Плазменный маршевый двигатель

Плазменный двигатель — это тип электрической двигательной установки , создающей тягу из квазинейтральной плазмы . В этом отличие от двигателей с ионными двигателями , которые создают тягу за счет извлечения ионного тока из источника плазмы , который затем ускоряется до высоких скоростей с помощью решеток/ анодов . Они существуют во многих формах (см. электрическую тягу ). Однако в научной литературе под термином «плазменный двигатель» иногда подразумеваются двигатели, обычно обозначаемые как « ионные двигатели ». ^[1]

Плазменные двигатели обычно не используют высоковольтные сетки или аноды/ катоды для ускорения заряженных частиц в плазме, а скорее используют токи и потенциалы, которые генерируются внутри для ускорения ионов, что приводит к более низкой скорости истечения, учитывая отсутствие высоких ускоряющих напряжений. .

Этот тип подруливающего устройства имеет ряд преимуществ. Отсутствие высоковольтных сеток анодов устраняет возможный ограничивающий элемент в результате ионной эрозии сетки. Плазменный выхлоп является «квазинейтральным», что означает, что положительные ионы и электроны существуют в равном количестве, что позволяет простую ионно-электронную рекомбинацию в выхлопе для нейтрализации выхлопного шлейфа, устраняя необходимость в электронной пушке (полый катод). Такой двигатель часто генерирует исходную плазму с использованием радиочастотной или микроволновой энергии, используя внешнюю антенну . Этот факт, в сочетании с отсутствием полых катодов (которые чувствительны ко всем газам, кроме благородных ), позволяет использовать этот двигатель на различных видах топлива, от аргона до с углекислым газом смесей воздуха и мочи космонавтов . ^[2]

Плазменные двигатели хорошо подходят для межпланетных полетов благодаря высокому удельному импульсу. ^[3]

Многие космические агентства разработали плазменные двигательные установки, в том числе Европейское космическое агентство , Иранское космическое агентство и Австралийский национальный университет , которые совместно разработали двухслойный двигатель . ^[4]^[5]

История

Некоторые плазменные двигатели активно летали и использовались в миссиях. Первым применением плазменных двигателей стал импульсный плазменный двигатель на советском «Зонд-2» космическом зонде , который нес шесть PPT, которые служили приводами системы ориентации. Двигательная установка PPT была испытана в течение 70 минут 14 декабря 1964 года, когда космический корабль находился на высоте 4,2 миллиона километров от Земли. ^[6]

В 2011 году НАСА в партнерстве с Бусеком запустило первый двигатель на эффекте Холла на борту спутника Tacsat-2 . Двигатель был основной двигательной установкой спутника. В том же году компания выпустила еще один двигатель на эффекте Холла. ^[7] В 2020 году исследование плазменной струи было опубликовано Уханьским университетом . ^[8] Однако впоследствии было показано, что оценки тяги, опубликованные в этой работе, почти в девять раз превышают теоретически возможный уровень, даже если 100% входной микроволновой мощности будет преобразовано в тягу. ^[9]

Компания Ad Astra Rocket занимается разработкой VASIMR. Канадская компания Nautel производит радиочастотные генераторы мощностью 200 кВт, необходимые для ионизации топлива. Некоторые испытания компонентов и эксперименты «Плазменный выстрел» проводятся в лаборатории Либерии, Коста-Рика . Этот проект возглавляет бывший астронавт НАСА доктор Франклин Чанг-Диас (CRC-США).

Коста-риканский аэрокосмический альянс объявил о разработке внешней опоры для VASIMR, который будет установлен за пределами Международной космической станции . Ожидалось, что этот этап плана по испытаниям VASIMR в космосе будет проведен в 2016 году.

Преимущества

Плазменные двигатели имеют гораздо более высокое значение удельного импульса ( I _sp ), чем большинство других типов ракетной техники. Двигатель VASIMR можно дросселировать до импульса, превышающего 12 000 с, а двигатели Холла достигли ~ 2 000 с. Это значительное улучшение по сравнению с двухкомпонентным топливом обычных химических ракет, удельные импульсы которых составляют ~450 с. ^[10] Обладая высоким импульсом, плазменные двигатели способны достигать относительно высоких скоростей в течение длительных периодов ускорения. Бывший астронавт Франклин Чанг-Диас утверждает, что двигатель VASIMR может отправить полезную нагрузку на Марс всего за 39 дней. ^[11] при достижении максимальной скорости 34 миль в секунду (55 км/с). ^{[ нужна ссылка ]}

Некоторые плазменные двигатели, такие как минигеликон, славятся своей простотой и эффективностью. Их теория работы относительно проста и может использовать различные газы или их комбинации.

