Ускоритель плазмы осилит дорогу до марса за месяц
Громадный электроракетный двигатель с рекордными чертями прошёл наземный тест под нагрузкой, превышающей номинал. Новичок совмещает приличную тягу с экономичностью. А это разрешает сохранять надежду на новый виток в развитии космической отрасли.
Экзотический ускоритель плазмы способен открыть людям двери на другие планеты.
Американская компания Ad Astra Rocket удачно проверила в вакуумной камере собственный уникальный «Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом» (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket — VASIMR), а правильнее — его самую большую модификацию VX-200.
Первые его опробования состоялись пара месяцев назад, но 30 сентября 2009 года прошёл тест при рекордном уровне в 201 киловатт. «Это самый замечательный плазменный двигатель в мире сейчас», — утверждает основатель Ad Astra Rocket, бывший космонавт NASA, Франклин Чан-Диаз (Franklin Chang-Diaz).
Ближе всего по этому параметру к VX-200 находится один из вариантов двигателя Hall, что NASA разрабатывало собственными силами. Но он был в четыре раза не сильный и употреблял из сети «всего» 50 киловатт. Остальные конструкции отстают ещё больше.
Фундаментальные части и принцип работы VASIMR. При помощи электромагнитного излучения рабочее тело (аргон) ионизируется.
Потом газ попадает в «бустер», где вторая радиоволновая антенна быстро увеличивает температуру плазмы. Комплект же сверхпроводящих катушек употребляется как сопло с магнитными стенками, в котором плазма разгоняется до высокой скорости (иллюстрация Ad Astra Rocket Company).
Как трудится VASIMR в тестовой камере, возможно заметить в этом ролике. Действительно, он относится к давешнему опробованию, на протяжении которого аппарат потреблял лишь 179 киловатт. Из них 30 кВт употреблялись в первой части двигателя для плазмы, а 149 — на разгон и разогрев её во второй камере.
На большой же паспортной мощности в 200 кВт распределение энергопотребления двух «ступеней» плазменного ускорителя VX-200 остаётся подобным: 32 кВт уходит на ионизацию газа и 168 – на его разгон и нагрев. И не смотря на то, что на протяжении опыта пиковую собственную мощность аппарат развивал доли секунды, создатели автомобили уверенны, что её рабочая версия сможет непрерывно трудиться минутами, а вдруг потребуется – часами, днями и месяцами.
Франклин Чан-Диаз летал на шаттле семь раз. Он кроме этого есть физиком, экспертом по плазме. Ad Astra Rocket он основал в 2005 году (снимок 2005-го, кстати), выйдя в отставку из последовательностей NASA.
Тогда же Чан-Диаз внес предложение концепцию VASIMR, которую и принялась развивать его компания. Любопытно, что в том же году NASA сократило личные работы по электроракетным двигателям из-за секвестра бюджета.Ad Astra Rocket владеет штаб-исследовательским отделом и квартирой в Техасе и ещё одним научно-исследовательским подразделением в Коста-Рике. Выбор второй страны не случаен – Франклин костариканец по происхождению, и на родине до сих пор живут его мать, братья и сёстры (фото NASA/Johnson Space Center).
Плазменные ракетные двигатели (одним из вариантов которых и есть VASIMR) наровне со собственными родными родственниками — ионными двигателями — сулят человечеству новые возможности в освоении космоса. От химических ракетных движков они выгодно отличаются большой экономичностью.
Действительно, увы, такие устройства дают малую тягу. При с VX-200 речь заходит о величине порядка 5 ньютонов (500 граммов). По меркам химических движков — это сущая мелочь, но по меркам электроракетных — весьма солидная величина.
Схема двигателя VX-200 и его фотографии перед установкой в вакуумную камеру (иллюстрации Ad Astra Rocket Company).
Для сравнения стоит отыскать в памяти американский межпланетный аппарат Dawn, что стартовал в осеннюю пору 2007-го (к собственной первой цели, Весте, он прибудет в 2011 году). Для разгона к поясу астероидов Dawn применяет три ионных двигателя, любой из которых развивает большую тягу в 90 миллиньютонов.
«Это аналогично весу одного листка из блокнота», — образно поясняет NASA. В чём, спрашивается, суть? Дело в том, что «ионники» приблизительно на порядок действеннее химических ракетных двигателей.
В частности, удельный импульс устройств, стоящих на Dawn, образовывает 3100 секунд.
Потому 425 килограммов рабочего тела (ксенона) им хватит на 2100 дней работы. Пускай ускорение Dawn нереально подметить глазу, но неспециализированное приращение скорости за всё время миссии составит порядка 10 километров в секунду.
И сам аппарат оказался относительно лёгким (тонна с четвертью). Потому для его старта с Почвы пригодилась ракета меньшего класса (Delta II), соответственно — более недорогая, в сравнении той, что потребовалась бы для подъёма на орбиту гипотетического исследователя астероидов, выстроенного на базе химических движков.
VX-200 на одном из опробований. По идее, применённая в нёмтехнология разрешает приобретать удельный импульс от 3000 до 30 тысяч секунд в одном устройстве (путём вариации как расхода рабочего тела, так и мощности, подводимой к излучателям, греющим плазму), но конкретные характеристики различных моделей VASIMR смогут очень сильно различаться (фото Ad Astra Rocket Company).
Удельный импульс установки VX-200 образовывает порядка 5000 секунд. По большому счету же он может изменяться, что и отражено в заглавии устройства. Больший КПД возможно взять при малой тяге, меньший — при большой.
Так возможно варьировать режим работы маршевого движка в зависимости от целей миссии космического аппарата. Где-то возможно позволить себе израсходовать больше рабочего тела, но сократить время полёта, где-то, наоборот, выполнить задание за больший срок, но при минимальном расходе «горючего», соответственно, — минимальном весе аппарата.
