Плазменный двигатель - Plasma propulsion engine

«Плазменный двигатель» перенаправляется сюда. Для движка видеоигры см. Плазма (двигатель).
Подруливающее устройство во время пробного запуска
Исполнительское исполнение ВАСИМР плазменный двигатель

А плазменный двигатель это тип электрическая тяга который создает тягу от квазинейтрального плазма. Это контрастирует с ионный двигатель двигателей, которые генерируют тягу за счет отбора ионного тока из плазма источник, который затем ускоряется до высоких скоростей с помощью решеток / анодов. Они существуют во многих формах (см. электрическая тяга ). Плазменные двигатели обычно не используют высоковольтные сети или аноды / катоды для ускорения заряженных частиц в плазме, а скорее используют токи и потенциалы, которые генерируются внутри плазмы для ускорения ионов плазмы. Хотя это приводит к более низкой скорости выхлопа из-за отсутствия высоких ускоряющих напряжений, этот тип двигателя малой тяги имеет ряд преимуществ. Отсутствие высоковольтных сеток анодов устраняет возможный ограничивающий элемент в результате ионной эрозии сетки. Выхлоп плазмы является «квазинейтральным», что означает, что ионы и электроны существуют в равном количестве, что позволяет проводить простую ионно-электронную рекомбинацию в выхлопе для нейтрализации выхлопного шлейфа, устраняя необходимость в электронной пушке (полый катод). Этот тип двигателя малой тяги часто генерирует исходную плазму, используя радиочастотную или микроволновую энергию, используя внешнюю антенну. Этот факт в сочетании с отсутствием полых катодов (которые очень чувствительны ко всем, кроме немногих благородных газов) дает интригующую возможность использования этого типа двигателя малой тяги на огромном диапазоне ракетного топлива, от аргона до диоксида углерода. воздушные смеси, к моче космонавта.[1]

Плазменные двигатели подходят лучше[нечеткий ] на дальние расстояния межпланетное путешествие миссии.[2]

В последние годы многие агентства разработали несколько форм плазменных силовых установок, в том числе Европейское космическое агентство, Иранское космическое агентство и Австралийский национальный университет, которые совместно разработали более продвинутый тип, описанный как двухслойное подруливающее устройство.[3][4] Однако этот вид плазменного двигателя - лишь один из многих типов.

Преимущества

Плазменные двигатели имеют гораздо более высокую удельный импульс (язр) ценность, чем большинство других типов ракетной техники. В ВАСИМР двигатель может быть дросселирован для импульса более 12000 с, и двигатели холла достигли около 2000 с. Это значительное улучшение по сравнению с двухкомпонентным топливом обычных химических ракет с удельными импульсами в диапазоне 450 с.[5] Обладая высоким импульсом, плазменные двигатели способны развивать относительно высокие скорости в течение продолжительных периодов ускорения. Экс-космонавт Франклин Чанг-Диас утверждает ВАСИМР Двигатель может отправить полезный груз на Марс всего за 39 дней, достигая максимальной скорости 34 мили в секунду.[6]

Некоторые плазменные двигатели, такие как мини-геликон, славятся своей простотой и эффективностью. Их теория действия относительно проста и может использовать различные газы или их комбинации в качестве топлива.

Эти качества предполагают, что плазменные двигатели будут полезны для многих миссий.[7]

Недостатки

Возможно, наиболее серьезной проблемой для жизнеспособности плазменных двигателей является потребность в энергии.[4] Например, двигателю VX-200 требуется 200 кВт электроэнергии для создания тяги 5 Н, или 40 кВт / Н. Этому требованию мощности могут соответствовать реакторы деления, но масса реактора (включая системы отвода тепла) может оказаться чрезмерно высокой.[8][9]

Еще одна проблема - плазменная эрозия. В то время как в эксплуатации плазма может термически абляция стенки подруливающей полости и опорной конструкция, которая может в конечном итоге привести к отказу системы.[10] Решить эту проблему может усовершенствование дизайна и материалов.

Из-за крайне малой тяги плазменные двигатели не подходят для запуска на орбиту на Земле. В среднем эти ракеты обеспечивают максимальную тягу около 2 фунтов.[5] Плазменные двигатели очень эффективны в открытом космосе, но ничего не делают, чтобы свести на нет затраты на запуск химических ракет.

Плазменные двигатели в эксплуатации

В то время как большинство плазменных двигателей все еще ограничено лабораториями, некоторые видели активное время полета и использовались в миссиях. В 2011 году НАСА стало партнером аэрокосмической компании. Бусек, и запустил первый двигатель Холла на борту ТАКСАТ-2 спутник. Двигатель был основной двигательной установкой спутника. С тех пор в 2011 году компания запустила еще один двигатель Холла.[11] По мере развития технологий больше плазменных двигателей, вероятно, увидят время полета.

