Değişken Spesifik Darbe Manyetoplazma Roketi - Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

Sanatçının çok megavatlık bir VASIMR uzay aracı izlenimi

Değişken Belirli Darbe Magnetoplasma roket ( VASIMR ) olası kullanım için geliştirilmekte olan bir elektro iticidir uzay aracının sevk . Bu kullanan radyo dalgaları için iyonize ve bir ısı etkisiz bir itici , bir plazma, daha sonra bir şekillendirme manyetik alan genişletme Confine hızlandırmak ve plazma üretilmesi, itme . Bu, çeşitli uzay aracı elektrikli tahrik sistemlerinden biri olan bir plazma tahrik motorudur .

Plazmayı ısıtmak için VASIMR yöntemi , orijinal olarak nükleer füzyon araştırmaları sırasında geliştirilmiştir . VASIMR, yüksek itme gücü, düşük özgül darbeli kimyasal roketler ile düşük itme, yüksek özgül darbeli elektrik tahriki arasındaki boşluğu kapatmayı amaçlamaktadır , ancak henüz yüksek itme gücü göstermemiştir. VASIMR konsepti, 1977'de , o zamandan beri teknolojiyi geliştiren eski NASA astronotu Franklin Chang Díaz ile ortaya çıktı .

Tasarım ve çalıştırma

VASIMR şeması

VASIMR, bir tür elektrotermal plazma iticisi/elektrotermal manyetoplazma iticisidir. Bu motorlarda nötr, atıl bir itici, radyo dalgaları kullanılarak iyonlaştırılır ve ısıtılır. Ortaya çıkan plazma daha sonra itme oluşturmak için manyetik alanlarla hızlandırılır. Diğer ilgili elektrikle çalışan uzay aracı tahrik konseptleri, elektrotsuz plazma iticisi , mikrodalga arkjet roketi ve darbeli endüktif iticidir . Bir VASIMR motorunun her parçası manyetik olarak korumalıdır ve doğrudan plazma ile temas etmez, bu da dayanıklılığı artırır. Ek olarak, elektrot eksikliği , geleneksel iyon itici tasarımlarının ömrünü kısaltan elektrot erozyonunu ortadan kaldırır .

Argon veya ksenon gibi nötr bir gaz olan itici gaz, elektromıknatıslarla kaplanmış içi boş bir silindire enjekte edilir. Motora girerken, gaz ilk önce bir helikon RF anteni/birleştiricisi tarafından gazı 10 ila 50 MHz frekansında elektromanyetik enerjiyle bombardıman ederek , itici atomlardan elektronları sıyırarak ve bir plazma üreten bir "soğuk plazmaya" ısıtılır. iyonların ve serbest elektronların RF ısıtma enerjisi ve plazma miktarını değiştirerek, VASIMR'nin düşük itme, yüksek spesifik itme egzozu veya nispeten yüksek itme, düşük spesifik itme egzozu üretebildiği iddia edilmektedir. Motorun ikinci aşaması, konvansiyonel roket motorlarındaki fiziksel nozul gibi yakınsak-ıraksak bir nozul görevi gören iyonize plazmayı yönlendiren güçlü bir solenoid konfigürasyonlu elektromıknatıstır.

İyon Siklotron Isıtma (ICH) bölümü olarak bilinen ikinci bir kuplör, motorda hareket ederken iyonların ve elektronların yörüngeleriyle rezonans halinde elektromanyetik dalgalar yayar. Rezonans, motorun bu bölümünde plazma parçacıklarının yörünge hareketini yavaşlatan manyetik alanın azaltılmasıyla sağlanır. Bu bölüm ayrıca plazmayı 1.000.000 K'dan (1.000.000 °C; 1.800.000 °F) daha fazla ısıtır; bu, Güneş'in yüzeyinin sıcaklığının yaklaşık 173 katıdır .

Motor boyunca iyonların ve elektronların yolu, motor duvarlarına paralel çizgilere yaklaşır; bununla birlikte, parçacıklar motorda doğrusal olarak hareket ederken aslında bu çizgilerin etrafında dönerler. Motorun son, uzaklaşan bölümü, iyonları ve elektronları motordan 50.000 m/s (180.000 km/s) kadar büyük hızlarda çıkaran genişleyen bir manyetik alan içerir.

