Variable Specific Impulse Electromagnetic Accelerator ( Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR ) är en lovande elektromagnetisk plasmaraketmotor designad för jetacceleration av en rymdfarkost i yttre rymden.
Strukturellt liknar motorn jonmotorn , men den är utformad för att lösa dess största nackdel - den snabba förstörelsen av elektroderna i plasmaflödet. Målet med VASIMR-utvecklingen är att överbrygga gapet mellan högeffektiva system med låg dragkraft, högspecifika impulser (joniska, etc.) och lågeffektiva system med hög dragkraft och lågspecifika impulser. VASIMR kan arbeta i lägen nära system med hög dragkraft och låg dragkraft.
Plasmauppvärmningsmetoden som används i VASIMR har utvecklats från forskning inom fusion . Konceptet med själva motorn föreslogs av astronauten och vetenskapsmannen Franklin Chang-Diaz 1979 och fortsätter att utvecklas för närvarande.
VASIMR, ibland kallad en elektrotermisk plasmaaccelerator (EPA), använder radiovågor för att jonisera en arbetsvätska och sedan accelerera den resulterande plasman med hjälp av ett elektromagnetiskt fält för att erhålla dragkraft .
Denna typ av thruster kan betraktas som en sorts elektrodlös plasmathruster, som skiljer sig åt i hur plasman accelereras; båda motortyperna har inga elektroder . Den största fördelen med en sådan design är elimineringen av elektroderosion . Dessutom, eftersom alla delar av VASIMR är skärmade av ett magnetfält och inte kommer i direkt kontakt med plasman, är den potentiella livslängden för en thruster byggd enligt denna design mycket längre än en jon-thruster .
Genom att ändra mängden energi för radiovågsuppvärmning och mängden arbetsvätska från vilken plasman skapas, kan VASIMR producera både låg dragkraft med hög specifik impuls och relativt hög dragkraft med låg specifik impuls.
Till skillnad från konventionella cyklotronresonansuppvärmningsprocesser passerar jonerna i VASIMR omedelbart genom det magnetiska munstycket snabbare än den tid som krävs för att nå termodynamisk jämvikt . Enligt en teoretisk artikel från 2004 av Arefiev och Breizman vid University of Texas i Austin , kommer praktiskt taget all energi i en joncyklotronvåg att fördelas jämnt i den joniserade plasman i en enda passage i cyklotronabsorptionsprocessen. Detta gör att jonerna kan lämna det magnetiska munstycket med en mycket snäv energifördelning, vilket resulterar i en förenklad och tätare fördelning av magneter i motorn [1] .
Aktuella VASIMR bör ha specifika impulser i intervallet 3000 till 30000 sekunder (utflödeshastigheter på 30 till 300 km/s). Den nedre delen av detta intervall är jämförbar med vissa befintliga jonpropellerkoncept . Genom att justera plasmaproduktionen och uppvärmningen kan VASIMR-motorn styra den specifika impulsen och dragkraften. Motorn kan också använda mycket högre energinivåer ( megawatt ) jämfört med befintliga jonmotorkoncept. Därför kan VASIMR ge dussintals gånger mer dragkraft, förutsatt att en lämplig strömkälla finns tillgänglig.
VASIMR är inte lämpligt för att lyfta en nyttolast från ytan på en planet (till exempel jorden) till en cirkumplanetär bana, på grund av dess låga dragkraft-till-massa-förhållande, och kan endast användas i noll gravitation (till exempel för att lansera ett skepp från en cirkumplanetär bana). Den kan användas som ett slutsteg, vilket minskar behovet av drivmedel för transport i rymden, eller som ett övre steg .
- det förväntas att denna motor ska utföra dessa operationer till en bråkdel av kostnaden för kostnaden för analoger baserade på kemisk framdrivningsteknik /
Andra tillämpningar av VASIMR (som att få människor till Mars ) kräver mycket hög energi, låg massa källor, såsom till exempel kärnkraftverk .