В мае 2020 года команда Института технологических наук Уханьский университет опубликовали статью о разработанном ими прототипе плазменного струйного устройства, способного поднимать стальной шар весом 1 кг (2,2 фунта) над кварцевой трубкой диаметром 24 мм (один дюйм). Тяга, необходимая для достижения такой подъемной силы, эквивалентна относительной тяге двигателя коммерческого самолета. В конструкции сжатый воздух вводится в камеру и подвергается воздействию более 1000 градусов Цельсия и микроволн для создания ионизированной плазмы, которая затем выбрасывается для создания движения.[12]

Типы двигателей

Плазменные двигатели Helicon

Основная статья: Плазменный двигатель Helicon

Плазменные двигатели Helicon используют низкочастотные электромагнитные волны (волны Helicon), которые существуют внутри плазмы при воздействии статического магнитного поля. Радиочастотная антенна, которая охватывает газовую камеру, используется для создания волн и возбуждения газа. Когда энергия, обеспечиваемая антенной, соединяется с газом, создается плазма. После образования плазма она выбрасывается с высокой скоростью для создания тяги с использованием различных стратегий ускорения, которые требуют различных комбинаций электрических и магнитных полей с идеальной топологией. Эти двигатели могут использовать множество различных ракетных двигателей, что делает их идеальными для долгосрочных миссий, поскольку они относятся к категории безэлектродных двигателей. Простой дизайн также делает его универсальным, поскольку он может быть изготовлен из простых материалов, таких как стеклянная бутылка из-под газировки.[7]

Магнитоплазмодинамические двигатели

Основная статья: Магнитоплазмодинамический двигатель

Магнитоплазмодинамические двигатели (MPD) используйте Сила Лоренца (сила, возникающая в результате взаимодействия между магнитное поле и электрический ток ) для создания тяги - электрического заряда, протекающего через плазму в присутствии магнитного поля, заставляющего плазму ускоряться из-за генерируемой магнитной силы. В Сила Лоренца также имеет решающее значение для работы большинства импульсный плазменный двигатель.

Импульсные индуктивные двигатели

Основная статья: Импульсный индуктивный двигатель

Импульсные индуктивные двигатели (PIT) также используют силу Лоренца для создания тяги, но, в отличие от магнитоплазмодинамического двигателя малой тяги, они не используют никаких электродов, что устраняет проблему эрозии. Ионизация и электрические токи в плазме индуцируются быстро меняющимся магнитным полем.

Безэлектродные плазменные двигатели

Основная статья: Безэлектродный плазменный двигатель

Безэлектродные плазменные двигатели использовать пондеромоторная сила который действует на любую плазму или заряженная частица когда под воздействием сильного электромагнитная энергия плотность градиент к ускоряться как электроны, так и ионы плазмы в одном направлении, благодаря чему могут работать без нейтрализатора.

ВАСИМР

ВАСИМР

Основная статья: Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом

VASIMR, сокращение от Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, использует радиоволны к ионизировать а пропеллент в плазму. Затем магнитное поле ускоряет плазму из ракетный двигатель, генерируя толкать. VASIMR разрабатывается Компания Ad Astra Rocket со штаб-квартирой в Хьюстоне, штат Техас. А Новая Шотландия, Канада -основанная компания Наутель, производит генераторы RF мощностью 200 кВт, необходимые для ионизации топлива. Некоторые тесты компонентов и эксперименты "Plasma Shoot" проводятся в Либерия, Коста-Рика лаборатория. Этот проект возглавляет бывший астронавт НАСА д-р. Франклин Чанг-Диас (CRC-США).

Коста-риканский аэрокосмический альянс объявил о разработке внешней поддержки для VASIMR, который будет устанавливаться за пределами Международная космическая станция. Ожидается, что этот этап плана по испытанию VASIMR в космосе будет проведен в 2016 году. Прогнозируемый двигатель VASIMR мощностью 200 мегаватт может сократить время полета от Земли до Юпитера или Сатурна с шести лет до четырнадцати месяцев и от Земли до Марса. от 6 месяцев до 39 дней.[11]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Австралийский национальный университет разрабатывает геликонный плазменный двигатель». Dvice. Январь 2010 г.. Получено 8 июн 2012.
  2. ^ «Компания N.S. помогает построить плазменную ракету». cbcnews. Январь 2010 г.. Получено 24 июля 2012.
  3. ^ «Плазменный двигатель прошел начальные испытания». Новости BBC. 14 декабря 2005 г.
  4. ^ а б «Плазменные реактивные двигатели, которые могут доставить вас с земли в космос». Новый ученый. Получено 2017-07-29.
  5. ^ а б "Космические путешествия с помощью плазменных двигателей: прошлое, настоящее и будущее | DSIAC". www.dsiac.org. Архивировано из оригинал на 2017-08-08. Получено 2017-07-29.
  6. ^ «Антивещество для ионных двигателей: планы НАСА по движению в дальнем космосе». Журнал Космос. Получено 2017-07-29.
  7. ^ а б "Ракета нацелена на более дешевый толчок в космосе; плазменный двигатель мал, работает на недорогих газах". ScienceDaily. Получено 2017-07-29.
  8. ^ "Техническая информация | Ad Astra Rocket". www.adastrarocket.com. Получено 2020-06-01.
  9. ^ «Плазменный двигатель на 123 000 миль в час, который наконец-то может доставить астронавтов на Марс». Популярная наука. Получено 2017-07-29.
  10. ^ «Путешествие на Марс с бессмертными плазменными ракетами». Получено 2017-07-29.
  11. ^ а б «ТакСат-2». www.busek.com. Получено 2017-07-29.
  12. ^ «Может ли этот китайский плазменный двигатель сделать реальностью экологичное воздушное путешествие?». Южно-Китайская утренняя почта. 8 мая 2020.

внешняя ссылка