Плазменный ракетный двигатель VASIMR

[KBOB]

КПД до 90%? не помню такого, ну да ладно
тут еще такая штука - с ростом УИ растет КПД, так как снижается доля энергии, затраченной на ионизацию.
декларировалось, что технология VASIMR ЕМНИП позволяет получить УИ до 30 000с
опубликованные результаты испытаний VX-200 с КПД 54% относятся к УИ 3500с (работа на неполной мощности)
утверждается что при 6000с КПД будет 64%

второй после ионизации источник потерь - магниты и их криостатирование

http://www.adastrarocket.com/AIAA-2010-6772-196_small.pdf

We have estimated that the magnet power supplies and cryocoolers will consume 500 W and 2 kW, respectively. Other avionics systems should consume less than 300 W. We have decided that these other power loads should be added to the 200 kW used by the RF generators, giving a total power consumption of 202.8 kW.

[Fakir]

КПД до 90%? не помню такого, ну да ладно
тут еще такая штука - с ростом УИ растет КПД, так как снижается доля энергии, затраченной на ионизацию.

Потери на ионизацию пренебрежимо малы на фоне

[Agent]

По ссылке все написано

The VX-200 thruster efficiency is determined by dividing the total RF power coupled to plasma by the thruster jet power. The jet power is dened as Pjet = F*F/2m where F is the total force produced by the rocket and m is the total mass flow rate of propellant.





Expected Component Eciency
The overall system eciency can be estimated for a VASIMR flight unit based on RF component efficiencies and power consumed by electronics and magnet systems. The rst stage and second stage RF generators will be 92% and 98% efficient, respectively, according to the manufacturer Nautel Ltd. The RF transmission system is expected to be 98% efficient. The VX-200 RF transmission systems for both the first and second stages are 96 +- 0:2% and 96 +- 0:5%, respectively. Those are first generation experimental systems that will be the basis for the expected flight designs. The other primary power consuming system will be the high-temperature superconducting magnet. We have estimated that the magnet power supplies and cryocoolers will consume 500 W and 2 kW, respectively. Other avionics systems should consume less than 300 W. We have decided that these other power loads should be added to the 200 kW used by the RF generators, giving a total power consumption of 202.8 kW. The expected operational values are:
- Helicon generator efficiency (Ideal expected in flight unit): 92%
- ICH generator efficiency (Ideal expected in flight unit): 98%
- Helicon RF transmission efficiency 98%
- ICH RF transmission efficiency 98%
- 100% ionization fraction
- Ionization cost: 87 eV
- Ion kinetic energy out of helicon section: 12 eV
- Nozzle efficiency: 93%
One can see from the above efficiencies and subsystem power losses that the overall efficiency of the VASIMR will be only a few percent lower than thrust efficiency reported here.

[Agent]

Насколько я понимаю, с ростом мощности геликона, стоимость ионизации должна падать. И то что у них локальный минимум на 28квт при 130 мгр/с обьясняется только конструкцией их конкретного девайса. Они когдато писали, что для эффективной работы двигателя нужно не более 100эВ/ион

[vlad7308]

КПД до 90%? не помню такого, ну да ладно
тут еще такая штука - с ростом УИ растет КПД, так как снижается доля энергии, затраченной на ионизацию.

Потери на ионизацию пренебрежимо малы на фоне

на фоне чего? мировой революции?  :wink:

Насколько я понимаю, с ростом мощности геликона, стоимость ионизации должна падать

энергия ионизации выбранного рабочего тела - величина постоянная.
кпд геликона (ионизатора) у них 92% - и так очень хорошо
так что "стоимость ионизации", то есть относительный вклад потерь на ионизацию в общие потери девайса, будет уменьшаться с ростом мощности на второй ступени - ускорителе
что отлично видно на графике
с ростом мощности геликона "стоимость" ионизации вроде бы никак не связана

[KBOB]

КПД до 90%? не помню такого, ну да ладно
тут еще такая штука - с ростом УИ растет КПД, так как снижается доля энергии, затраченной на ионизацию.

Потери на ионизацию пренебрежимо малы на фоне

на фоне чего? мировой революции?  :wink:

Насколько я понимаю, с ростом мощности геликона, стоимость ионизации должна падать

энергия ионизации выбранного рабочего тела - величина постоянная.
кпд геликона (ионизатора) у них 92% - и так очень хорошо
так что "стоимость ионизации", то есть относительный вклад потерь на ионизацию в общие потери девайса, будет уменьшаться с ростом мощности на второй ступени - ускорителе
что отлично видно на графике
с ростом мощности геликона "стоимость" ионизации вроде бы никак не связана

Имеется ввиду 92% это кпд генератора питающего Геликон.
Имелась ввиду относительная "стоимость ионизации", относительно общих энергетических затрат.
На графике также видно, что кривая эффективности с ростом мощности геликона не выходит на 100%, а останавливается где-то на 65%.

