Результаты тестов

Фактические данные испытаний дают полезную оценку метрических показателей двигателя VASIMR. В настоящее время наиболее передовой прототип двигателя VX-200, являющийся 200-киловаттным экспериментальным устройством, используется в Ad Astra. Двигатель VX-200 содержится в камере объёмом 150 м³ под давлением до 0,001 Па для имитации вакуумной среды и может работать с полной мощностью от 15 до 200 кВт (2). Ряд тестовых запусков двигателя характеризует уровень тяги в штатном режиме с использованием аргона в качестве газа-вытеснителя с расходом 107 мг/с, с пиковой напряженностью магнитного поля - 2 Тл, уровень мощности геликона 28 кВт при уровне мощности ионно-циклотронного резонансного нагрева (ИЦРН) от 0 до 172 кВт (2). Результаты этого обжига, показаны на рис. 4. При добавлении большей мощности в секции ИЦРН сила тяги возрастает почти до 6 Н. В отдельном тесте, с полууглом раствора выходного конуса сопла, установленного приблизительно на 19^о эффективность сопла составила 97%². Дальнейшие испытания проводились с целью найти оптимальное соотношение мощности и тяги

Рис. 4. Тяга, зависящая от RF-мощности (2)

Рис. 5. Отношение мощности и тяги в зависимости от удельного импульса (2)

в промежутке определенного импульсного диапазона от 700 до 4800 сек. (2). Наивысший показатель отношения тяги к мощности составил 51 мН/кВт при удельном импульсе 1660 сек и распределении электроэнергии 59% для геликона и 41% для ИЦРН антенны.² Это соответствует максимальной тяге 10,2 Н при полной рабочей мощности 200 кВт. Рисунок 5 показывает тест отношения тяги к мощности в полном диапазоне удельного импульса. Наконец, несколько опытных пусков были проведено во всем диапазоне возможных параметров для более точного определения эффективности двигателя. Диапазоны параметров были следующими: ракетное топливо (аргон) с расходом вещества 80 - 110 мг/с, геликонная RF-мощность 15 - 30 кВт, ИЦРН RF-мощность 0 - 172 кВт (2). Результаты этих испытаний показали тягу до 6 Н при удельном импульсе 4900 сек с эффективностью двигателя между 63% и 81%². В 136 кВт общей RF-мощности средняя скорость потока ионов составила 32,8 км/с, с ионной температурой приблизительно 50 эВ (2). На рисунке 6 показан график эффективности двигателя в зависимости от распределения RF-мощности и удельного импульса. Наиболее важным фактором в определении эффективности двигателя являлась мощность ИЦРН. Эффективность увеличилась как в относительном распределении энергии, смещённой в сторону ИЦРН, так и при возрастании общей мощности.² Пунктирная линия на рис. 6b) является полуэмпирической моделью повышения эффективности двигателя²

Здесь, M_A - атомная масса ракетного топлива, Е – затраты на ионизацию топлива, Е₁ представляет собой величину мощности геликона, соединённого с плазмой и преобразованного в кинетическую направленную энергию. В качестве примера типичных условий эксплуатации аргона, значения для вновь установленных параметров были определены как Е _i = 105 эВ/ион и E ₁ = 22 эВ, что позволяет рассчитать эффективность ИЦРН: 85%². Проще говоря, полностью эмпирическая модель для повышения эффективности системы с точки зрения общей мощности и удельного импульса¹¹

Такое соотношение имеет место в рамках ограничений в 3000 сек < I_sp <5000 сек и 30 (I_sp /3000)² кВт <P <250 кВт¹¹.

Рис. 6. Эффективность двигателя в зависимости от распределения RF-мощности и Isp (2).

