Változó fajlagos impulzusú elektromágneses gyorsító ( Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR ) egy ígéretes elektromágneses plazma rakétamotor , amelyet űrhajók sugárhajtású gyorsítására terveztek a világűrben.
Szerkezetileg a motor hasonló az ionmotorhoz , de úgy tervezték, hogy megoldja a fő hátrányát - az elektródák gyors megsemmisülését a plazmaáramlásban. A VASIMR fejlesztés célja, hogy áthidalja a szakadékot a nagy hatékonyságú , alacsony tolóerejű, nagy fajlagos impulzusú reaktív rendszerek (ionos stb.) és az alacsony hatásfokú, nagy tolóerősségű, alacsony fajlagos impulzusú rendszerek között. A VASIMR képes a nagy és alacsony tolóerejű rendszerekhez közeli üzemmódokban működni.
A VASIMR-ben használt plazmamelegítési módszert a fúzióval kapcsolatos kutatásokból fejlesztették ki . Magát a motor koncepcióját Franklin Chang-Diaz űrhajós és tudós javasolta 1979-ben, és jelenleg is fejlődik.
A VASIMR, amelyet néha elektrotermikus plazmagyorsítónak (EPA) is neveznek, rádióhullámok segítségével ionizálja a munkafolyadékot , majd elektromágneses mező segítségével felgyorsítja a keletkező plazmát a tolóerő eléréséhez .
Ez a típusú tolómotor egyfajta elektróda nélküli plazmahajtóműnek tekinthető, amely a plazma gyorsítási módjában különbözik; mindkét motortípuson nincs elektróda . Az ilyen kialakítás fő előnye az elektródák eróziójának kiküszöbölése. Ezen túlmenően, mivel a VASIMR minden alkatrésze mágneses térrel van árnyékolva, és nem érintkeznek közvetlenül a plazmával, az ilyen kialakítású tolómotor potenciális élettartama sokkal hosszabb, mint egy iontolóé .
A rádióhullám-fűtéshez szükséges energia mennyiségének és a plazmát előállító munkaközeg mennyiségének megváltoztatásával a VASIMR képes mind kis tolóerőt előállítani, nagy fajlagos impulzussal, mind viszonylag nagy tolóerőt alacsony fajlagos impulzussal.
A hagyományos ciklotronrezonancia fűtési eljárásokkal ellentétben a VASIMR-ben lévő ionok azonnal gyorsabban haladnak át a mágneses fúvókán, mint a termodinamikai egyensúly eléréséhez szükséges idő . Arefiev és Breizman 2004-es elméleti tanulmánya szerint, az austini Texasi Egyetemen , az ionciklotronhullám gyakorlatilag teljes energiája egyenletesen oszlik el az ionizált plazmában egyetlen menetben a ciklotron abszorpciós folyamatában. Ez lehetővé teszi, hogy az ionok nagyon szűk energiaeloszlással hagyják el a mágneses fúvókát, ami a mágnesek egyszerűbb és sűrűbb eloszlását eredményezi a motorban [1] .
A jelenlegi VASIMR -eknek 3000 és 30 000 másodperc közötti specifikus impulzusokkal kell rendelkezniük (30 és 300 km/s közötti kiáramlási sebesség). Ennek a tartománynak az alsó határa összevethető néhány létező ionhajtómű koncepcióval . A plazmatermelés és a fűtés beállításával a VASIMR motor képes szabályozni a specifikus impulzust és tolóerőt. A motor a meglévő ionmotor-koncepciókhoz képest sokkal magasabb energiaszint ( megawatt ) felhasználására is képes. Ezért a VASIMR több tucatszor nagyobb tolóerőt tud biztosítani, feltéve, hogy megfelelő áramforrás áll rendelkezésre.
A VASIMR alacsony tolóerő-tömeg aránya miatt nem alkalmas hasznos teher felemelésére egy bolygó (például a Föld) felszínéről a bolygó körüli pályára, és csak nulla gravitáció esetén használható (pl. hajót indítani körpályáról). Használható végső fokozatként, csökkentve a hajtóanyag szükségességét az űrben történő szállításhoz, vagy felső fokozatként .
- várhatóan ennek a motornak ezeket a műveleteket a kémiai meghajtási technológiákon alapuló analógok költségének töredékéért kell elvégeznie /
A VASIMR egyéb alkalmazásai (például az emberek eljuttatása a Marsra ) nagyon nagy energiát és kis tömegű forrásokat igényelnek, mint például az atomerőművek .
