Variable Specific Impulse Electromagnetic Accelerator ( Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR ) er en lovende elektromagnetisk plasmaraketmotor designet til jetacceleration af et rumfartøj i det ydre rum.
Strukturelt ligner motoren ionmotoren , men den er designet til at løse dens største ulempe - den hurtige ødelæggelse af elektroderne i plasmastrømmen. Målet med VASIMR-udvikling er at bygge bro mellem højeffektive lav-thrust, høj -specifik-impuls reaktive systemer (ioniske, etc.) og lav-effektive, høj-thrust, lav-specifikke-impuls systemer. VASIMR er i stand til at fungere i tilstande tæt på højtryks- og lavtrykssystemer.
Plasmaopvarmningsmetoden anvendt i VASIMR er udviklet fra forskning i fusion . Konceptet med selve motoren blev foreslået af astronaut og videnskabsmand Franklin Chang-Diaz i 1979 og fortsætter med at udvikle sig på nuværende tidspunkt.
VASIMR, nogle gange omtalt som en elektrotermisk plasmaaccelerator (EPA), bruger radiobølger til at ionisere en arbejdsvæske og derefter accelerere det resulterende plasma ved hjælp af et elektromagnetisk felt for at opnå tryk .
Denne type thruster kan betragtes som en slags elektrodeløs plasma thruster, der adskiller sig i den måde, plasmaet accelereres på; begge motortyper har ingen elektroder . Den største fordel ved et sådant design er elimineringen af elektrodeerosion . Desuden, da alle dele af VASIMR er afskærmet af et magnetfelt og ikke kommer i direkte kontakt med plasmaet, er den potentielle levetid for en thruster bygget til dette design meget længere end en ion thruster .
Ved at ændre mængden af energi til radiobølgeopvarmning og mængden af arbejdsvæske, som plasmaet dannes af, er VASIMR i stand til at producere både lavt tryk med høj specifik impuls og relativt højt tryk med lav specifik impuls.
I modsætning til konventionelle cyklotronresonansopvarmningsprocesser passerer ionerne i VASIMR øjeblikkeligt gennem den magnetiske dyse hurtigere end den tid, der kræves for at nå termodynamisk ligevægt . Ifølge et teoretisk papir fra 2004 af Arefiev og Breizman ved University of Texas i Austin , vil praktisk talt al energien i en ioncyklotronbølge blive jævnt fordelt i det ioniserede plasma i en enkelt passage i cyklotronabsorptionsprocessen. Dette gør det muligt for ionerne at forlade den magnetiske dyse med en meget snæver energifordeling, hvilket resulterer i en forenklet og tættere fordeling af magneter i motoren [1] .
Nuværende VASIMR'er bør have specifikke impulser i området fra 3000 til 30000 sekunder (udstrømningshastigheder på 30 til 300 km/s). Den nederste ende af dette område kan sammenlignes med nogle eksisterende ion thruster- koncepter . Ved at justere plasmaproduktionen og opvarmningen kan VASIMR-motoren styre den specifikke impuls og trækkraft. Motoren er også i stand til at bruge meget højere energiniveauer ( megawatt ) sammenlignet med eksisterende ionmotorkoncepter. Derfor kan VASIMR give dusinvis af gange mere tryk, forudsat at en passende strømkilde er tilgængelig.
VASIMR er ikke egnet til at løfte en nyttelast fra overfladen af en planet (f.eks. Jorden) til en cirkumplanetær bane på grund af dets lave forhold mellem trækkraft og masse, og kan kun bruges i nul tyngdekraft (f.eks. affyre et skib fra en cirkumplanetær bane). Det kan bruges som en sidste fase, hvilket reducerer behovet for drivmiddel til transport i rummet, eller som en øvre fase .
- det forventes, at denne motor skal udføre disse operationer til en brøkdel af omkostningerne ved analoger baseret på kemiske fremdriftsteknologier /
Andre anvendelser af VASIMR (såsom at få folk til Mars ) kræver kilder med meget høj energi, lav masse, såsom for eksempel atomkraftværker .
