Magnetoplasmadynamisk thruster - Magnetoplasmadynamic thruster

En MPD-thruster under testskyting

En magnetoplasmadynamisk (MPD) thruster ( MPDT ) er en form for elektrisk drevet romfartøy fremdrift som bruker Lorentz-kraften (kraften på en ladet partikkel av et elektromagnetisk felt) for å generere skyvekraft. Det blir noen ganger referert til som Lorentz Force Accelerator (LFA) eller (for det meste i Japan) MPD arcjet.

Generelt ioniseres et gassformig materiale og føres inn i et akselerasjonskammer, der magnetfeltene og de elektriske feltene blir opprettet ved hjelp av en strømkilde. Partiklene drives deretter av Lorentz-kraften som skyldes interaksjonen mellom strømmen som strømmer gjennom plasmaet og magnetfeltet (som enten påføres eksternt eller induseres av strømmen) ut gjennom eksosrommet. I motsetning til kjemisk fremdrift er det ingen forbrenning av drivstoff. Som med andre elektriske fremdriftsvariasjoner, øker både spesifikk impuls og skyvekraft med kraftinngang, mens trykk per watt faller.

Det er to hovedtyper av MPD-thrustere, anvendt felt og selvfelt. Anvendt-felt-thrustere har magnetiske ringer som omgir eksos-kammeret for å produsere magnetfeltet, mens selv-field-thrustere har en katode som strekker seg gjennom midten av kammeret. Anvendte felt er nødvendige ved lavere effektnivåer, der selvfeltkonfigurasjoner er for svake. Ulike drivmidler som xenon , neon , argon , hydrogen , hydrazin og litium har blitt brukt, med litium generelt som den beste.

Ifølge Edgar Choueiri magnetoplasmadynamic thrustere har inngangsstrøm 100-500 kilowatt, eksos hastighets 15-60 kilometer i sekundet, stakk 2,5-25 newton og effektivitet 40-60 prosent. Ytterligere forskning har imidlertid vist at eksoshastigheter kan overstige 100 kilometer per sekund.

En potensiell anvendelse av magnetoplasmadynamiske thrustere er den viktigste fremdriftsmotoren for tung last og pilotstyrte romfartøyer (eksempelvis motor for menneskelig misjon til Mars ).

Fordeler

I teorien kan MPD-thrustere produsere ekstremt høye spesifikke impulser (I sp ) med en eksoshastighet på opp til og utover 110 000  m / s , tredoblet verdien av nåværende xenonbaserte ionepropeller, og omtrent 25 ganger bedre enn flytende raketter. MPD-teknologi har også potensial for trykknivåer på opptil 200 newton (N) ( 45  lb F ), den høyeste for enhver form for elektrisk fremdrift, og nesten like høy som mange interplanetære kjemiske raketter. Dette vil tillate bruk av elektrisk fremdrift på oppdrag som krever raske delta-v- manøvrer (for eksempel å fange i bane rundt en annen planet), men med mange ganger større drivstoffeffektivitet.

Utvikling

CGI-gjengivelse av Princeton Universitys litiummatede MPD-thruster (fra Popular Mechanics magazine)

MPD-thrusterteknologi har blitt utforsket akademisk, men kommersiell interesse har vært lav på grunn av flere gjenværende problemer. Et stort problem er at det kreves kraftbehov i størrelsesorden hundrevis av kilowatt for optimal ytelse. Nåværende interplanetære romfartøysystemer (for eksempel radioisotop-termoelektriske generatorer og solarrays) er ikke i stand til å produsere så mye kraft. NASAs Project Prometheus- reaktor ble forventet å generere kraft i hundrevis av kilowatt-området, men ble avviklet i 2005.

Et prosjekt for å produsere en romfart atomreaktor designet for å generere 600 kilowatt elektrisk kraft startet i 1963 og gikk det meste av 1960-tallet i Sovjetunionen . Det var å drive en kommunikasjonssatellitt som til slutt ikke ble godkjent. Atomreaktorer som leverer kilowatt elektrisk kraft (i størrelsesorden ti ganger mer enn nåværende RTG-strømforsyninger) har blitt kretset av Sovjetunionen: RORSAT ; og TOPAZ .

Planer om å utvikle en atomreaktor i megawatt-skala for bruk om bord på et bemannet romskip ble kunngjort i 2009 av det russiske atomvåpenet Kurchatov Institute , det nasjonale romfartsorganet Roskosmos , og bekreftet av Russlands president Dmitry Medvedev i sin tale i november 2009 til den føderale forsamlingen .