[Agent]

Насколько я понимаю, с ростом мощности геликона, стоимость ионизации должна падать

энергия ионизации выбранного рабочего тела - величина постоянная.
кпд геликона (ионизатора) у них 92% - и так очень хорошо
так что "стоимость ионизации", то есть относительный вклад потерь на ионизацию в общие потери девайса, будет уменьшаться с ростом мощности на второй ступени - ускорителе
что отлично видно на графике
с ростом мощности геликона "стоимость" ионизации вроде бы никак не связана

Я вобще не понял что вы имеете ввиду.
В геликоне на один ион тратится 87 электронвольт при "полезных" 12 кинетических
Это 14% КПД при ионизации. При 28квт на геликон сначала теряем 2.24квт при генерации, далее 0.51 при передаче и потом 21.72 при ионизации. Итого потери в геликоне составляют 24.43квт из 28. То есть КПД самого геликона всего 13%
Общие потери на ионизацию при 28квт на геликоне от 200квт - 12%
Где я не так понял?

Далее касаемо зависимости стоимости ионизации от мощности.
Графики вот.

Чем вы обьясните рост стоимости при мощности выше 28квт?

[vlad7308]

На графике также видно, что кривая эффективности с ростом мощности геликона не выходит на 100%, а останавливается где-то на 65%.

написано - force and efficiency measurements with the helicon stage fixed at 28kWt
где ж тут "рост мощности геликона"?
на графике зависимость общего КПД двигателя от мощности ускорительной ступени (от УИ, что почти то же самое), при фиксированной мощности геликона
на 100% она конечно не выходит, потому что наряду с потерями фиксированными (ионизация и тд) есть потери, пропорциональные мощности.

[KBOB]

На графике также видно, что кривая эффективности с ростом мощности геликона не выходит на 100%, а останавливается где-то на 65%.

написано - force and efficiency measurements with the helicon stage fixed at 28kWt
где ж тут "рост мощности геликона"?
на графике зависимость общего КПД двигателя от мощности ускорительной ступени (от УИ, что почти то же самое), при фиксированной мощности геликона
на 100% она конечно не выходит, потому что наряду с потерями фиксированными (ионизация и тд) есть потери, пропорциональные мощности.

Конечно-же с ростом общей мощности.

[vlad7308]

КПД самого геликона всего 13%

КПД геликона надо считать не так
КПД геликона - это энергия ионов плюс энергия ионизации деленные на энергию на входе геликона.
в этом смысле КПД у него очень хороший. т.е. почти всю полученную от внешнего источника энергию он тратит на свою основную задачу - ионизацию. "извольте мне простить ненужный прозаизм" (С)

Чем вы обьясните рост стоимости при мощности выше 28квт?

вероятно, тем, что параметры используемого геликона оптимизированы на работу с вполне конкретным потоком рабочего тела и потребляемой электрической мощностью.
что в общем вполне естественно

[Chilik]

энергия ионизации выбранного рабочего тела - величина постоянная.

Кстати, вовсе нет.
Потенциал ионизации - в первом приближении величина постоянная.
Энергия, затрачиваемая на ионизацию, зависит и от состояния среды. Один самый простой и известный пример: на образование e-i пары в атмосферном воздухе уходит в районе 30-33 эВ. При потенциалах ионизации в районе 10 эВ. А при малом потоке нейтралов в плазму можно довести цену ионизации почти до этих 10 эВ. То есть конкретная реализация железок тоже много значит.

[vlad7308]

ну васимровцы считают что у них железка хорошая

тут возникает интересный вопрос - какая у них степень ионизации?
нет, степень ионизации это не то, это как то по другому называется...
в общем, сколько электронов в среднем они обдирают с одного атома?

потенциал одиночной ионизации аргона емнип что то около 15-16эВ, еще 12эВ они докладывают как кинетическую энергию ионов на выходе из геликона.
но при этом написано что всего на ионизацию тратится около 80-100эВ
вопрос - где пропавшие 50-70эВ?
тратятся на "обдирку" дополнительных электронов?