I august 2008 udtalte Tim Glover, udviklingsdirektør for Ad Astra, at den første forventede anvendelse af VASIMR-motoren er "overførsel af last (ikke menneskelig) fra lavt kredsløb om jorden til lavt månekredsløb" og ville have til formål at støtte NASA's tilbagevenden til Månen [2] .
Den vigtigste anvendelse for VASIMR-drevne rumfartøjer i en overskuelig fremtid er godstransport (især interplanetarisk ). Talrige undersøgelser har vist, at rumfartøjer drevet af VASIMR sustainer-motorer vil være mere effektive i rumfremdrift sammenlignet med skibe drevet af konventionelle kemiske raketmotorer . En rumslæbebåd accelereret af en enkelt VF-200 ville være i stand til at flytte 7 tons last fra lav jordbane til lav månebane på omkring seks måneders flyvning.
NASA planlægger at flytte 34 tons nyttelast fra Jorden til Månen . For at kunne foretage en sådan rejse skal der forbrændes omkring 60 tons ilt/brint . En sammenlignelig rumslæbebåd ville kræve 5 VF-200 thrustere, der forbruger 1 MW elektricitet fra solpaneler eller fra en atomreaktor . For at udføre det samme arbejde ville en lignende slæbebåd kun bruge 8 tons argon. Slæbebådens flyvetid kan reduceres ved at flyve med mindre last eller ved at bruge mere argon i motorerne med en lavere specifik impuls (større forbrug af arbejdsvæsken). For eksempel skal en tom slæbebåd, når den vender tilbage til Jorden, tilbagelægge denne afstand på 23 dage med en optimal specifik impuls på 5000 s, eller på 14 dage med en specifik impuls på 3000 s.
I 2015 vandt Ad Astra Rocket et udbud på $10 millioner til at bygge en VASIMR-motor, der er i stand til at tage en ekspedition til Mars på mindre end 40 dage [3] . En 200 megawatt VASIMR-klassemotor forventedes at kunne flyve mennesker til Mars på kun 39 dage, sammenlignet med de seks måneder, der kræves for rumfartøjer med konventionelle raketmotorer [4] .
Hovedudvikleren af VASIMR er " Ad Astra Rocket Company " i Texas . Projektet under udvikling omfatter tre dele:
Efterfølgende var hovedindsatsen rettet mod at forbedre motorens overordnede effektivitet ved at øge energiforbruget. Indtil for nylig var VASIMR 67% effektiv, ifølge virksomheden. Publicerede data om VX-50- motoren indikerer, at motoren er i stand til at bruge 50 kW RF-stråling, har en virkningsgrad på 59 %, beregnet som følger: 90 % N A effektivitet af ionproduktionsprocessen × 65 % N B effektivitet på ionaccelerationsprocessen. VX-100- modellen forventes at have en samlet effektivitet på 72 % ved at forbedre NB - parameteren , altså ionaccelerationseffektiviteten, til 80 % [5] [6] .
Der er dog yderligere mindre effektivitetstab relateret til omdannelsen af DC-energi til radiobølgeenergi og energiforbruget af superledende magneter (til sammenligning: den fungerende NASA HiPEP -ionmotor , har en samlet acceleratoreffektivitet på 80%) [7] . Publicerede testdata fra VASIMR VX-50-motoren viser, at den er i stand til at producere 0,5 N tryk. Ad Astra Rocket Company planlagde at teste prototypen VX-200-motor i begyndelsen af 2008 med 200 kW radioeffekt for at opnå den krævede effektivitet, påkrævede trækkraft og specifikke impuls.