En annen plan, foreslått av Bradley C. Edwards , er å stråle strøm fra bakken. Denne planen bruker 5 200 kW gratis elektronlasere på 0,84 mikrometer med adaptiv optikk på bakken for å stråle strøm til det MPD-drevne romfartøyet, hvor det konverteres til elektrisitet av GaAs solcelleanlegg . Innstillingen av laserbølgelengden på 0,840 mikrometer ( 1,48 eV per foton) og PV-panelets båndgap på 1,43 eV til hverandre gir en estimert konverteringseffektivitet på 59% og en forventet effekttetthet på opptil 540 kW / m 2 . Dette ville være tilstrekkelig til å drive et MPD øvre trinn, kanskje for å løfte satellitter fra LEO til GEO.

Et annet problem med MPD-teknologi har vært nedbrytning av katoder på grunn av fordampning drevet av høye strømtettheter (i overkant av 100 A / cm 2 ). Bruk av litium- og bariumdrivmiddelblandinger og flerkanals hule katoder har vist seg i laboratoriet å være en lovende løsning for katodeerosjonsproblemet.

Undersøkelser

Forskning på MPD-thrustere har blitt utført i USA, det tidligere Sovjetunionen , Japan, Tyskland og Italia. Eksperimentelle prototyper ble først fløyet på sovjetiske romfartøyer og sist i 1996 på den japanske romflygerenheten , som demonstrerte vellykket drift av en kvasi-jevn pulserende MPD-thruster i rommet. Forskning ved Moscow Aviation Institute , RKK Energiya , National Aerospace University, Kharkiv Aviation Institute , Institute of Space Systems ved University of Stuttgart , ISAS , Centrospazio , Alta SpA , Osaka University , University of Southern California , Princeton University 's Electric Propulsion and Plasma Dynamics Lab (EPPDyL) (hvor MPD-thrusterforskning har fortsatt uavbrutt siden 1967), og NASA- sentre ( Jet Propulsion Laboratory og Glenn Research Center ), har løst mange problemer knyttet til ytelse, stabilitet og levetid for MPD-thrustere.

En MPD-thruster ble testet ombord på den japanske romflygerenheten som en del av EPEX (Electric Propulsion EXperiment) som ble lansert 18. mars 1995 og hentet av romfergeoppdraget STS-72 20. januar 1996. Til dags dato er det den eneste operasjonelle MPD-thruster for å ha flydd i rommet som et fremdriftssystem. Eksperimentelle prototyper ble først fløyet på sovjetiske romfartøyer.

Den anvendte felt-MPD-thrusteren under utvikling ved Institute of Space Systems ved University of Stuttgart nådde en thrustereffektivitet på 61,99% i 2019, tilsvarende en spesifikk impuls på I sp = 4665 s og 2,75 N av thrust.

Se også

Referanser

  1. ^ a b Choueiri, Edgar Y. (2009). Ny daggry av elektrisk rakett. Neste generasjons thruster
  2. ^ a b Choueiri, Edgar Y. (2009) Ny daggry av elektrisk rakett Scientific American 300, 58–65 doi : 10.1038 / scientificamerican0209-58
  3. ^ Kurchatov-instituttet med Roskosmos fornye arbeidet med å utvikle kjernekraftkilder for interplanetariske flyreiser, juni 2009, (på russisk
  4. ^ Global kommunikasjonssatellitt ved bruk av kjernekraft Arkivert 2008-07-09 på Wayback Machine
  5. ^ Sovjetunionen / Russland - RORSAT, Topaz og RTG
  6. ^ TOPAZ
  7. ^ Kurchatov-instituttet med Roskosmos fornye arbeidet med å utvikle kjernekraftkilder for interplanetære flyreiser , juni 2009, (på russisk)
  8. ^ Roskosmos utarbeidet et prosjekt av en Bemannet romskip med et kjernefysisk motor , RIAN , oktober 2009, (på russisk)
  9. ^ "Utviklingen på kjernefeltet vil bli aktivt anvendt ... også for å skape drivmiddelinnretninger som er i stand til å sikre romfart selv til andre planeter", fra november 2009- adressen til den føderale forsamlingen .
  10. ^ Edwards, Bradley C. Westling, Eric A. The Space Elevator: A revolutionary Earth-to-space transport system. 2002, 2003 f.Kr. Edwards, Houston, TX.
  11. ^ Boxberger, Adam; Behnke, Alexander; Herdrich, Georg (2019). "Nåværende fremskritt i optimalisering av operative regimer for brukte feltmonterte MPD-thrustere i stabil tilstand" (PDF) . International Electric Propulsion Conference (IEPC) . IEPC-2019-585.

Eksterne linker