2008 augusztusában Tim Glover, az Ad Astra fejlesztési igazgatója kijelentette, hogy a VASIMR-motor első várható alkalmazása "rakomány (nem emberi) átvitel alacsony földi pályáról alacsony holdpályára", és célja a NASA visszatérésének támogatása . Hold [2] .
A VASIMR hajtású űrhajók legfontosabb alkalmazása a belátható jövőben a teherszállítás (különösen a bolygóközi ). Számos tanulmány kimutatta, hogy a VASIMR fenntartó hajtóművekkel hajtott űrhajók hatékonyabbak lesznek az űrmeghajtásban, mint a hagyományos vegyi rakétamotorokkal hajtott hajók . Egy VF-200-assal felgyorsított űrvontató körülbelül hat hónapos repülés alatt 7 tonna rakományt lenne képes alacsony földpályáról alacsony holdpályára mozgatni.
A NASA azt tervezi, hogy 34 tonna rakományt szállít a Földről a Holdra . Egy ilyen út megtételéhez körülbelül 60 tonna oxigént/hidrogént kell elégetni . Egy hasonló űrvontatóhoz 5 VF-200 tolóerőre lenne szükség, amelyek 1 MW napelemekből vagy atomreaktorból származó villamos energiát fogyasztanak . Ugyanennek a feladatnak a elvégzéséhez egy hasonló vontató csak 8 tonna argont használna fel. A vontatógép repülési ideje csökkenthető, ha kevesebb rakommal repülünk, vagy több argont használunk a kisebb fajlagos impulzusú hajtóművekben (nagyobb munkaközeg fogyasztás). Például egy üres vontatónak, amikor visszatér a Földre, 23 nap alatt kell megtennie ezt a távolságot optimális 5000 másodperces fajlagos impulzus mellett, vagy 14 nap alatt 3000 másodperces fajlagos impulzussal.
2015 -ben az Ad Astra Rocket megnyert egy 10 millió dolláros pályázatot egy VASIMR-motor megépítésére, amely kevesebb mint 40 nap alatt képes expedíciót indítani a Marsra [3] . Egy 200 megawattos VASIMR-osztályú hajtóműtől azt várták, hogy mindössze 39 nap alatt repítsen embereket a Marsra, szemben a hagyományos rakétahajtóművekkel működő űrhajók hat hónapjával [4] .
A VASIMR fő fejlesztője az " Ad Astra Rocket Company " Texasban . A fejlesztés alatt álló projekt három részből áll:
Ezt követően a fő erőfeszítés a motor általános hatásfokának javítására irányult a felhasznált energiaszint növelésével. A vállalat szerint a közelmúltig a VASIMR 67%-os hatékonyságú volt. A VX-50 motorról közzétett adatok azt mutatják, hogy a motor 50 kW rádiófrekvenciás sugárzást képes felhasználni, hatásfoka 59%, a következőképpen számolva: 90% N Az iongyártási folyamat hatékonysága × 65% N B hatékonysága az iongyorsítási folyamat. A VX-100 modell összességében 72%-os hatékonyságot várnak az NB paraméter , azaz az iongyorsítási hatásfok 80%-ra történő javításával [ 5 ] [6] .
Vannak azonban további kisebb hatékonysági veszteségek, amelyek az egyenáramú energia rádióhullám-energiává történő átalakításával és a szupravezető mágnesek energiafogyasztásával kapcsolatosak (összehasonlításképpen: a NASA HiPEP ionmotorjának teljes gyorsító hatásfoka 80%) [7] . A VASIMR VX-50 motorról közzétett tesztadatok azt mutatják, hogy 0,5 N tolóerő előállítására képes. Az Ad Astra Rocket Company azt tervezte, hogy 2008 elején teszteli a VX-200 motor prototípusát 200 kW rádióteljesítménnyel, hogy elérje a szükséges hatékonyságot, szükséges tolóerőt és specifikus impulzust.
