Достичь Марса за 39 дней на ракете с магнитоплазменным двигателем

Возможности реализации орбитального и межпланетного космического полета значительно расширились с тех пор, как первый искусственный спутник был отправлен в космос. Однако двигательные установки, используемые в ракетах, мало изменились. Несмотря на то, что были исследованы различные виды топлива и ракеты стали более эффективными, сущность современных химических силовых установок не сильно отличается от их предшественников.

Ученые исследуют возможности использования плазменных двигателей с регулируемым удельным импульсом магнитоплазмы (VASIMR) на созданном тестовом образце мощностью 200 кВт, который после оптимизации будет масштабирован для двигателя VASIMR мощностью 30 МВт.

VASIMR, иногда рассматриваемый как электротепловой плазменный ускоритель, который использует ионизацию рабочего тела и последующий разгон полученной плазмы с помощью электромагнитного поля, получая реактивную тягу.

Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (VASIMR)

Основная функция, которая отличает VASIMR (плазменную двигательную установку), заключается в том, что она имеет более высокие скорости истечения и удельный импульс по сравнению с химическими двигательными установками. Так компания AdAstra заявляет, что, используя двигатель VASIMR мощностью 200 МВт можно будет достичь Марса за 39 дней. VASIMR может изменять тягу и удельный импульс, оптимизируя расход топлива и увеличивая полезную нагрузку. Он способен развивать большую мощность, чем другие плазменные двигательные установки, что делает его более подходящим для межпланетных космических путешествий.

Этот тип двигателя можно рассматривать как разновидность безэлектродного плазменного двигателя, отличающегося способом ускорения плазмы Основное преимущество такого проекта состоит в том, что все части VASIMR защищены магнитным полем от прямого контакта с плазмой. Таким образом, продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя. Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, из которого создаётся плазма, VASIMR способен производить как малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.

 

Схема варианта конструкции VASIMR

Используемый газ (водород, ксенон или аргон), вводят в трубку, окруженную магнитами. Геликонный ответвитель запускает спиральные волны в газ, в результате чего электрон отбивается от атома газа, превращая его в плазму. Магнитные поля удерживают плазму, экранируя стенки двигателя. В соединителе ионного циклотронного нагрева используются волны для воздействия на ионы, вызывающие ускорение и повышение температуры до 10 миллионов Кельвинов. Магнитное сопло преобразует орбитальное движение этих ионов в линейный импульс, что приводит к высокой скорости истечения.

Экспериментально уже испытан двигатель VASIMR мощностью 200 кВт. Эффективность тяги достигала 54%, а удельный импульс - 3500 секунд. Модели, работающие с более высокой потребляемой мощностью, экспериментально пока не тестировались.

AdAstra заявляет, что космический корабль с двигателем VASIMR мощностью 200 МВт запущенный с низкой околоземной орбиты, достигнет Марса за 39 дней.

Методология моделирования

Двигатель VASIMR мощностью 200 кВт был смоделирован и проверен в соответствии с имеющимися экспериментальными данными для этого двигателя. Затем была построена и протестирована увеличенная его модель мощностью 30 МВт с семикратным увеличением геометрии и с увеличением потребляемой мощности примерно в 150 раз.

Схема, демонстрации различных компонентов механизма VASIMR.

поступает во входное отверстие с относительно низкой скоростью. В соединителе газ вращается и нагревается в сердечнике вентилятора, в результате чего величина скорости потока увеличивается за счет расширения газа, а потом он выбрасывается из сопла. На рисунке - контур рассчитанной величины скорости (максимальный диапазон)

Вращательная составляющая поля скорости, образуемая вентилятором

VASIMR не подходит для подъёма полезной нагрузки с поверхности планеты (например, Земли) на околопланетную орбиту, из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости (например, для старта корабля с околопланетной орбиты). Он может быть использован в качестве последней ступени, уменьшая потребность в топливе для перемещения в космосе, или в качестве разгонного блока.

Проверка модели мощностью 200 кВт по результатам экспериментальных испытаний показала обнадеживающее сходство в угле истечения струи и эффективной тяге двигателя. Тестовый пример был успешно расширен до двигателя мощностью 30 МВт с тягой 700 Н, что необходимо для полета к Марсу с относительно коротким временем полета.

В целом, многочисленные исследования показали, что космический корабль с маршевыми двигателями VASIMR будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с обычными химическими ракетными двигателями. Космический буксир, ускоряемый одним VF-200, сможет переместить 7 т груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полёта.

НАСА планирует перемещение 34 т полезного груза от Земли до Луны. Для того, чтобы совершить такое путешествие, должно быть сожжено около 60 тонн кислород/водород. Сопоставимый космический буксир требовал бы применения 5 двигателей VF-200, потребляющих 1 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или от ядерного реактора. Для того, чтобы проделать такую же работу, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Время полёта буксира может быть сокращено за счёт полёта с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе рабочего тела). Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 с или за 14 дней при удельном импульсе 3000 с.