Variabel spesifikk impuls Magnetoplasma -rakett - Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

Kunstners inntrykk av et multi-megawatt VASIMR-romfartøy

Den variabel spesifikk impuls Magnetoplasma Rocket ( VASIMR ) er en elektrotermisk thruster under utvikling for mulig bruk i fremdrift av romfartøy . Den bruker radiobølger til å ionisere og varme et inert drivmiddel , danne et plasma, deretter et magnetfelt for å begrense og akselerere det ekspanderende plasmaet , og generere skyvekraft . Det er en plasma fremdriftsmotor , en av flere typer romfartøyers elektriske fremdriftssystemer .

VASIMR -metoden for oppvarming av plasma ble opprinnelig utviklet under kjernefusjonsforskning . VASIMR er ment å bygge bro over gapet mellom høyt trykk, lavspesifikke impuls kjemiske raketter og lavt trykk, høy spesifikk impuls elektrisk fremdrift, men har ennå ikke påvist høyt trykk. VASIMR -konseptet oppsto i 1977 med den tidligere NASA -astronauten Franklin Chang Díaz , som har utviklet teknologien siden.

Design og drift

VASIMR skjematisk

VASIMR er en type elektrotermisk plasmastruster/elektrotermisk magnetoplasma -thruster. I disse motorene ioniseres og oppvarmes et nøytralt, inert drivmiddel ved hjelp av radiobølger. Det resulterende plasma akselereres deretter med magnetfelt for å generere skyvekraft. Andre beslektede elektriske drevne fremdriftskonsepter for romfartøyer er den elektrodeløse plasmastrusteren , den mikrobølgende arcjet -raketten og den pulserende induktive thrusteren . Hver del av en VASIMR -motor er magnetisk skjermet og kommer ikke i direkte kontakt med plasma, noe som øker holdbarheten. I tillegg eliminerer mangelen på elektroder elektrodeerosjonen som forkorter levetiden til konvensjonelle ion -thruster -design.

Drivmidlet, en nøytral gass som argon eller xenon , injiseres i en hul sylinder som har overflate med elektromagneter. Når den kommer inn i motoren, blir gassen først oppvarmet til et "kaldt plasma" av en helikon RF -antenne/kobler som bombarderer gassen med elektromagnetisk energi, med en frekvens på 10 til 50 MHz , og fjerner elektroner fra drivatomene og produserer et plasma av ioner og frie elektroner. Ved å variere mengden RF-varmeenergi og plasma, hevdes VASIMR å være i stand til å generere enten lavt trykk, høyspesifikk impulsavgass eller relativt høy, lavspesifikk impulsavgass. Den andre fasen av motoren er en sterk magnetformet elektromagnet som kanaliserer det ioniserte plasmaet og fungerer som en konvergent-divergerende dyse som den fysiske dysen i konvensjonelle rakettmotorer.

En annen kobler, kjent som ION (Ion Cyclotron Heating) seksjon, avgir elektromagnetiske bølger i resonans med banene til ioner og elektroner når de beveger seg gjennom motoren. Resonans oppnås gjennom en reduksjon av magnetfeltet i denne delen av motoren som bremser plasmapartiklenes orbitale bevegelse. Denne delen oppvarmer plasmaet til mer enn 1.000.000 K (1.000.000 ° C; 1.800.000 ° F) - omtrent 173 ganger temperaturen på solens overflate.

Banen til ioner og elektroner gjennom motoren tilnærmer seg linjer parallelt med motorveggene; Imidlertid går partiklene faktisk i bane rundt disse linjene mens de beveger seg lineært gjennom motoren. Den siste, divergerende delen av motoren inneholder et ekspanderende magnetfelt som kaster ut ionene og elektronene fra motoren med hastigheter så store som 50 000 m/s (180 000 km/t).

Fordeler

I motsetning til de typiske syklotronresonansoppvarmingsprosessene , blir VASIMR -ioner umiddelbart kastet ut fra magnetdysen før de oppnår termisk fordeling . Basert på nytt teoretisk arbeid i 2004 av Alexey V. Arefiev og Boris N. Breizman fra University of Texas i Austin , blir praktisk talt all energien i ionesyklotronbølgen jevnt overført til ionisert plasma i en enkeltpass-syklotronabsorberingsprosess. Dette gjør at ioner kan forlate magnetdysen med en svært smal energifordeling, og for betydelig forenklet og kompakt magnetoppsett i motoren.

VASIMR bruker ikke elektroder; I stedet beskytter det magnetisk plasma fra de fleste maskinvaredeler, og eliminerer dermed elektrodeerosjon, en viktig kilde til slitasje i ionmotorer. Sammenlignet med tradisjonelle rakettmotorer med svært komplekse rørleggerarbeider, ventiler med høy ytelse, aktuatorer og turbopumper, har VASIMR nesten ingen bevegelige deler (bortsett fra mindre, som gassventiler), noe som maksimerer lang holdbarhet.