[KBOB]

ну васимровцы считают что у них железка хорошая

тут возникает интересный вопрос - какая у них степень ионизации?
нет, степень ионизации это не то, это как то по другому называется...
в общем, сколько электронов в среднем они обдирают с одного атома?

потенциал одиночной ионизации аргона емнип что то около 15-16эВ, еще 12эВ они докладывают как кинетическую энергию ионов на выходе из геликона.
но при этом написано что всего на ионизацию тратится около 80-100эВ
вопрос - где пропавшие 50-70эВ?
тратятся на "обдирку" дополнительных электронов?

Cудя по некоторым статьям, в ходе экспериментов измерялась концентрация ионов Ar+ и Ar+2.

[Agent]

КПД самого геликона всего 13%

КПД геликона надо считать не так
КПД геликона - это энергия ионов плюс энергия ионизации деленные на энергию на входе геликона.
в этом смысле КПД у него очень хороший. т.е. почти всю полученную от внешнего источника энергию он тратит на свою основную задачу - ионизацию. "извольте мне простить ненужный прозаизм" (С)

Полезное действие - тяга. Энергию ионизации в тягу не превратишь. По крайней мере в этом девайсе.

Чем вы обьясните рост стоимости при мощности выше 28квт?

вероятно, тем, что параметры используемого геликона оптимизированы на работу с вполне конкретным потоком рабочего тела и потребляемой электрической мощностью.
что в общем вполне естественно

Я собственно с этого и начал. Подозреваю, что приведенный документ вы попросту не читали.

[vlad7308]

Полезное действие - тяга. Энергию ионизации в тягу не превратишь. По крайней мере в этом девайсе.

полезное действие геликона как самостоятельного устройства - ионизация газа
полезное действие преобразователя тока - преобразование тока
и тд
впрочем это неважно

Я собственно с этого и начал. Подозреваю, что приведенный документ вы попросту не читали.

я помню с чего вы начали
документ я читал довольно внимательно несколько дней назад и пару раз перечитывал
хотя и это неважно. забудьте

[SpaceR]

КПД до 90%? не помню такого, ну да ладно

Признаться, я малосведущ в нюансах рабочих процессов ЭРД разных схем, запомнилось только, что обещали КПД до 90% при использовании как рабочего тела водорода.

[Agent]

КПД до 90%? не помню такого, ну да ладно

Признаться, я малосведущ в нюансах рабочих процессов ЭРД разных схем, запомнилось только, что обещали КПД до 90% при использовании как рабочего тела водорода.

УИ у водорода должен быть потрясающим. Но тягя никакая.

А вобще, возможно ли (теоретически) в одной установке использовать, скажем, ртуть и 100% мощности на геликоне когда нада больша тягя и водород и основная мощность в циклотрон если нада УИ?

[vlad7308]

насколько я понимаю, основная причина отказа от водорода - проблемы с его долговременным хранением

насчет замены рабочего тела на одном и том же девайсе - хммм, вряд ли
теоретически можно, практически боюсь нет
частоты разные, радиусы разные и тд.
думаю что девайс очень оптимизирован под вполне конкретное рабочее тело

[Chilik]

насколько я понимаю, основная причина отказа от водорода - проблемы с его долговременным хранением

Чанг-Диасу нужна тяга при заданной мощности. Водород отпадает. Они и так за аргон очень долго оправдывались.

[Salo]

http://rnd.cnews.ru/tech/news/top/index_science.shtml?2010/09/20/409320

http://www.rian.ru/science/20100922/278105676.html

Прототип двигателя для полета к Марсу испытают на МКС в 2014 году[/size]

13:16 22/09/2010

МОСКВА, 22 сен - РИА Новости. Бывший астронавт НАСА Франклин Чанг-Диас разработал концепцию магнитоплазменного реактивного двигателя, который позволит сократить срок полета на Марс с года до 39 дней, испытания прототипа VF-200 намечены в 2014 году на внешней поверхности Международной космической станции (МКС).

Франклин Чанг-Диас на космической конференции NewSpace-2010, проходившей в Силиконовой долине (штат Калифорния), объявил о том, что он уже договорился с НАСА об испытаниях прототипа на МКС. Его концепция предусматривает использование магнитоплазменного реактивного двигателя с переменным импульсом (VASIMR) и ядерного бортового реактора мощностью 200 мегаватт. Если придуманная им концепция окажется успешной, это позволит сократить время перелета на Марс до 39 дней, говорится в статье, размещенной в среду на сайте Роскосмоса.

