ru