Ulemper

I følge Ad Astra fra 2015 krever VX-200-motoren 200 kW elektrisk kraft for å produsere 5 N skyvekraft, eller 40 kW/N. I kontrast produserer den konvensjonelle NESTE ion -thrusteren 0,327 N med bare 7,7 kW, eller 24 kW/N. Elektrisk sett er NEXT nesten dobbelt så effektiv, og fullførte en test på 48 000 timer (5,5 år) i desember 2009.

Nye problemer dukker også opp med VASIMR, for eksempel interaksjon med sterke magnetfelt og termisk styring. Ineffektiviteten som VASIMR opererer med genererer betydelig spillvarme som må ledes bort uten å skape termisk overbelastning og termisk belastning. De superledende elektromagneter som er nødvendige for å inneholde varmt plasma, genererer tesla -område magnetiske felt som kan forårsake problemer med andre innebygde enheter og produsere uønsket dreiemoment ved interaksjon med magnetosfæren . For å motvirke denne sistnevnte effekten kan to thrusterenheter pakkes med magnetfelt orientert i motsatte retninger, noe som gir en netto null-dreiemoment magnetisk quadrupole .

Den nødvendige kraftproduksjonsteknologien for raske interplanetære reiser eksisterer foreløpig ikke og er ikke mulig med dagens topp moderne teknologi.

Forskning og utvikling

Det første VASIMR -eksperimentet ble utført ved Massachusetts Institute of Technology i 1983. Viktige forbedringer ble introdusert på 1990 -tallet , inkludert bruk av helikonplasmakilden, som erstattet plasmapistolen som opprinnelig var forespeilet og dens elektroder, noe som økte holdbarheten og lang levetid.

Som i 2010, Ad Astra Rocket selskapet (AARC) var ansvarlig for VASIMR utvikling, signerer første Space loven avtalen 23. juni 2005 for å privatisere VASIMR teknologi. Franklin Chang Díaz er Ad Astras styreleder og administrerende direktør, og selskapet hadde et testanlegg i Liberia, Costa Rica på campus ved Earth University .

VX-10 til VX-50

I 1998 ble det første helikonplasmaforsøket utført på ASPL . VASIMR eksperiment 10 (VX-10) i 1998 oppnådde en helikon RF plasmautladning på opptil 10 kW og VX-25 i 2002 på opptil 25 kW. I 2005 inkluderte fremdriften hos ASPL full og effektiv plasmaproduksjon og akselerasjon av plasmaionene med 50 kW, 0,5 newton (0,1 lbf) skyvekraft VX-50. Publiserte data om 50 kW VX-50 viste at den elektriske effektiviteten var 59% basert på en 90% koblingseffektivitet og en 65% forbedring av ionhastigheten.

VX-100

VASIMR -eksperimentet på 100 kilowatt kjørte vellykket innen 2007 og demonstrerte effektiv plasmaproduksjon med en ioniseringskostnad under 100  eV. VX-100 plasmaproduksjon tredoblet den tidligere rekorden for VX-50.

VX-100 var forventet å ha en ionhastighetsøkende effektivitet på 80%, men kunne ikke oppnå denne effektiviteten på grunn av tap fra konvertering av likestrøm til radiofrekvensstrøm og tilleggsutstyr for superledende magnet. Derimot, toppmoderne, velprøvde ionemotordesign fra 2009 som NASAs High Power Electric Propulsion (HiPEP) opererte med 80% total thruster/ PPU energieffektivitet.

VX-200

VX-200 plasmamotor med full effekt, som bruker begge trinn med fullt magnetfelt

Oktober 2008 kunngjorde selskapet i en pressemelding at helikonplasmagenereringskomponenten i 200 kW VX-200-motoren hadde nådd driftsstatus. Nøkkelteknologien, solid state DC-RF effektbehandling, nådde 98% effektivitet. Helikonutladningen brukte 30 kW radiobølger for å gjøre argongass til plasma. De resterende 170 kW effekt ble tildelt for akselerasjon av plasma i den andre delen av motoren, via ionesyklotronresonansoppvarming.

Basert på data fra VX-100-testing, var det forventet at hvis romledertemperatur superledere noen gang blir oppdaget, ville VX-200-motoren ha en systemeffektivitet på 60–65% og et potensielt trykknivå på 5 N. Optimal spesifikk impuls dukket opp å være rundt 5000 s ved bruk av lavkost argon drivmiddel. Et av de gjenværende uprøvde problemene var om det varme plasmaet faktisk løsnet fra raketten. Et annet problem var håndtering av spillvarme. Omtrent 60% av inputenergien ble nyttig kinetisk energi. Mye av de resterende 40% er sekundære ioniseringer fra plasma som krysser magnetfeltlinjer og eksosdivergens. En betydelig del av de 40% var spillvarme (se energieffektivisering ). Å håndtere og avvise at spillvarme er kritisk.

