Плазменный ракетный двигатель VASIMR

[KBOB]

blik пишет:
А пепелац то не полетит.

Почитайте http://peaches.ph.utexas.edu/ifs/ifsreports/977_Arefiev.pdf
IV. MAGNETIC NOZZLE AND PLASMA DETACHMENT CONCEPT

Плазма выходящая из магнитного сопла очень плотная и длина экранирования Дебая в ней гораздо меньше геометрических размеров сопла - разделение зарядов происходить не будет.

[blik]

KBOB пишет:
Плазма выходящая из магнитного сопла очень плотная и длина экранирования Дебая в ней гораздо меньше геометрических размеров сопла - разделение зарядов происходить не будет.

Не понял, причем тут дебаевская экранировка? Она на магнитное поле не распространяется, а значит не влияет на БОЛЬШЕЕ залипание электронов на магнитные линии сопла, чем залипание ионов, хотя бы потому, что в васимре циклотронно разгоняются только ионы, а значит у электронов энергия меньше.

[Vladislav]

blik пишет:
Магнитное поле очень сильное, что бы ларморовский радиус ионов был меньше камеры. Что означает, что ларморовский радиус электронов очень-очень мал. Значит сечение поперечное центральной оси, через которое электроны могут покинуть двигатель навсегда на несколько порядков меньше сечения для ионов.

Частицы покидают двигатель вдоль магнитного поля. И не только вдоль "центральной оси",  вдоль остальных силовых линий тоже. Перенос электронов вдоль поля малый ларморовский радиус никак не затрудняет.

[blik]

catoff пишет:
Перенос электронов вдоль поля малый ларморовский радиус никак не затрудняет.

Замечательно, только если частица не оторвалась от магнитного поля, то систему магнитное поле + двигатель + остальной корабль она так и не покинула, а значит вся эта байда заряжается. Еще раз, электрону недостаточно покинуть  двигатель, а нужно оторваться от магнитного поля магнитного  сопла.

[Vladislav]

blik пишет:

catoff пишет:
Перенос электронов вдоль поля малый ларморовский радиус никак не затрудняет.

Замечательно, только если частица не оторвалась от магнитного поля, то систему магнитное поле + двигатель + остальной корабль она так и не покинула, а значит вся эта байда заряжается. Еще раз, электрону недостаточно покинуть двигатель, а нужно оторваться от магнитного поля магнитного сопла.

     Если из двигателя будет вылетать ионов больше, чем электронов, то на выходе из сопла возникнет положительный заряд, который будет вытягивать недостающие электроны (в основном вдоль магнитного поля). Другими словами, возникнет электрическое поле, которое будет стремится выровнять концентрации ионов и электронов. Так плазма остается в квазинейтральном состоянии, отклонения от которого возможны только на величинах порядка дебая (... как уже отмечалось выше...). Кстати, в реальности заряженные частицы не "прилипают" к магнитному полю, они могут перемещаться и поперек поля - только хуже чем вдоль.

[Vladislav]

KBOB пишет:
Почитайте http://peaches.ph.utexas.edu/ifs/ifsreports/977_Arefiev.pdf
IV. MAGNETIC NOZZLE AND PLASMA DETACHMENT CONCEPT

The MHD description of the outgoing plasma flow relies on the frozen-in condition. The electrons follow the field lines closer than the ions, which may cause some charge separation due to large ion Larmor radius. However, this charge separation cannot be significant as long as the characteristic scale-length is much larger than the Debye length, which is an easy to satisfy requirement. The electrons are tied to the field lines due to their small Larmor radius and they are also tied to the ions due to the small Debye length. That way, the frozen-in condition is relevant even at large ion Larmor radii. It should also be pointed out that the curvature of the magnetic field lines is no longer controlled by the external coils once the plasma flow in the magnetic nozzle becomes super-Alfv ́enic. Instead, the plasma flow itself stretches the field lines. There is a good reason to believe that low-frequency MHD instabilities in the outgoing plasma flow are not nearly as dangerous as they are in magnetic confinement devices simply because the ion life-time in VASIMR is extremely short. A more subtle question, so far open, is about higher frequency instabilities that could potentially break the frozen-in condition due to anomalous resistivity.

P { margin-bottom: 0.21cm; Т.е. нужно еще учитывать, что магнитное поле меняется от присутствия плазмы. Нетривиальный процесс.

Т.е. сопло покидает равное количество электронов и ионов. За счет вмороженности магнитного поля в плазму, - другими словами, за счет наведенных в плазме кольцевых токов, - силовые линии выпрямляются, плазма не удерживается больше магнитным полем и вылетает наружу. Так примерно я понял этот процесс. Интересно посмотреть, насколько подтверждается механизм в экспериментах.

[blik]

catoff пишет:
Описание МГД исходящего потока плазмы зависит от замороженного состояния.Электронов следуют силовые линии ближе, чем ионов, что может привести к разделению зарядов в связи с большим радиусом ларморовским иона. Однако это разделение зарядов не может быть значительным, пока характерный масштаб длины намного больше, чем длина Дебая, который легко удовлетворить требование.Электроны привязаны к линиям поля из-за их малого радиуса ларморовским и они также связаны с ионами из-за небольшой длины Дебая. Таким образом, замороженного условие уместно даже при больших радиусах ларморовским иона. 

Ну да, конечно, а то что длина экранировки Дебая УВЕЛИЧИВАЕТСЯ при усилении магнитного поля они как то просмотрели. И даже при небольших полях характерных для СПД (а поля в СПД на порядки меньше , чем в Vasimr е) становится больше размера двигателя. Замечательно у них будут разделятся заряды. Гораздо лучше, чем в СПД, так как поле на порядки мощнее. В общем люди физ процессами как то не заморачиваются, поэтому видимо, и не выходит каменный цветок..