I augusti 2008 uttalade Tim Glover, utvecklingschef för Ad Astra, att den första förväntade tillämpningen av VASIMR-motorn är "last (inte mänsklig) överföring från låg jordomloppsbana till låg månbana" och skulle vara avsedd att stödja NASA:s återkomst till Månen [2] .
Den viktigaste applikationen för VASIMR-drivna rymdfarkoster under överskådlig framtid är lasttransport (särskilt interplanetär ). Flera studier har visat att rymdfarkoster som drivs av VASIMR- underhållsmotorer kommer att vara mer effektiva i rymdframdrivning jämfört med fartyg som drivs av konventionella kemiska raketmotorer . En rymdbåt accelererad av en enda VF-200 skulle kunna flytta 7 ton last från låg jordbana till låg månbana på ungefär sex månaders flygning.
NASA planerar att flytta 34 ton nyttolast från jorden till månen . För att göra en sådan resa måste cirka 60 ton syre/väte förbrännas . En jämförbar rymdbåt skulle kräva 5 VF-200-propeller som förbrukar 1 MW elektricitet från solpaneler eller från en kärnreaktor . För att göra samma jobb skulle en liknande bogserbåt endast använda 8 ton argon. Bogserbåtens flygtid kan reduceras genom att flyga med mindre last eller genom att använda mer argon i motorerna med en lägre specifik impuls (större förbrukning av arbetsvätskan). Till exempel måste en tom bogserbåt, när den återvänder till jorden, täcka detta avstånd på 23 dagar med en optimal specifik impuls på 5000 s, eller på 14 dagar med en specifik impuls på 3000 s.
2015 vann Ad Astra Rocket ett anbud på 10 miljoner dollar för att bygga en VASIMR-motor som kan ta en expedition till Mars på mindre än 40 dagar [3] . En motor av VASIMR-klassen på 200 megawatt förväntades kunna flyga människor till Mars på bara 39 dagar, jämfört med de sex månader som krävs för rymdfarkoster med konventionella raketmotorer [4] .
Huvudutvecklaren av VASIMR är " Ad Astra Rocket Company " i Texas . Projektet under utveckling består av tre delar:
Därefter inriktades huvudansträngningen på att förbättra motorns totala effektivitet genom att öka energinivåerna. Fram till nyligen var VASIMR 67% effektiv, enligt företaget. Publicerade data om VX-50- motorn indikerar att motorn kan använda 50 kW RF-strålning, har en verkningsgrad på 59%, beräknat enligt följande: 90% N A effektivitet av jonproduktionsprocessen × 65% N B effektivitet av jonaccelerationsprocessen. VX -100- modellen förväntas ha en total verkningsgrad på 72 % genom att förbättra NB - parametern , dvs. jonaccelerationseffektiviteten, till 80 % [5] [6] .
Det finns dock ytterligare mindre effektivitetsförluster relaterade till omvandlingen av DC-energi till radiovågsenergi och energiförbrukningen för supraledande magneter (som jämförelse: den fungerande NASA HiPEP -jonmotorn har en total acceleratorverkningsgrad på 80%) [7] . Publicerade testdata från VASIMR VX-50-motorn visar att den kan producera 0,5 N dragkraft. Ad Astra Rocket Company planerade att testa prototypen VX-200-motor i början av 2008 med 200 kW radioeffekt för att uppnå den erforderliga effektiviteten, erforderliga dragkraften och specifika impulsen.