Эти качества позволяют предположить, что плазменные двигатели имеют ценность для многих профилей миссий. ^[12]

Недостатки

Возможно, наиболее серьезной проблемой для жизнеспособности плазменных двигателей является потребность в энергии. ^[5] Например, двигателю VX-200 требуется электрическая мощность 200 кВт для создания тяги 5 Н, или 40 кВт/Н. Эту потребность в мощности могут удовлетворить реакторы деления, но масса реактора (включая системы отвода тепла) может оказаться непомерно высокой. ^[13]^[14]

Другая проблема – плазменная эрозия. Во время работы плазма может термически абсорбировать стенки полости двигателя и опорную конструкцию, что в конечном итоге может привести к отказу системы. ^[15]

Плазменные двигатели из-за своей крайне малой тяги непригодны для выведения на околоземную орбиту. В среднем эти ракеты обеспечивают максимальную тягу около 2 фунтов. ^[10] Плазменные двигатели очень эффективны в открытом космосе, но не компенсируют орбитальные затраты на химические ракеты.

Типы двигателей

Геликоновые плазменные двигатели

Плазменные двигатели Helicon используют низкочастотные электромагнитные волны (волны Helicon), которые существуют внутри плазмы под воздействием статического магнитного поля. Радиочастотная антенна , охватывающая газовую камеру, создает волны и возбуждает газ, создавая плазму. Плазма выбрасывается с высокой скоростью, создавая тягу посредством стратегий ускорения, которые требуют различных комбинаций электрических и магнитных полей идеальной топологии . Они относятся к категории безэлектродных двигателей. Эти двигатели поддерживают несколько видов топлива, что делает их полезными для более длительных миссий. Их можно сделать из простых материалов, в том числе из стеклянной бутылки из-под газировки. ^[12]

Магнитоплазмодинамические двигатели

Магнитоплазмодинамические двигатели (MPD) используют силу Лоренца (силу, возникающую в результате взаимодействия магнитного поля и электрического тока ) для создания тяги. Электрический заряд, протекающий через плазму в присутствии магнитного поля, заставляет плазму ускоряться . Сила Лоренца также имеет решающее значение для работы большинства импульсных плазменных двигателей .

Импульсные индуктивные двигатели

Импульсные индуктивные двигатели (PIT) также используют силу Лоренца для создания тяги, но в них не используются электроды, что решает проблему эрозии. Ионизация и электрические токи в плазме индуцируются быстро меняющимся магнитным полем.

Безэлектродные плазменные двигатели

Безэлектродные плазменные двигатели используют пондеромоторную силу , которая действует на любую плазму или заряженную частицу под воздействием сильного электромагнитной энергии, плотности градиента для ускорения электронов и ионов плазмы в одном направлении, тем самым работая без нейтрализатора.

ВАСИМР

VASIMR, сокращение от «Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом», использует для ионизации топлива в радиоволны плазму. Затем магнитное поле ускоряет плазму из двигателя, создавая тягу . Двигатель VASIMR мощностью 200 мегаватт мог бы сократить время путешествия от Земли до Юпитера или Сатурна с шести лет до четырнадцати месяцев, а от Земли до Марса — с 6 месяцев до 39 дней. ^[7]