Avantajlar

Tipik siklotron rezonans ısıtma işlemlerinin aksine , VASIMR iyonları, termal dağılım elde etmeden önce manyetik memeden hemen çıkarılır . Austin'deki Texas Üniversitesi'nden Alexey V. Arefiev ve Boris N. Breizman'ın 2004'teki yeni teorik çalışmasına dayanarak , iyon siklotron dalgasındaki neredeyse tüm enerji, tek geçişli bir siklotron absorpsiyon işleminde iyonize plazmaya eşit olarak aktarılır. Bu, iyonların manyetik memeden çok dar bir enerji dağılımı ile ayrılmalarına ve motorda önemli ölçüde basitleştirilmiş ve kompakt mıknatıs düzenlemesine izin verir.

VASIMR elektrot kullanmaz; bunun yerine, plazmayı çoğu donanım parçasından manyetik olarak korur, böylece iyon motorlarında önemli bir aşınma kaynağı olan elektrot erozyonunu ortadan kaldırır. Çok karmaşık tesisatı, yüksek performanslı valfleri, aktüatörleri ve turbo pompaları olan geleneksel roket motorlarıyla karşılaştırıldığında, VASIMR'nin neredeyse hiç hareketli parçası yoktur (gaz valfleri gibi küçük olanlar dışında), bu da uzun vadeli dayanıklılığı en üst düzeye çıkarır.

Dezavantajları

2015 itibariyle Ad Astra'ya göre, VX-200 motor, 5 N itme veya 40 kW/N üretmek için 200 kW elektrik gücü gerektirir . Buna karşılık, geleneksel NEXT iyon iticisi , yalnızca 7,7 kW veya 24 kW/N ile 0,327 N üretir. Elektriksel olarak konuşursak, NEXT neredeyse iki kat daha verimlidir ve Aralık 2009'da 48.000 saatlik (5,5 yıl) bir testi başarıyla tamamlamıştır.

VASIMR ile güçlü manyetik alanlarla etkileşim ve termal yönetim gibi yeni sorunlar da ortaya çıkıyor. VASIMR'nin çalıştığı verimsizlik, termal aşırı yük ve termal stres yaratmadan kanalize edilmesi gereken önemli miktarda atık ısı üretir . Süper iletken elektro gerekli sıcak bir plazma oluşturmak içeren tesla diğer yerleşik cihazlarla sorunlara neden ile etkileşim istenmeyen tork üretebilen -range manyetik alanlar magnetosphere . Bu ikinci etkiye karşı koymak için, iki itici ünite, net sıfır torklu manyetik dört kutuplu , zıt yönlerde yönlendirilmiş manyetik alanlarla paketlenebilir .

Gezegenler arası hızlı seyahat için gerekli güç üretim teknolojisi şu anda mevcut değildir ve mevcut en son teknoloji ile mümkün değildir.

Araştırma ve Geliştirme

İlk VASIMR deneyi 1983'te Massachusetts Institute of Technology'de gerçekleştirildi. 1990'larda, orijinal olarak öngörülen plazma tabancasının ve elektrotlarının yerini alan helikon plazma kaynağının kullanımı da dahil olmak üzere, dayanıklılık ve uzun ömür ekleyen önemli iyileştirmeler yapıldı.

2010 yılı itibarıyla, Ad Astra Roket Şirketi (AARC), VASIMR teknolojisini özelleştirmek için 23 Haziran 2005'te ilk Uzay Yasası Anlaşmasını imzalayarak VASIMR'nin geliştirilmesinden sorumluydu . Franklin Chang Díaz , Ad Astra'nın başkanı ve CEO'sudur ve şirketin Dünya Üniversitesi kampüsünde Liberya, Kosta Rika'da bir test tesisi vardı .