Den 24. oktober 2008 meddelte virksomheden, at plasmagenereringen af VX-200- motoren ved hjælp af første trins radiobølger eller en solid-state højfrekvent energiudsender har nået den planlagte ydeevne. Nøgleteknologien, solid-state konvertering af DC-energi til radiobølger, er blevet ekstremt effektiv og har nået et niveau på 98%. Radiobølgeimpulsen bruger 30 kW til at omdanne argon til plasma, de resterende 170 kW bruges på acceleration og opvarmning af plasmaet bag på motoren ved hjælp af ion-cyklotron resonansopvarmning [8] . Baseret på data offentliggjort fra tidligere VX-100-tests [9] kan det forventes, at VF-200-motoren, der skal installeres på ISS , vil have en systemeffektivitet på 60-65 % og et trykniveau på 5 N. Det optimale specifik impuls antages at være niveau 5000 ved brug af argon som arbejdsfluid. Effekttætheden er vurderet til 1 kg/kW, hvilket betyder, at denne version af VASIMR kun vil veje 300 kg.
Et af de resterende problemer er bestemmelsen af forholdet mellem potentiel trækkraft i forhold til dens faktiske værdi. Det vil sige, om det varme plasma faktisk vil være i en afstand fra motoren. Dette blev bekræftet i 2009, da VX-200-motoren blev installeret og testet i et ret stort vakuumkammer. . Et andet problem er håndteringen af spildvarme under drift (60 % effektivitet betyder ca. 80 kW spildvarme), hvilket er afgørende for den fortsatte drift af VASIMR-motoren.
Den 10. december 2008 indgik Ad Astra Rocket Company en aftale med NASA om at lokalisere og teste flyversionen af VASIMR VF-200 på ISS ; dets lancering var planlagt til 2015 [10] . VASIMR-motoren på ISS vil blive brugt i en burst-eksklusiv tilstand med periodisk tænding. Da strømproduktionen på ISS ikke er stor nok, vil systemet omfatte et sæt batterier med et tilstrækkeligt lavt strømforbrug til genopladning , hvilket vil tillade motoren at køre i 10 minutter; dette vil være nok til at opretholde stationens højde, hvilket eliminerer behovet for en kostbar operation for at hæve stationen ved hjælp af kemiske raketfremdrivningsenheder.
Den 7. juli 2009 testede Ad Astra Rocket Company's medarbejdere med succes en plasmamotor baseret på superledende magneter [11] .
I 2016 rapporterede Ad Astra Rocket, at motorens effektivitet ville stige fra 70 til 75 %, hvis krypton blev brugt i stedet for argon, og motorens fremdrift ville nå 2 N. Der arbejdes på at udskifte den gamle magnet med en ny type superledende magnet, afkølet med flydende nitrogen . Problemet med motorens elektriske ladning forbliver; under sin drift udstøder jetflyet ladede ioner, men de resterende elektroner oplader kabinettet, og det er umuligt at måle denne effekt af opladning af kabinettet under terrestriske forhold; mens det menes, at denne effekt er lille, og på alle elektriske raketmotorer blev dette problem løst under tests.
Flyveforsøg på ISS var planlagt til 2016 (dog er hele den tilgængelige elektriske effekt på ISS mindre end 200 kW (selvom stationen i dag har det mest imponerende areal af solbatterier og er det mest energisk kraftfulde objekt af menneskeheden i rummet), så ISS-VASIMR-projektet inkluderede mere et helt ekstra system af solcellebatterier, som vil akkumulere energi i timevis i 15-minutters cyklusser med at tænde for plasmamotoren [12] .
I august 2019 demonstrerede en anden VX-200SS prototype et tryk på 5,4 N (540 gram tryk) ved en effekt på 200 kW og med en specifik impuls i området fra 50 til 300 km/s, en størrelsesorden mere end ion thrustere [12] .
I juli 2021 gennemførte Ad Astra en rekordstor test af VASIMR-motorprototypen, VX-200SS. I den første test kørte motoren i 28 timer med et effektniveau på 82,5 kW. I den anden test kørte motoren med succes i 88 timer ved et effektniveau på 80 kW. Ad Astra planlægger at teste effektniveauet på 100 kW i anden halvdel af 2021 [13] [14] .
| Motorer | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| se også evighedsmaskine Gearmotor gummi motor | |||||||||||||||||