См. также

Ссылки

^ Мазуффр, Стефан (01 июня 2016 г.). «Электрическая двигательная установка для спутников и космических кораблей: признанные технологии и новые подходы» (PDF) . Плазменные источники Наука и техника . 25 (3): 033002. Бибкод : 2016PSST...25c3002M . дои : 10.1088/0963-0252/25/3/033002 . S2CID 41287361 .
^ «Австралийский национальный университет разрабатывает геликонный плазменный двигатель» . Устройство. Январь 2010 года . Проверено 8 июня 2012 года .
^ «Компания NS помогает строить плазменную ракету» . cbcnews. Январь 2010 года . Проверено 24 июля 2012 г.
^ «Плазменный двигатель прошел начальные испытания» . Новости Би-би-си . 14 декабря 2005 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Плазменные реактивные двигатели, способные перенести вас с земли в космос» . Новый учёный . Проверено 29 июля 2017 г.
^ Щепетилов В.А. (декабрь 2018 г.). «Разработка электрореактивных двигателей в Курчатовском институте атомной энергии» . Физика атомных ядер . 81 (7): 988–999 . Проверено 28 февраля 2024 г.
^ Jump up to: ^а ^б «ТакСат-2» . www.busek.com . Проверено 29 июля 2017 г.
^ «Может ли этот китайский плазменный двигатель сделать экологичные воздушные путешествия реальностью?» . Южно-Китайская Морнинг Пост . 8 мая 2020 г.
^ Райт, Питер; Образцы, Стивен; Учизоно, Нолан; Вирц, Ричард (15 сентября 2020 г.). «Комментарий к статье «Реактивное движение микроволновой воздушной плазмы в атмосфере» [AIP Adv. 10, 05002 (2020)]» . Достижения АИП . 10 (9): 099101. Бибкод : 2020AIPA...10i9101W . дои : 10.1063/5.0013575 . S2CID 224859826 .
^ Jump up to: ^а ^б «Космические путешествия с помощью плазменных двигателей: прошлое, настоящее и будущее | DSIAC» . www.dsiac.org . Архивировано из оригинала 8 августа 2017 г. Проверено 29 июля 2017 г.
^ «От антивещества к ионным двигателям: планы НАСА по развитию движения в дальнем космосе» . Журнал «Космос» . Проверено 29 июля 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Ракета нацелена на более дешевые полеты в космос; плазменный двигатель небольшой и работает на недорогих газах» . ScienceDaily . Проверено 29 июля 2017 г.
^ «Техническая информация | Ad Astra Rocket» . www.adastrarocket.com . Проверено 1 июня 2020 г.
^ «Плазменный двигатель со скоростью 123 000 миль в час, который наконец-то сможет доставить астронавтов на Марс» . Популярная наука . Проверено 29 июля 2017 г.
^ «Путешествие на Марс на бессмертных плазменных ракетах» . Проверено 29 июля 2017 г.

Внешние ссылки

[1] Мазуффр, Стефан (01 июня 2016 г.). «Электрическая двигательная установка для спутников и космических кораблей: признанные технологии и новые подходы» (PDF) . Плазменные источники Наука и техника . 25 (3): 033002. Бибкод : 2016PSST...25c3002M . дои : 10.1088/0963-0252/25/3/033002 . S2CID 41287361 .

[2] «Австралийский национальный университет разрабатывает геликонный плазменный двигатель» . Устройство. Январь 2010 года . Проверено 8 июня 2012 года .

[plasma_rocket-3] «Компания NS помогает строить плазменную ракету» . cbcnews. Январь 2010 года . Проверено 24 июля 2012 г.

[4] «Плазменный двигатель прошел начальные испытания» . Новости Би-би-си . 14 декабря 2005 г.

[New_Scientist-5] Jump up to: ^а ^б «Плазменные реактивные двигатели, способные перенести вас с земли в космос» . Новый учёный . Проверено 29 июля 2017 г.

[Shchepetilov-6] Щепетилов В.А. (декабрь 2018 г.). «Разработка электрореактивных двигателей в Курчатовском институте атомной энергии» . Физика атомных ядер . 81 (7): 988–999 . Проверено 28 февраля 2024 г.

[TacSat-2-7] Jump up to: ^а ^б «ТакСат-2» . www.busek.com . Проверено 29 июля 2017 г.

[8] «Может ли этот китайский плазменный двигатель сделать экологичные воздушные путешествия реальностью?» . Южно-Китайская Морнинг Пост . 8 мая 2020 г.

[9] Райт, Питер; Образцы, Стивен; Учизоно, Нолан; Вирц, Ричард (15 сентября 2020 г.). «Комментарий к статье «Реактивное движение микроволновой воздушной плазмы в атмосфере» [AIP Adv. 10, 05002 (2020)]» . Достижения АИП . 10 (9): 099101. Бибкод : 2020AIPA...10i9101W . дои : 10.1063/5.0013575 . S2CID 224859826 .

[:0-10] Jump up to: ^а ^б «Космические путешествия с помощью плазменных двигателей: прошлое, настоящее и будущее | DSIAC» . www.dsiac.org . Архивировано из оригинала 8 августа 2017 г. Проверено 29 июля 2017 г.

[11] «От антивещества к ионным двигателям: планы НАСА по развитию движения в дальнем космосе» . Журнал «Космос» . Проверено 29 июля 2017 г.

[:15-12] Jump up to: ^а ^б «Ракета нацелена на более дешевые полеты в космос; плазменный двигатель небольшой и работает на недорогих газах» . ScienceDaily . Проверено 29 июля 2017 г.

[13] «Техническая информация | Ad Astra Rocket» . www.adastrarocket.com . Проверено 1 июня 2020 г.

[14] «Плазменный двигатель со скоростью 123 000 миль в час, который наконец-то сможет доставить астронавтов на Марс» . Популярная наука . Проверено 29 июля 2017 г.

[15] «Путешествие на Марс на бессмертных плазменных ракетах» . Проверено 29 июля 2017 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]