Den 24 oktober 2008 tillkännagav företaget att plasmagenereringen av VX-200- motorn som använder förstastegsradiovågor eller en högfrekvent energisändare i fast tillstånd har nått den planerade prestandan. Nyckelteknologin, solid state-omvandling av DC-energi till radiovågor, har blivit extremt effektiv och har nått en nivå på 98 %. Radiovågspulsen använder 30 kW för att omvandla argon till plasma, de återstående 170 kW spenderas på acceleration och uppvärmning av plasman i motorns baksida med hjälp av joncyklotronresonansuppvärmning [8] . Baserat på data publicerade från tidigare VX-100-tester [9] kan det förväntas att VF-200-motorn som ska installeras på ISS kommer att ha en systemeffektivitet på 60-65 % och en dragkraftsnivå på 5 N. Den optimala specifik impuls antas vara nivå 5000 med argon som arbetsvätska. Effekttätheten är klassad till 1 kg/kW, vilket innebär att denna version av VASIMR endast kommer att väga 300 kg.
Ett av de återstående problemen är bestämningen av förhållandet mellan potentiell dragkraft i förhållande till dess faktiska värde. Det vill säga om den heta plasman faktiskt kommer att vara på avstånd från motorn eller inte. Detta bekräftades 2009 när VX-200-motorn installerades och testades i en ganska stor vakuumkammare. . En annan fråga är hanteringen av spillvärme under drift (60 % verkningsgrad innebär cirka 80 kW spillvärme), vilket är avgörande för den fortsatta driften av VASIMR-motorn.
Den 10 december 2008 ingick Ad Astra Rocket Company ett avtal med NASA om att lokalisera och testa flygversionen av VASIMR VF-200 på ISS ; dess lansering var planerad till 2015 [10] . VASIMR-motorn på ISS kommer att användas i ett burst-exklusivt läge, med periodisk påslagning. Eftersom kraftgenereringen på ISS inte är tillräckligt stor kommer systemet att inkludera en uppsättning batterier med en tillräckligt låg strömförbrukning för laddning , vilket gör att motorn går i 10 minuter; detta kommer att räcka för att upprätthålla stationens höjd, vilket eliminerar behovet av en kostsam operation för att höja stationen med kemiska raketframdrivningsenheter.
Den 7 juli 2009 testade Ad Astra Rocket Company-anställda framgångsrikt en plasmamotor baserad på supraledande magneter [11] .
2016 rapporterade Ad Astra Rocket att motorns verkningsgrad skulle öka från 70 till 75 % om krypton användes istället för argon, och motorns dragkraft skulle nå 2 N. Arbete pågår för att ersätta den gamla magneten mot en ny typ av supraledande magnet, kyld med flytande kväve . Problemet med motorns elektriska laddning kvarstår; under sin drift sprutar strålen ut laddade joner, men de återstående elektronerna laddar höljet och det är omöjligt att mäta denna effekt av att ladda höljet under markförhållanden; medan man tror att denna effekt är liten och på alla elektriska raketmotorer löstes detta problem under tester.
Flygtester på ISS var planerade till 2016 (dock är hela den tillgängliga elektriska effekten på ISS mindre än 200 kW (även om stationen idag har det mest imponerande området av solbatterier och är det mest energiskt kraftfulla objektet av mänskligheten i rymden), så ISS-VASIMR-projektet inkluderade mer ett helt extra system av solbatterier, som kommer att ackumulera energi i timmar under 15-minuters cykler för att slå på plasmamotorn [12] .
I augusti 2019 visade en annan VX-200SS prototyp en dragkraft på 5,4 N (540 gram dragkraft) vid en effekt på 200 kW och med en specifik impuls i intervallet från 50 till 300 km/s, en storleksordning mer än jon propeller [12] .
I juli 2021 genomförde Ad Astra ett rekordstort test av VASIMR-motorprototypen, VX-200SS. I det första testet gick motorn i 28 timmar med en effektnivå på 82,5 kW. I det andra testet gick motorn framgångsrikt i 88 timmar med en effektnivå på 80 kW. Ad Astra planerar att testa effektnivån på 100 kW under andra halvåret 2021 [13] [14] .
| Motorer | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| se även evighetsmaskin Kuggväxelmotor gummimotor | |||||||||||||||||