Тут нужно подчернуть, что VASIMR претендует на роль некоего промежуточного варианта создания тяги в условиях космоса. Промежуточного между химическими ускорителями (замечательными, но прожорливыми) и очень миниатюрными электроракетными движками, экономичность которых возможно значительно выше, чем кроме того у VX-200, но тяга будет составлять только доли грамма.
кожный покров владеет ещё одним преимуществом перед соперниками из стана электроракетных двигателей в целом: в нём плазма ни в одной точке не соприкасается с подробностями аппарата, а контактирует лишь с полями.
Это указывает, что устройство от Ad Astra сможет трудиться по многу месяцев а также лет без деградации конструкции — то что нужно для разгона космических аппаратов на пути в глубины Нашей системы либо коррекции орбиты спутников. У хороших ионных ракетных двигателей больной вопрос – эрозия решёток-электродов. У VASIMR же таковых попросту нет.
Ad Astra Rocket сооружает богатые замыслы применения VASIMR в ряде проектов. Так, по соглашению с американским космическим агентством в 2013 году лётный вариант VX-200, названный VF-200-1, обязан попасть на опробования на МКС. Разрабатываемый сейчас аппарат будет базироваться на неспециализированном дизайне VX-200, но складываться из двух практически параллельных движков по 100 киловатт любой.
(Примечательно, что Ad Astra Rocket ведёт переговоры о доставке VF-200-1 на станцию при помощи частного носителя от SpaceX или Orbital Sciences).
Примерное размещение двигателя VF-200-1 на МКС и его неспециализированный вид (иллюстрации Ad Astra Rocket Company).
VF-200-1 попытается поднимать орбиту станции, систематично «проседающую» из-за не сильный торможения в остатках воздуха, имеющихся кроме того на 400-километровой высоте. VF-200-1 будет включаться ненадолго (пара мин.) эпизодически. А потому, что мощность, забираемая им из сети, весьма громадна, двигатель обязан потреблять энергию, накопленную в особых аккумуляторная батареях, каковые, со своей стороны, на протяжении пауз в работе плазменного ускорителя будут понемногу подзаряжаться от солнечных батарей МКС.
В случае если тест пройдёт удачно, на таковой метод подъёма орбиты, быть может, и переведут станцию. А это обещает солидную экономию. Так как сегодняшний вариант подъёма орбиты (при помощи химических движков транспортных судов снабжения) свидетельствует расход 7,5 тонны горючего в год, тогда как VASIMR потребует на ту же цель 300 килограммов аргона каждый год.
Возможности же технологии ещё заманчивее.
На базе одного либо нескольких VF-200-1, думает компания, возможно выстроить беспилотный грузовик, что будет переправлять громадные грузы с низкой околоземной орбиты на окололунную. Питание эти движки приобретали бы от солнечных батарей.
Орбитальный тягач с двигателями VASIMR может смотреться так. Вариант с четырьмя либо пятью установками, аналогичными VF-200-1, ещё может обойтись в плане электропитания большими солнечными батареями (мощностью до мегаватта) (иллюстрация Ad Astra Rocket Company).
Польза от замены химического орбитального буксира на магнитоплазменный в целом подобна той, что была показана при с установкой ионных двигателей на Dawn. Другими словами речь заходит о понижении массы комплексов, каковые сперва необходимо поднять на околоземную орбиту.
Так для переправки в одном рейсе 34 тысячь киллограм нужного груза между земной и лунной орбитой химическим двигателям потребуется сжечь 60 тысячь киллограм пары кислород/водород, а пятёрка VF-200-1 обойдётся 8 тоннами аргона. То, что лунный перелёт «на плазме» будет продолжаться месяцами, при беспилотной миссии не играется никакой роли.
А вот будущие двигатели VASIMR (пара штук по 10-20 милионов ватт) имели возможность бы донести пилотируемый комплекс к Марсу всего за 39 дней, — утверждает Чан-Диаз. В этот самый момент многократное сокращение времени миссии — основная польза. Так как при таких условиях космонавты возьмут значительно меньшую дозу космической радиации, от которой в противном случае нужно будет защищаться толстыми стенками корабля (а это масса) или магнитным щитом.
Марсианский пилотируемый аппарат с двигателями VASIMR. Питать их обязан маленький ядерный реактор. Компания пишет, что подобный корабль с магнитоплазменной установкой мощностью «всего» 12 милионов ватт долетел бы до Марса менее чем за четыре месяца, что уже хорошо. Ну а вариант с 39-дневным перелётом потребует суммарной мощности установки в 200 милионов ватт.
Большое количество. Но сам аппарат вышел бы довольно лёгким и количество рабочего тела на его борту было бы мало (иллюстрация Ad Astra Rocket Company).
Для для того чтобы аппарата, вероятнее, потребовалась бы бортовая АЭС — солнечные панели нужной мощности вышли бы легко чудовищно громадными.
О том, что электроракетные движки для дальних миссий «просят» ядерную подпитку, эксперты говорят в далеком прошлом. Никаких принципиальных и неразрешимых трудностей в постройке аналогичного генератора на данный момент нет.
Ещё не все вопросы относительно тонкостей работы самого VASIMR сняты. Учёным предстоит повысить полный КПД совокупности и отыскать лучший метод спасения от лишнего тепла, рассеиваемого таким движком. Но в целом разработка в полной мере уже подходит к этапу, в то время, когда только наземные экспериментальные установки должны породить модификации, предназначенные для отправки на орбиту.
Чан-Диаз и его сотрудники считают, что коммерческие предположения двигателей типа VASIMR смогут показаться на рынке в 2014 году.