Пилотируемой миссии к Марсу предстоит решить огромное количество проблем. Одна из самых сложных - длительное время путешествия. За год полета к Красной планете и еще один - обратно - космонавт рискует получить необратимые изменения организма. Космическое излучение, дистрофия мышц, психологические проблемы - все это является реальной угрозой человеческой жизни, миссии.

Именно поэтому инженеры предлагают очевидный выход - создать быстрый корабль, который доставит людей с Земли на Марс и обратно в кратчайшие сроки. В настоящее время самая быстрая концепция предполагает перелет к Марсу за шесть месяцев. Бывший астронавт Франклин Чанг-Диас планирует сократить это время до 39 дней.

VASIMR использует пару радиоантенн для ионизации и разогрева газов (например, аргона) и ускорения реактивной струи с помощью силовых линий магнитного поля. В отличие от обычных химических ракетных двигателей VASIMR развивает меньшую тягу. Однако по сравнению с распространенными ионными ракетными двигателями он должен обладать довольно большим удельным импульсом (до 30 тысяч секунд) и скоростью истечения реактивной струи до 300 километров в секунду. Двигатель также способен регулировать тягу, он сравнительно конструктивно прост и компактен и использует очень высокие уровни энергии, измеряемые мегаваттами. Благодаря этому VASIMR может обеспечить в десятки раз большую тягу, при условии наличия подходящего источника электроэнергии. VASIMR также может непрерывно работать в течение нескольких дней или недель и потребляет мало топлива, что позволяет разогнать корабль до больших скоростей, а потом так же затормозить его. Это сокращает продолжительность миссии на Марс почти в пять раз.

Однако у концепции есть и серьезные недостатки. Прежде всего, это не очень большая полезная нагрузка, поскольку малый импульс двигателя медленно разгоняет массивный корабль. Чем тяжелее корабль - тем дольше миссия. Эта проблема частично снимается тем, что полет продлится не очень долго, и космонавтам не потребуется много воздуха, воды и пищи. Также можно снять вопрос массы, заранее разместив на орбите Марса беспилотные грузовые корабли, оборудованные стыковочными узлами, которые смогут обеспечить экипаж всем необходимым для выполнения миссии.

Но самым главным вопросом концепции остается выбор безопасного и мощного источника энергии, так как для быстрого перемещения по солнечной системе потребуется генератор мощностью не менее 200 Мвт. К примеру, каждый из четырех энергоблоков Ленинградской АЭС имеет мощность 1000 МВт, поэтому единственный вариант - ядерный реактор.

Однако самый мощный космический ядерный реактор ТОПАЗ в СССР выдавал 10 киловатт и имел показатель удельной мощности (альфа) 100 килограммов на киловатт. В свое время НАСА для отмененной ныне программы Prometheus хотело получить показатель удельной мощности до 65 кг/кВт, и руководство этой программы считает, что вряд ли при современных технологиях возможен космический реактор с показателями 20 кг/кВт.

Однако VASIMR-у и кораблю марсианской миссии массой около 600 тонн нужен показатель удельной мощности 1 кг/кВт. Многие специалисты считают это фантастикой. Надо отметить, что у современных корабельных коммерческих реакторов этот показатель 54 кг/кВт. У атомных субмарин альфа лучше - около 45 кг/кВт. Но даже эти технически совершенные машины далеки от требуемого уровня технологии VASIMR. При мощности 200 Мвт космический реактор должен весить около четырех тонн, в то время как самые современные реакторы атомных субмарин схожей мощности весят около или более 10 тонн.

Тем не менее, как отмечается в сообщении, Франклин Чанг-Диас не просто так взялся за испытания своего двигателя. Перспективы создания компактного реактора весьма хорошие. В 2003 году студенты Массачусетского технологического института предложили проект компактного солевого ядерного реактора на быстрых нейтронах с альфой менее 3 кг/кВт. Их проектный образец имеет мощность 4 Мвт, вес ядра - всего 185 килограммов, а размеры - 20х20х20 сантиметров.

Еще один интересный вариант - это представленный в начале этого года проект миниреактора компании Hyperion, масштабное производство которого начнется в 2013 году. Это компактный реактор размером 1,5х2,5 метра, мощностью 25Мвт и альфой 2 кг/кВт.

Также весьма перспективны для космоса ториевые реакторы Карло Руббиа. В них ядерная реакция запускается при помощи ускорителя частиц, что делает реактор компактным, абсолютно безопасным и не требующим тяжелого экранирования. Широкое внедрение этой технологии "запланировано" на 2025-2030 годы.