VX-10'dan VX-50'ye

1998 yılında ilk helicon plazma deney gerçekleştirildi ASPL . 1998'deki VASIMR deneyi 10 (VX-10), 10 kW'a kadar helikon RF plazma deşarjı ve 2002'de VX-25 25 kW'a kadar çıktı. 2005 itibariyle ASPL'deki ilerleme, tam ve verimli plazma üretimini ve plazma iyonlarının 50 kW, 0,5 Newton (0,1 lbf) itme VX-50 ile hızlandırılmasını içeriyordu. 50 kW VX-50 ile ilgili yayınlanan veriler, %90 bağlama verimliliğine ve %65 iyon hızı artırma verimliliğine dayalı olarak elektrik verimliliğinin %59 olduğunu gösterdi.

VX-100

100 kilovatlık VASIMR deneyi, 2007 yılına kadar başarıyla yürütülüyordu ve iyonizasyon maliyeti 100  eV'nin altında olan verimli plazma üretimi gösterdi . VX-100 plazma çıkışı, VX-50'nin önceki rekorunu üç katına çıkardı.

VX-100'ün %80'lik bir iyon hızı artırma verimine sahip olması bekleniyordu, ancak DC elektrik akımının radyo frekansı gücüne dönüştürülmesinden kaynaklanan kayıplar ve süper iletken mıknatıs için yardımcı ekipman nedeniyle bu verimliliğe ulaşılamadı. Buna karşılık, NASA'nın Yüksek Güçlü Elektrikli Tahrik (HiPEP) gibi 2009 son teknoloji ürünü, kanıtlanmış iyon motor tasarımları , %80 toplam itici/ PPU enerji verimliliğinde çalıştı .

VX-200

Tam manyetik alan ile her iki aşamayı kullanan tam güçte VX-200 plazma motoru

24 Ekim 2008'de şirket bir basın açıklamasında 200 kW VX-200 motorunun helikon plazma üretim bileşeninin operasyonel duruma ulaştığını duyurdu . Anahtar etkinleştirme teknolojisi, katı hal DC-RF güç işleme, %98 verimliliğe ulaştı. Helikon deşarjı, argon gazını plazmaya dönüştürmek için 30 kW radyo dalgaları kullandı . Kalan 170 kW güç, iyon siklotron rezonans ısıtması yoluyla motorun ikinci bölümünde plazmanın hızlandırılması için ayrıldı.

VX-100 testinden elde edilen verilere dayanarak, oda sıcaklığında süper iletkenler keşfedilirse, VX-200 motorunun %60-65 sistem verimliliğine ve 5 N potansiyel itme seviyesine sahip olması bekleniyordu. Optimal özgül dürtü ortaya çıktı. düşük maliyetli argon itici kullanarak yaklaşık 5.000 s olacak. Kalan test edilmemiş sorunlardan biri, sıcak plazmanın gerçekten roketten ayrılıp ayrılmadığıydı. Bir diğer konu da atık ısı yönetimiydi. Girilen enerjinin yaklaşık %60'ı faydalı kinetik enerji haline geldi. Kalan %40'ın çoğu, plazma geçiş manyetik alan çizgilerinden ve egzoz sapmalarından kaynaklanan ikincil iyonizasyonlardır. Bu %40'ın önemli bir kısmı atık ısıydı (bkz. enerji dönüşüm verimliliği ). Atık ısıyı yönetmek ve reddetmek çok önemlidir.

Nisan ve Eylül 2009 arasında, VX-200 prototipinde, ayrı ayrı güç verilen ve herhangi bir "verimlilik" hesaplamasında hesaba katılmayan 2 tesla süper iletken mıknatıslı 200 kW testleri yapıldı . Kasım 2010'da, uzun süreli, tam güçte ateşleme testleri gerçekleştirildi, 25 saniye boyunca kararlı durum çalışmasına ulaştı ve temel tasarım özelliklerini doğruladı.

Ocak 2011'de sunulan sonuçlar, VX-200'de optimum verimlilik için tasarım noktasının 50 km/s egzoz hızı veya 5000 s I _sp olduğunu doğruladı  . 200 kW VX-200, 2013 yılına kadar tam güçte argon iticiyle 10.000'den fazla motor ateşlemesi gerçekleştirmişti ve RF güç girişine göre %70'den fazla itici verimliliği sergiliyordu.

