Variable Specific Impulse Electromagnetic Accelerator ( Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR ) on lupaava sähkömagneettinen plasmarakettimoottori , joka on suunniteltu avaruusaluksen suihkukiihdyttämiseen ulkoavaruudessa.
Rakenteellisesti moottori on samanlainen kuin ionimoottori , mutta se on suunniteltu ratkaisemaan sen suurin haittapuoli - plasmavirtauksen elektrodien nopea tuhoutuminen. VASIMR-kehityksen tavoitteena on kuroa umpeen kuilu korkean hyötysuhteen, matalan työntövoiman, korkean ominaisimpulssin reaktiivisten järjestelmien (ioni jne.) ja matalatehoisten, korkean työntövoiman ja matalan ominaisimpulssijärjestelmien välillä. VASIMR pystyy toimimaan tiloissa, jotka ovat lähellä suuren ja matalan työntövoiman järjestelmiä.
VASIMR:ssä käytetty plasmalämmitysmenetelmä on kehitetty fuusiotutkimuksen perusteella . Itse moottorin konseptia ehdotti astronautti ja tiedemies Franklin Chang-Diaz vuonna 1979, ja se kehittyy edelleen.
VASIMR, jota joskus kutsutaan sähkötermiseksi plasmakiihdyttimeksi (EPA), käyttää radioaaltoja työnesteen ionisoimiseen ja kiihdyttää sitten tuloksena olevaa plasmaa käyttämällä sähkömagneettista kenttää työntövoiman saamiseksi .
Tämän tyyppistä potkuria voidaan pitää eräänlaisena elektrodittomana plasmapotkurina, joka eroaa tavasta, jolla plasmaa kiihdytetään; molemmissa moottorityypeissä ei ole elektrodeja . Tällaisen rakenteen tärkein etu on elektrodien eroosion eliminointi. Lisäksi, koska kaikki VASIMR:n osat on suojattu magneettikentällä eivätkä joudu suoraan kosketukseen plasman kanssa, tähän malliin rakennetun potkurin potentiaalinen käyttöikä on paljon pidempi kuin ionipotkurilla .
Muuttamalla radioaaltolämmityksen energian määrää ja työnesteen määrää, josta plasma syntyy, VASIMR pystyy tuottamaan sekä pienen työntövoiman suurella ominaisimpulssilla että suhteellisen suuren työntövoiman pienellä ominaisimpulssilla.
Toisin kuin perinteiset syklotroniresonanssikuumennusprosessit , VASIMR:n ionit kulkevat välittömästi magneettisuuttimen läpi nopeammin kuin aika, joka tarvitaan termodynaamisen tasapainon saavuttamiseen . Arefievin ja Breizmanin Teksasin yliopistossa Austinissa vuonna 2004 tekemän teoreettisen tutkimuksen mukaan käytännöllisesti katsoen kaikki ionisyklotroniaallon energia jakautuu tasaisesti ionisoituneeseen plasmaan yhdellä kierrolla syklotronien absorptioprosessissa. Tämä mahdollistaa ionien poistumisen magneettisuuttimesta erittäin kapealla energiajakaumalla, mikä johtaa yksinkertaistettuun ja tiheämpään magneettien jakautumiseen moottorissa [1] .
Nykyisten VASIMR-laitteiden ominaisimpulssien tulisi olla välillä 3000–30000 sekuntia (ulosvirtausnopeudet 30–300 km/s). Tämän alueen alapää on verrattavissa joihinkin olemassa oleviin ionipotkurikonsepteihin . Plasman tuotantoa ja lämmitystä säätämällä VASIMR-moottori voi ohjata erityistä impulssia ja työntövoimaa. Moottori pystyy myös käyttämään paljon korkeampia energiatasoja ( megawattia ) verrattuna olemassa oleviin ionimoottorikonsepteihin. Siksi VASIMR voi tarjota kymmeniä kertoja enemmän työntövoimaa, jos sopiva virtalähde on saatavilla.
VASIMR ei sovellu hyötykuorman nostamiseen planeetan (esimerkiksi Maan) pinnalta planeetan ympäri kiertävälle kiertoradalle alhaisen työntövoima-massasuhteensa vuoksi, ja sitä voidaan käyttää vain nollapainovoimassa (esim. laukaista aluksen kiertoradalta). Sitä voidaan käyttää loppuvaiheena, mikä vähentää ponneaineen tarvetta avaruudessa tapahtuvassa kuljetuksessa, tai yläasteena .
- tämän moottorin odotetaan suorittavan nämä toiminnot murto-osalla kemiallisiin propulsiotekniikoihin perustuvien analogien kustannuksista /
Muut VASIMR:n sovellukset (kuten ihmisten saaminen Marsiin ) vaativat erittäin korkean energian ja pienimassaisia lähteitä, kuten esimerkiksi ydinvoimaloita .
Ad Astran kehitysjohtaja Tim Glover totesi elokuussa 2008, että VASIMR-moottorin ensimmäinen odotettu sovellus on "lastin (ei ihmisen) siirto matalalta Maan kiertoradalta matalalle Kuun kiertoradalle", ja sen tarkoituksena on tukea NASAn paluuta Kuu [2] .
VASIMR-käyttöisten avaruusalusten tärkein sovellus lähitulevaisuudessa on rahtikuljetus (erityisesti planeettojen välinen kuljetus ). Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet , että VASIMR - avaruusmoottorilla toimivat avaruusalukset ovat tehokkaampia avaruudessa kuin tavanomaisilla kemiallisilla rakettimoottoreilla toimivat alukset . Yhdellä VF-200:lla kiihdytetty avaruushinaaja pystyisi siirtämään 7 tonnia lastia matalalta maan kiertoradalta matalalle Kuun kiertoradalle noin kuuden kuukauden lennon aikana.
NASA aikoo siirtää 34 tonnia hyötykuormaa Maasta Kuuhun . Tällaisen matkan suorittamiseksi on poltettava noin 60 tonnia happea/vetyä . Vertailukelpoinen avaruushinaaja vaatisi 5 VF-200-potkuria, jotka kuluttavat 1 MW aurinkopaneeleista tai ydinreaktorista hankittua sähköä . Saman työn tekemiseksi samanlainen hinaaja käyttäisi vain 8 tonnia argonia. Hinaajan lentoaikaa voidaan lyhentää lentämällä pienemmällä lastilla tai käyttämällä moottoreissa enemmän argonia pienemmällä ominaisimpulssilla (suurempi käyttönesteen kulutus). Esimerkiksi tyhjän hinaajan on palatessaan maan päälle katettava tämä matka 23 päivässä optimaalisella ominaisimpulssilla 5000 s tai 14 päivässä 3000 s ominaisimpulssilla.
Vuonna 2015 Ad Astra Rocket voitti 10 miljoonan dollarin tarjouskilpailun VASIMR-moottorin rakentamisesta, joka pystyy suorittamaan tutkimusmatkan Marsiin alle 40 päivässä [3] . 200 megawatin VASIMR-luokan moottorin odotettiin pystyvän lentämään ihmisiä Marsiin vain 39 päivässä, kun perinteisillä rakettimoottoreilla varustetut avaruusalukset vaativat kuusi kuukautta [4] .
VASIMR:n pääkehittäjä on " Ad Astra Rocket Company " Texasissa . Kehitettävissä oleva hanke sisältää kolme osaa:
Myöhemmin pääasiallinen panostus kohdistui moottorin kokonaishyötysuhteen parantamiseen lisäämällä käytettyä energiaa. Yhtiön mukaan VASIMR oli viime aikoihin asti 67 % tehokas. VX-50- moottorista julkaistut tiedot osoittavat, että moottori pystyy käyttämään 50 kW RF-säteilyä, sen hyötysuhde on 59 %, laskettuna seuraavasti: 90 % N A ionintuotantoprosessin tehokkuus × 65 % N B tehokkuus ionien kiihtyvyysprosessi. VX-100- mallin kokonaishyötysuhteen odotetaan olevan 72 %, kun NB- parametri eli ionikiihtyvyyden tehokkuus paranee 80 %:iin [ 5] [6] .
On kuitenkin olemassa muita pienempiä hyötysuhdehäviöitä, jotka liittyvät DC-energian muuntamiseen radioaaltoenergiaksi ja suprajohtavien magneettien energiankulutukseen (vertailun vuoksi: NASAn toimivan HiPEP -ionimoottorin kokonaiskiihdytinteho on 80 %) [7] . Julkaistut testitiedot VASIMR VX-50 -moottorista osoittavat, että se pystyy tuottamaan 0,5 N työntövoimaa. Ad Astra Rocket Company aikoi testata prototyyppiä VX-200 moottorin alkuvuodesta 2008 200 kW:n radiotehon avulla saavuttaakseen vaaditun hyötysuhteen, vaaditun työntövoiman ja ominaisimpulssin.
Yhtiö ilmoitti 24. lokakuuta 2008, että plasman tuottaminen VX-200- moottorilla käyttäen ensimmäisen vaiheen radioaaltoja tai solid-state-korkeataajuista energialähetintä on saavuttanut suunnitellun suorituskyvyn. Keskeisestä tekniikasta, tasavirtaenergian puolijohdemuuntamisesta radioaalloksi, on tullut erittäin tehokas ja se on saavuttanut 98 %:n tason. Radioaaltopulssi käyttää 30 kW argonin muuttamiseksi plasmaksi, loput 170 kW käytetään plasman kiihdyttämiseen ja lämmittämiseen moottorin takaosassa käyttämällä ionisyklotroniresonanssilämmitystä [8] . Aiemmista VX-100-testeistä [9] julkaistujen tietojen perusteella voidaan olettaa, että ISS : lle asennettavan VF-200-moottorin järjestelmän hyötysuhde on 60-65 % ja työntövoimataso 5 N. Optimaalinen ominaisimpulssin oletetaan olevan taso 5000 käyttämällä argonia työnesteenä. Tehon tiheys on 1 kg/kW, mikä tarkoittaa, että tämä VASIMR-versio painaa vain 300 kg.
Yksi jäljellä olevista ongelmista on potentiaalisen työntövoiman suhteen määrittäminen sen todelliseen arvoon. Eli onko kuuma plasma todella kaukana moottorista vai ei. Tämä vahvistettiin vuonna 2009, kun VX-200-moottori asennettiin ja sitä testattiin melko suuressa tyhjiökammiossa. . Toinen ongelma on hukkalämmön hallinta käytön aikana (60 % hyötysuhde tarkoittaa noin 80 kW hukkalämpöä), mikä on kriittistä VASIMR-moottorin jatkuvan toiminnan kannalta.
Ad Astra Rocket Company teki 10. joulukuuta 2008 NASAn kanssa sopimuksen VASIMR VF-200:n lentoversion paikallistamisesta ja testaamisesta ISS :llä . sen julkaisu oli määrä tapahtua 2015 [10] . ISS:n VASIMR-moottoria käytetään purske-eksklusiivisessa tilassa, ja se kytketään päälle säännöllisesti. Koska ISS:n sähköntuotanto ei ole riittävän suuri, järjestelmä sisältää joukon akkuja, joiden virrankulutus on riittävän alhainen latausta varten , mikä antaa moottorin käydä 10 minuuttia; tämä riittää säilyttämään aseman korkeuden, jolloin ei tarvita kalliita operaatioita aseman nostamiseksi kemiallisten rakettien propulsioyksiköillä.
7. heinäkuuta 2009 Ad Astra Rocket Companyn työntekijät testasivat onnistuneesti suprajohtaviin magneetteihin perustuvaa plasmamoottoria [11] .
Vuonna 2016 Ad Astra Rocket raportoi, että moottorin hyötysuhde nousisi 70 prosentista 75 prosenttiin, jos kryptonia käytettäisiin argonin sijasta, ja moottorin työntövoima saavuttaisi 2 N. Vanhan magneetin korvaaminen uudella on käynnissä. suprajohtavan magneetin tyyppi, jäähdytetty nestemäisellä typellä . Moottorin sähkövarauksen ongelma on edelleen olemassa; toiminnan aikana suihku purkaa varautuneita ioneja, mutta jäljelle jääneet elektronit varaavat kotelon, ja tätä kotelon varauksen vaikutusta on mahdotonta mitata maanpäällisissä olosuhteissa; Vaikka tämän vaikutuksen uskotaan olevan pieni ja kaikissa sähkörakettimoottoreissa tämä ongelma ratkesi testien aikana.
Lentokokeet ISS:llä ajoitettiin vuodelle 2016 (koko ISS:n käytettävissä oleva sähköteho on kuitenkin alle 200 kW (vaikka asemalla on nykyään vaikuttavin aurinkoparistoalue ja se on energeettisesti tehokkain kohde) ihmiskunta avaruudessa), joten ISS-VASIMR-projekti sisälsi enemmän koko lisäjärjestelmän aurinkoakkuja, jotka keräävät energiaa tuntikausia 15 minuutin jaksoissa plasmamoottorin käynnistämiseksi [12] .
Elokuussa 2019 toinen VX-200SS-prototyyppi osoitti työntövoimaa 5,4 N (540 grammaa työntövoimaa) teholla 200 kW ja ominaisimpulssilla 50-300 km/s, joka on suuruusluokkaa enemmän kuin ioni potkurit [12] .
Heinäkuussa 2021 Ad Astra suoritti ennätystestin VASIMR-moottorin prototyypillä VX-200SS. Ensimmäisessä testissä moottori kävi 28 tuntia tehotasolla 82,5 kW. Toisessa testissä moottori käy onnistuneesti 88 tuntia tehotasolla 80 kW. Ad Astra suunnittelee testaavansa 100 kW:n tehotasoa vuoden 2021 toisella puoliskolla [13] [14] .