2008. október 24- én a vállalat bejelentette, hogy a VX-200-as motorral az első fokozatú rádióhullámokat vagy szilárdtest-nagyfrekvenciás energiakibocsátót használó plazmatermelés elérte a tervezett teljesítményt. A kulcsfontosságú technológia, az egyenáramú energia szilárdtest-átalakítása rádióhullámokká rendkívül hatékony lett, és elérte a 98%-os szintet. A rádióhullám-impulzus 30 kW-ot használ az argon plazmává alakítására, a fennmaradó 170 kW-ot a motor hátsó részében lévő plazma gyorsítására és melegítésére fordítják ion-ciklotron rezonanciafűtéssel [8] . A korábbi VX-100 tesztek [9] során közzétett adatok alapján arra lehet számítani, hogy az ISS - re telepítendő VF-200 hajtómű rendszerhatékonysága 60-65%, tolóerő szintje pedig 5 N. Az optimális A fajlagos impulzus 5000-es szintnek tekinthető, és munkaközegként argont használunk. A névleges teljesítménysűrűség 1 kg/kW, ami azt jelenti, hogy a VASIMR ezen verziója csak 300 kg lesz.
Az egyik fennmaradó probléma a potenciális tolóerő tényleges értékéhez viszonyított arányának meghatározása. Azaz, hogy a forró plazma valóban távol lesz-e a motortól. Ezt 2009-ben is megerősítették, amikor a VX-200 motort beszerelték és egy meglehetősen nagy vákuumkamrában tesztelték. . Egy másik kérdés a hulladékhő kezelése üzem közben (60%-os hatásfok kb. 80 kW hulladékhőt jelent), ami kritikus a VASIMR motor további működése szempontjából.
2008. december 10- én az Ad Astra Rocket Company megállapodást kötött a NASA -val a VASIMR VF-200 repülési változatának felkutatásáról és teszteléséről az ISS -en ; indulását 2015-re tervezték [10] . Az ISS VASIMR-motorja sorozat-kizárólagos üzemmódban, időszakos bekapcsolással kerül felhasználásra. Mivel az ISS-en az energiatermelés nem elég nagy, a rendszer tartalmaz egy akkumulátorkészletet, amelynek kellően alacsony áramfelvétele van az újratöltéshez , amely lehetővé teszi a motor 10 perces működését; ez elegendő lesz az állomás magasságának fenntartásához, így nincs szükség költséges műveletre az állomás vegyi rakéta-meghajtó egységekkel történő emeléséhez.
2009. július 7- én az Ad Astra Rocket Company alkalmazottai sikeresen teszteltek egy szupravezető mágneseken alapuló plazmamotort [11] .
2016 -ban az Ad Astra Rocket arról számolt be, hogy a motor hatásfoka 70-ről 75%-ra nőne, ha argon helyett kriptont használnának , és a motor tolóereje elérné a 2 N-t. Folyamatban van a régi mágnes újjal történő cseréje. típusú szupravezető mágnes, folyékony nitrogénnel hűtve . A motor elektromos töltésének problémája továbbra is fennáll; működése során a sugár töltött ionokat lövell ki, de a megmaradt elektronok feltöltik a házat, és a tok töltésének ezt a hatását földi körülmények között nem lehet mérni; bár úgy gondolják, hogy ez a hatás kicsi, és ez a probléma minden elektromos rakétahajtóműnél megoldódott a tesztek során.
A repülési teszteket 2016-ra tervezték az ISS-en (azonban az ISS teljes rendelkezésre álló elektromos teljesítménye kevesebb, mint 200 kW (bár ma az állomás rendelkezik a napelemek leglátványosabb területével, és energetikailag a legerősebb objektum) az emberiség az űrben), így az ISS-VASIMR projekt inkább egy egész kiegészítő napelem-rendszert tartalmazott, amely órákon át energiát halmoz fel a plazmamotor 15 perces bekapcsolási ciklusaival [12] .
2019 augusztusában egy másik VX-200SS prototípus 5,4 N (540 gramm tolóerő) tolóerőt mutatott be 200 kW teljesítmény mellett 50 és 300 km/s közötti fajlagos impulzussal, ami egy nagyságrenddel nagyobb, mint az ion. tolóhajtóművek [12] .
2021 júliusában az Ad Astra rekordméretű tesztet hajtott végre a VASIMR motor prototípusán, a VX-200SS-en. Az első teszten a motor 28 órán keresztül működött 82,5 kW teljesítményszinten. A második teszt során a motor 88 órán keresztül működött sikeresen 80 kW teljesítményszinten. Az Ad Astra a 100 kW-os teljesítményszint tesztelését 2021 második felében tervezi [13] [14] .
| Motorok | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| Lásd még örökmozgó Fogaskerék motor gumi motor | |||||||||||||||||