VX-200SS

Mart 2015'te Ad Astra , derin uzay görevlerinin ihtiyaçlarını karşılamak için VASIMR motorunun bir sonraki sürümü olan VX-200SS'nin teknolojik hazırlığını ilerletmek için NASA'dan 10 milyon dolarlık bir ödül duyurdu . Adındaki SS, "kararlı durum" anlamına gelir, çünkü uzun süreli testin amacı, termal kararlı durumda sürekli çalışmayı göstermektir.

Ağustos 2016'da Ad Astra, NASA ile 3 yıllık sözleşmesinin ilk yılı için kilometre taşlarının tamamlandığını duyurdu. Bu,  2018 ortasına kadar 100 saat ve 100 kW'a ulaşmak için belirtilen bir hedefle motorların ilk yüksek güçlü plazma ateşlemelerine izin verdi . Ağustos 2017'de şirket, VASIMR elektrikli plazma roket motoru için 2. Yıl dönüm noktalarını tamamladığını bildirdi. NASA, VX-200SS motorunun 100 kW'ta 10 saatlik kümülatif testinin tamamlanmasını gözden geçirdikten sonra Ad Astra'nın 3. Yıla devam etmesi için onay verdi  . Planlanan 200 kW'lık tasarımın, basın bülteninde belirtilmeyen nedenlerle 100 kW'da çalıştırıldığı görülüyor.

Ağustos 2019'da Ad Astra , Kanada'daki Aethera Technologies Ltd. tarafından inşa edilen VASIMR motoru için yeni nesil radyo frekansı ( RF ) Güç İşlem Biriminin (PPU) testlerinin başarıyla tamamlandığını duyurdu . Ad Astra, 120 kW güç ve >%97 elektrik-RF güç verimliliği beyan etti ve 52 kg'da yeni RF PPU, rakip elektrikli iticilerin PPU'larından yaklaşık 10 kat daha hafif (güç-ağırlık oranı: 2,31 kW/kg)

Temmuz 2021'de Ad Astra, motoru 82,5  kW güç seviyesinde 28 saat çalıştırarak rekor kıran bir motor testinin tamamlandığını duyurdu . 12-16 Temmuz tarihleri ​​arasında gerçekleştirilen ikinci bir test, motoru 80  kW güç seviyesinde 88 saat başarıyla çalıştırdı . Ad Astra  , 2021'in ikinci yarısında 100 kW güç seviyesi testleri gerçekleştirmeyi öngörüyor .

Potansiyel uygulamalar

VASIMR, nispeten zayıf bir itme-ağırlık oranına sahiptir ve bir ortam vakumu gerektirir.

İnsanların Mars'a hızlı bir şekilde taşınması gibi önerilen VASIMR uygulamaları, bir nükleer reaktörden on kat daha verimli, çok yüksek güçlü, düşük kütleli bir enerji kaynağı gerektirecektir (bkz. nükleer elektrikli roket ). 2010 yılında NASA Yöneticisi Charles Bolden , VASIMR teknolojisinin bir Mars görevinde seyahat süresini 2,5 yıldan 5 aya indirecek çığır açan bir teknoloji olabileceğini söyledi. Ancak bu iddia son on yılda tekrarlanmadı.

Ağustos 2008'de, Ad Astra geliştirme direktörü Tim Glover, VASIMR motorunun beklenen ilk uygulamasının, NASA'nın Ay'a dönüş çabalarını destekleyen "insan dışı yükleri düşük Dünya yörüngesinden düşük ay yörüngesine çekmek" olduğunu açıkça belirtti. .

39 gün sonra Mars

39 gün içinde Mars'a hayali bir mürettebatlı yolculuk yapmak için VASIMR, şu anda mümkün olanın veya tahmin edilenin çok ötesinde bir elektrik gücü seviyesine ihtiyaç duyacaktır.

Bunun da ötesinde, herhangi bir enerji üretim teknolojisi atık ısı üretecektir. " Kilogram başına 1.000 watt'lık bir güç-kütle yoğunluğuna sahip " ( Díaz alıntısı) gerekli 200 megavatlık reaktör , "futbol sahası büyüklüğünde radyatörlere" ( Zubrin alıntısı) duyulan ihtiyacı önlemek için son derece verimli radyatörler gerektirecektir .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma