Variable Specific Impulse Electromagnetic Accelerator ( Racheta Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR ) este un motor de rachetă cu plasmă electromagnetică promițător , conceput pentru accelerarea cu jet a unei nave spațiale în spațiul cosmic.
Din punct de vedere structural, motorul este similar cu motorul ionic , dar este conceput pentru a-și rezolva principalul dezavantaj - distrugerea rapidă a electrozilor din fluxul de plasmă. Scopul dezvoltării VASIMR este de a reduce decalajul dintre sistemele reactive de înaltă eficiență, cu tracțiune joasă, cu impuls specific ridicat (ionice, etc.) și sisteme cu eficiență scăzută, cu tracțiune mare, cu impuls specific scăzut. VASIMR este capabil să funcționeze în moduri apropiate de sistemele de tracțiune mare și de tracțiune joasă.
Metoda de încălzire cu plasmă utilizată în VASIMR a fost dezvoltată din cercetări în fuziune . Conceptul de motor în sine a fost propus de astronautul și omul de știință Franklin Chang-Diaz în 1979 și continuă să se dezvolte în prezent.
VASIMR, denumit uneori un accelerator de plasmă electrotermal (EPA), folosește unde radio pentru a ioniza un fluid de lucru și apoi pentru a accelera plasma rezultată folosind un câmp electromagnetic pentru a obține forța .
Acest tip de propulsor poate fi considerat un fel de propulsor de plasmă fără electrod, diferind prin modul în care este accelerată plasma; ambele tipuri de motoare nu au electrozi . Principalul avantaj al unui astfel de design este eliminarea eroziunii electrozilor . Mai mult, deoarece toate părțile VASIMR sunt ecranate de un câmp magnetic și nu intră în contact direct cu plasma, durata de viață potențială a unui propulsor construit conform acestui design este mult mai lungă decât a unui propulsor ionic .
Prin modificarea cantității de energie pentru încălzirea undelor radio și a cantității de fluid de lucru din care este creată plasma, VASIMR este capabil să producă atât forță scăzută cu impuls specific ridicat, cât și tracțiune relativ mare cu impuls specific scăzut.
Spre deosebire de procesele convenționale de încălzire prin rezonanță ciclotronică , ionii din VASIMR trec imediat prin duza magnetică mai repede decât timpul necesar pentru a atinge echilibrul termodinamic . Conform unei lucrări teoretice din 2004 a lui Arefiev și Breizman de la Universitatea Texas din Austin , practic toată energia dintr-o undă de ciclotron ionic va fi distribuită uniform în plasma ionizată într-o singură trecere în procesul de absorbție a ciclotronului. Acest lucru permite ionilor să părăsească duza magnetică cu o distribuție a energiei foarte îngustă, rezultând o distribuție simplificată și mai densă a magneților în motor [1] .
VASIMR-urile actuale ar trebui să aibă impulsuri specifice în intervalul de la 3000 la 30000 de secunde (viteze de scurgere de la 30 la 300 km/s). Limita inferioară a acestui interval este comparabilă cu unele concepte existente de propulsoare ionice . Reglând producția de plasmă și încălzirea, motorul VASIMR poate controla impulsul și forța specifică. Motorul este, de asemenea, capabil să utilizeze niveluri de energie mult mai mari ( megawați ) în comparație cu conceptele existente de motoare cu ioni. Prin urmare, VASIMR poate oferi o forță de zeci de ori mai mare, cu condiția să fie disponibilă o sursă de alimentare adecvată.
VASIMR nu este potrivit pentru ridicarea unei sarcini utile de la suprafața unei planete (de exemplu, Pământul) pe o orbită circumplanetară, din cauza raportului său scăzut de tracțiune/masă și poate fi utilizat numai în gravitate zero (de exemplu, pentru a lansează o navă de pe o orbită circumplanetară). Poate fi folosit ca treaptă finală, reducând nevoia de propulsor pentru transportul în spațiu, sau ca treaptă superioară .
- este de așteptat ca acest motor să efectueze aceste operațiuni la o fracțiune din costul costului analogilor bazați pe tehnologii de propulsie chimică /
Alte aplicații ale VASIMR (cum ar fi aducerea oamenilor pe Marte ) necesită surse de energie foarte mare, cu masă redusă, cum ar fi, de exemplu, centralele nucleare .
În august 2008, Tim Glover, director de dezvoltare pentru Ad Astra, a declarat că prima aplicație anticipată a motorului VASIMR este „transferul de marfă (nu uman) de pe orbita joasă a Pământului pe orbita joasă a lunii” și ar fi menită să sprijine întoarcerea NASA la Luna [2] .
Cea mai importantă aplicație pentru navele spațiale propulsate de VASIMR pentru viitorul previzibil este transportul de marfă (în special interplanetar ). Numeroase studii au arătat că navele spațiale alimentate cu motoare de susținere VASIMR vor fi mai eficiente în propulsia spațială în comparație cu navele propulsate de motoarele de rachete chimice convenționale . Un remorcher spațial accelerat de un singur VF-200 ar fi capabil să mute 7 tone de marfă de pe orbita terestră joasă pe orbita lunară joasă în aproximativ șase luni de zbor.
NASA intenționează să mute 34 de tone de sarcină utilă de pe Pământ pe Lună . Pentru a face o astfel de călătorie, trebuie arse aproximativ 60 de tone de oxigen/hidrogen . Un remorcher spațial comparabil ar necesita 5 propulsoare VF-200 care consumă 1 MW de energie electrică provenită din panouri solare sau dintr-un reactor nuclear . Pentru a face aceeași treabă, un remorcher similar ar folosi doar 8 tone de argon. Timpul de zbor al remorcherului poate fi redus prin zborul cu mai puțină marfă sau prin folosirea mai multor argon în motoare cu un impuls specific mai mic (consum mai mare de fluid de lucru). De exemplu, un remorcher gol, la întoarcerea pe Pământ, trebuie să parcurgă această distanță în 23 de zile cu un impuls specific optim de 5000 s, sau în 14 zile cu un impuls specific de 3000 s.
În 2015, Ad Astra Rocket a câștigat o licitație de 10 milioane de dolari pentru a construi un motor VASIMR capabil să facă o expediție pe Marte în mai puțin de 40 de zile [3] . Un motor din clasa VASIMR de 200 de megawați era de așteptat să poată transporta oameni pe Marte în doar 39 de zile, comparativ cu cele șase luni necesare pentru navele spațiale cu motoare de rachetă convenționale [4] .
Principalul dezvoltator al VASIMR este „ Ad Astra Rocket Company ” din Texas . Proiectul în curs de dezvoltare cuprinde trei părți:
Ulterior, efortul principal a fost îndreptat spre îmbunătățirea eficienței generale a motorului, prin creșterea nivelurilor de energie utilizată. Până de curând, VASIMR era eficient în proporție de 67%, potrivit companiei. Datele publicate despre motorul VX-50 indică faptul că motorul este capabil să utilizeze 50 kW de radiație RF, are o eficiență de 59%, calculată după cum urmează: 90% N A eficiență a procesului de producție de ioni × 65% N B eficiență a procesul de accelerare ionică. Modelul VX-100 este de așteptat să aibă o eficiență globală de 72% prin îmbunătățirea parametrului N B , adică eficiența accelerației ionice, la 80% [5] [6] .
Cu toate acestea, există pierderi suplimentare de eficiență mai mici legate de conversia energiei DC în energie unde radio și de consumul de energie al magneților supraconductori (pentru comparație: motorul de ioni HiPEP NASA care funcționează , are o eficiență generală a acceleratorului de 80%) [7] . Datele de testare publicate de la motorul VASIMR VX-50 arată că este capabil să producă 0,5 N de tracțiune. Compania Ad Astra Rocket a planificat să testeze prototipul de motor VX-200 la începutul anului 2008 cu o putere radio de 200 kW pentru a obține eficiența necesară, forța necesară și impulsul specific.
Pe 24 octombrie 2008, compania a anunțat că generarea de plasmă de către motorul VX-200 folosind unde radio de primă etapă sau un emițător de energie de înaltă frecvență în stare solidă a atins performanța planificată. Tehnologia cheie, conversia în stare solidă a energiei DC în unde radio, a devenit extrem de eficientă și a atins un nivel de 98%. Impulsul undelor radio folosește 30 kW pentru a converti argonul în plasmă, restul de 170 kW este cheltuit pentru accelerarea și încălzirea plasmei din spatele motorului folosind încălzirea rezonantă ion-ciclotron [8] . Pe baza datelor publicate din testele anterioare VX-100 [9] , se poate aștepta ca motorul VF-200 care urmează să fie instalat pe ISS să aibă o eficiență a sistemului de 60-65% și un nivel de forță de 5 N. Se presupune că impulsul specific este de nivelul 5000 folosind argon ca fluid de lucru. Densitatea de putere este evaluată la 1 kg/kW, ceea ce înseamnă că această versiune a VASIMR va cântări doar 300 kg.
Una dintre problemele rămase este determinarea raportului potențialului de forță în raport cu valoarea sa reală. Adică, dacă plasma fierbinte va fi sau nu la o distanță de motor. Acest lucru a fost confirmat în 2009, când motorul VX-200 a fost instalat și testat într-o cameră de vid destul de mare. . O altă problemă este gestionarea căldurii reziduale în timpul funcționării (eficiența de 60% înseamnă aproximativ 80 kW de căldură reziduală), care este esențială pentru funcționarea continuă a motorului VASIMR.
Pe 10 decembrie 2008, Ad Astra Rocket Company a încheiat un acord cu NASA pentru a localiza și testa versiunea de zbor a VASIMR VF-200 pe ISS ; lansarea sa a fost programată pentru 2015 [10] . Motorul VASIMR de pe ISS va fi folosit într-un mod exclusiv de explozie, cu pornire periodică. Deoarece generarea de energie pe ISS nu este suficient de mare, sistemul va include un set de baterii cu un consum de curent suficient de mic pentru reîncărcare , ceea ce va permite motorului să funcționeze timp de 10 minute; acest lucru va fi suficient pentru a menține altitudinea stației, eliminând necesitatea unei operațiuni costisitoare de ridicare a stației folosind unități de propulsie chimică a rachetei.
Pe 7 iulie 2009 , angajații companiei Ad Astra Rocket au testat cu succes un motor cu plasmă bazat pe magneți supraconductori [11] .
În 2016, Ad Astra Rocket a raportat că eficiența motorului ar crește de la 70 la 75% dacă s-ar folosi criptonul în loc de argon, iar forța motorului ar ajunge la 2 N. Se lucrează la înlocuirea vechiului magnet cu unul nou. tip de magnet supraconductor, răcit cu azot lichid . Problema sarcinii electrice a motorului rămâne; in timpul functionarii sale, jetul ejecteaza ioni incarcati, dar electronii ramasi incarca carcasa si este imposibil de masurat acest efect de incarcare a carcasei in conditii terestre; în timp ce se crede că acest efect este mic și la toate motoarele electrice cu rachete această problemă a fost rezolvată în timpul testelor.
Testele de zbor pe ISS au fost programate pentru 2016 (cu toate acestea, întreaga putere electrică disponibilă pe ISS este mai mică de 200 kW (deși stația de astăzi are cea mai impresionantă zonă de baterii solare și este obiectul cel mai puternic din punct de vedere energetic al omenirea în spațiu), așa că proiectul ISS-VASIMR a inclus mai mult un întreg sistem suplimentar de baterii solare, care va acumula energie timp de ore pentru cicluri de 15 minute de pornire a motorului cu plasmă [12] .
În august 2019, un alt prototip VX-200SS a demonstrat o tracțiune de 5,4 N (540 grame de tracțiune) la o putere de 200 kW și cu un impuls specific în intervalul de la 50 la 300 km/s, un ordin de mărime mai mare decât ionul. propulsoare [12] .
În iulie 2021, Ad Astra a efectuat un test record al prototipului de motor VASIMR, VX-200SS. În primul test, motorul a funcționat timp de 28 de ore la un nivel de putere de 82,5 kW. În al doilea test, motorul a funcționat cu succes timp de 88 de ore la un nivel de putere de 80 kW. Ad Astra intenționează să testeze nivelul de putere de 100 kW în a doua jumătate a anului 2021 [13] [14] .