Mellom april og september 2009 ble det utført 200 kW-tester på VX-200-prototypen med 2 tesla superledende magneter som drives separat og ikke er redegjort for i noen "effektivitets" -beregninger. I løpet av november 2010 ble det utført tester med full effekt for å oppnå stabil drift i 25 sekunder og validere grunnleggende designegenskaper.

Resultatene presentert i januar 2011 bekreftet at designpunktet for optimal effektivitet på VX-200 er 50 km/s eksoshastighet, eller en I sp på 5000  s. 200 kW VX-200 hadde utført mer enn 10 000 motorfyringer med argon- drivmiddel ved full effekt innen 2013, noe som viste mer enn 70% thruster-effektivitet i forhold til RF-effektinngang.

VX-200SS

I mars 2015 kunngjorde Ad Astra en pris på 10 millioner dollar fra NASA for å fremme teknologiberedskapen til den neste versjonen av VASIMR-motoren, VX-200SS for å dekke behovene til dype romoppdrag. SS i navnet står for "steady state", et mål med langvarig test er å demonstrere kontinuerlig drift ved termisk steady state.

I august 2016 kunngjorde Ad Astra ferdigstillelse av milepælene for det første året av sin 3-årige kontrakt med NASA. Dette tillot første kraftige plasmafyringer av motorene, med et uttalt mål om å nå 100  timer og 100 kW innen midten av 2018. I august 2017 rapporterte selskapet å ha fullført sine årsmilepæler for år 2 for VASIMR elektrisk plasma -rakettmotor. NASA ga Ad Astra godkjenning til å fortsette med år 3 etter å ha gjennomgått en 10-timers kumulativ test av VX-200SS-motoren på 100  kW. Det ser ut som om det planlagte 200 kW -designet kjøres på 100 kW av årsaker som ikke er nevnt i pressemeldingen.

I august 2019 kunngjorde Ad Astra vellykket gjennomføring av tester av en ny generasjon radiofrekvens ( RF ) Power Processing Unit (PPU) for VASIMR-motoren, bygget av Aethera Technologies Ltd. i Canada. Ad Astra erklærte en effekt på 120 kW og> 97% elektrisk-til-RF-energieffektivitet, og at den nye RF-PPUen med 52 kg er omtrent 10 ganger lettere enn PPU-er for konkurrerende elektriske thrustere (effekt-vekt-forhold: 2,31 kW/kg)

I juli 2021 kunngjorde Ad Astra fullførelsen av en rekordstest for motoren og kjørte den i 28 timer ved et effektnivå på 82,5  kW. En annen test, utført fra 12. til 16. juli, kjørte motoren vellykket i 88 timer med et effektnivå på 80  kW. Ad Astra regner med å utføre 100  kW effektnivå tester i andre halvdel av 2021.

Potensielle applikasjoner

VASIMR har et forholdsvis dårlig trykk-til-vekt-forhold, og krever et omgivende vakuum.

Foreslåtte applikasjoner for VASIMR, for eksempel rask transport av mennesker til Mars, vil kreve en kraftig energikilde med lav masse, ti ganger mer effektiv enn en atomreaktor (se kjernefysisk elektrisk rakett ). I 2010 sa NASA -administrator Charles Bolden at VASIMR -teknologi kan være den banebrytende teknologien som vil redusere reisetiden på et Mars -oppdrag fra 2,5 år til 5 måneder. Denne påstanden har imidlertid ikke blitt gjentatt det siste tiåret.

I august 2008 uttalte Tim Glover, utviklingsdirektør for Ad Astra, offentlig at den første forventede anvendelsen av VASIMR-motoren er "å hente ting [ikke-menneskelig last] fra bane med lav jord til lavmånebane" som støtter NASAs innsats for å komme tilbake til månen .

Mars på 39 dager

For å gjennomføre en forestilt mannskapstur til Mars på 39 dager, ville VASIMR kreve et elektrisk effektnivå langt utover alt som er mulig eller forutsagt.

På toppen av det vil enhver kraftproduksjonsteknologi produsere spillvarme. Den nødvendige 200 megawatt reaktoren "med en masse-til-masse-tetthet på 1000 watt per kilo " ( Díaz- sitat) ville kreve ekstremt effektive radiatorer for å unngå behovet for "radiatorer i fotballbanestørrelse" ( sitat fra Zubrin ).

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker

NASA -dokumenter