Выводы

Делая упор на силу тяги, технология VASIMR предлагает отношение тяги к мощности и удельному импульсу с максимальной индуктивностью (Гн) среди всех прочих космических двигателей и значительно более высокую тягу. Даже в более сбалансированных условиях VX-200 предлагает в 75 раз большую тягу типичного эффекта Холла двигателя с более высоким удельным импульсом и полной отдачей, пусть даже с 20-кратным использованием топлива.¹² Это доказывает оправданность дальнейших разработок концепции VASIMR. Если дальнейшие тесты подтвердят срок службы эксплуатации, ожидаемый при бесконтактной технологии, VASIMR может стать привлекательным вариантом двигателя для межпланетных путешествий или для позиционирования космических станций. Однако, VASIMR пока не настолько полезен. Он ещё не использовался для полёта и недостаточно протестирован – техническая готовность двигателя находится в среднем диапазоне. До настоящего времени двигатель оставался слишком большим и тяжёлым для практического использования. Хотя этот недостаток может быть вскоре устранён, остаётся проблема энергоснабжения. Использование большого массива солнечных панелей слишком дорого и трудно реализуемо, в то же время этого будет недостаточно для крупномасштабного двигателя. Для того чтобы использовать весь потенциал VASIMR, новый блок питания должен обеспечивать куда больше энергии, чем любой из используемых в настоящее время источников. Ядерная энергия – единственный реальный источник питания, но на данный момент отсутствуют практические проекты по разработке подходящего генератора. Пока не произойдёт значительного улучшения технологии энергопитания, VASIMR вряд ли сможет стать привлекательной альтернативой существующим, проверенным временем технологиям.

Ссылки:

1. Chang Díaz, F. R., Squire, J. P., Ilin, A. V., et. al., “The Development of the VASIMR Engine,” Advanced Space Propulsion Laboratory, NASA JSC, Houston, TX, 1999.

2. Longmeir, B. W., Squire, J. P., Olsen, C. S., et. al., “VASIMR VX-200 Improved Throttling Range,” 48^th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, AIAA 2012-3930, Atlanta, GA, 2012.

3. Olsen, Christopher Scott, “Ion Flux Maps and Helicon Source Efficiency in the VASIMR VX-100 Experiment Using a Moving Langmuir Probe Array,” M.S. Thesis, Rice University, Houston, TX, 2009.

4. Sutton, G. and Sherman, A., Engineering Magnetohydrodynamics, McGraw-Hill, New York, 1965.

5. Arefiev, Alexy V. and Breizman, Boris N., “Theoretical Components of the VASIMR Plasma Propulsion Concept,” Physics of Plasmas 11, 2942, Institute for Fusion Studies, University of Texas, Austin, Texas, 2004.

6. Young, H. D. and Freedman, R. A., Sears and Zemansky’s University Physics: with Modern Physics, 12th ed., Pearson, San Francisco, 2008.

7. Dendy, R. O. (ed.), Plasma Physics An Introductory Course, University Press, Cambridge, 1993.

8. Svidzinski, Vladimir, “Plasma Heating in Stellarators by Radio Frequency Electromagnetic Waves at the Fundamental Ion Cyclotron Resonance,” Ph.D. Dissertation, Dept. of Physics, Auburn University, Auburn, AL, 1998.

9. Woods, L. C., Principles of Magnetoplasma Dynamics, Clarendon Press, Oxford, 1987.

10. Chancery, William, “Investigation of Plasma Detachment from a Magnetic Nozzle,” M.S. Thesis, Dept. of Aerospace Engineering, Auburn University, Auburn, AL, 2007.

11. Ilin, A. V., Gilman, D. A., Carter, M. D., et. al., “VASIMR Solar Powered Missions for NEA Retrieval and NEA Deflection,” 33rd IEPC Conference, IEPC-2013-336, The George Washington University, Washington, D.C., 2013.

12. Jahn, Robert G. and Choueiri, Edgar. Y., “Electric Propulsion,” Encyclopedia of Physical Science and Technology, 3rd ed. Vol. 5, Academic Press, 2002.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Перевод: Владимир Колбин. Источник:

http://www.objective-europa.com/wp-content/uploads/2013/08/VASIMR_Overview_OE_5.pdf