[Vladislav]

blik пишет:
Ну да, конечно, а то что длина экранировки Дебая УВЕЛИЧИВАЕТСЯ при усилении магнитного поля они как то просмотрели. И даже при небольших полях характерных для СПД (а поля в СПД на порядки меньше , чем в Vasimr е) становится больше размера двигателя.

Длина Дебая которая лично мне известна от магнитного поля не зависит. Может быть Вы какую то другую длину имеете ввиду (sorry, я физику плазмы давно изучал)? В СПД плотность плазмы маленькая, наверное поэтому там Дебай больше - он обратно пропорционален корню квадратному из плотности (концентрации) частиц. Нужно еще различать, где именно он оценивается: внутри двигателя или в выходном потоке (plum-е)? Концетрации там очень разные.

[blik]

catoff пишет:

Длина Дебая которая лично мне известна от магнитного поля не зависит.

Для избежания терминологической путаницы, лучше говорить о расстоянии экранировки Е поля.

В СПД плотность плазмы маленькая, наверное поэтому там Дебай больше

Нет, в первую очередь связано с тем , что магн. поле достаточно для залипания электронов. Таким образом экранировка Е-поля минимальна. На этом принципе большинство  холловских движков работают.

[Vladislav]

blik пишет:
catoff пишет:

Длина Дебая которая лично мне известна от магнитного поля не зависит.

Для избежания терминологической путаницы, лучше говорить о расстоянии экранировки Е поля.

В СПД плотность плазмы маленькая, наверное поэтому там Дебай больше

Нет, в первую очередь связано с тем , что магн. поле достаточно для залипания электронов. Таким образом экранировка Е-поля минимальна. На этом принципе большинство холловских движков работают.

ОК, я понял что вы имеете ввиду. Так это все таки не Дебаевский радиус. Вы имеете ввиду экранировку поперек магнитного поля?

Насколько я понял статью  [A Arefiev, B Breizman 2004], разница в переносе электронов и ионов поперек поля в данной конфигурации не играет существенной роли. Квазинейтральная плазма на срезе (механического) сопла образуется течением ионов и электронов вдоль магнитного поля. Образовавшийся там плазменный сгусток летит поперек поля за счет МГД-эффекта, который я упрощенно представляю как наведение в плазме кольцевого тока, экранирующего внешнее магнитное поле. Т.е. в их модели поле "выпрямляется" за счет внутренних токов в плазме, и ионы и электроны летят от сопла фактически вдоль поля, а не поперек. Авторы статьи утверждают, что это возможно если начальная энергия ионов достаточно велика, а величина индукции поля убывает достаточно быстро. Также они указывают, что:

Finally, note that there is a direct similarity between the super-Alfv ́enic plasma detach-
ment and the solar-wind formation. In a similar fashion, streaming outward from the sun
plasma stretches the solar magnetic field forming the solar-wind.

Вроде нет ничего невозможного?

[blik]

catoff пишет:

Авторы статьи утверждают, что это возможно если начальная энергия ионов достаточно велика

Так никто про ионы и не спорит, они улетят. Другое дело электроны, энергия которых на порядки меньше, чем ионов, так как их никто не ускоряет, а в термодинамическое равновесие они прийти не успевают. У них НЕДОСТАТОЧНО энергии, что бы оторваться от магнитного сопла. Точнее недостаточно для большинства из них. Есть очень небольшое сечение поперек центральной оси, через которое электроны все же покидают устройство совсем. Если бы энергия электронов была ~ равна энергии ионов, то вопрос был бы снят. В действительности аппарат будет заряжаться до тех пор, пока энергия электронов примерно не сравняется с энергией ионов. В этом случае они будут покидать устройство примерно поровну (стационарный режим). Но КПД сразу упадет за счет необходимости  разгона электронов и торможения ионов. Как минимум в 2 раза.

По поводу вмороженности поля посмотрю позднее, но в общем сразу очевидно, что выпрямление поля возможно только частичное, а значит залипания электронов оно не отменяет.

[Vladislav]

Магнитная конфигурация VASIMIRа такова, что заряженные частицы могут свободно попадать из источника на срез сопла двигаясь вдоль магнитного поля. Движение поперек поля им для этого вообще не требуется. Если в точке B окажется слишком много ионов, то возникнет электрическое поле направленное вдоль магнитного, которое вытянет недостающие электроны из источника А. Между А и B, вдоль поля, электроны могут двигаться так же свободно, как и ионы. Между B и C процессы более сложные. Утверждается, что исходное вакуумное поле спрямляется за счет наводимых в плазме токов. Спрямленные силовые линии показаны пунктиром. Если это так, то чтобы попасть из B в C заряженным частицам тоже достаточно двигаться только вдоль поля. А перенос вдоль магнитного поля примерно такой же, как и без него: за исключением эффекта магнитного зеркала и сопла. То, что у "спрямленных" линий остается ненулевая радиальная компонента магнитного поля вызовет расхождение струи, т.е. снижение эффективности, но принципиальной роли не играет.

Исходная иллюстрация взята из статьи [Jared P. Squire et al., VASIMR® VX-200 Operation at 200 kW and PlumeMeasurements: Future Plans and an ISS EP Test Platform, 32nd International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany, September 11 – 15, 2011, IEPC-2011-154]

[Vladislav]

У холловского двигателя, на который Вы ссылаетесь, совсем другая магнитная конфигурация. В нем электроны от источника А могут попасть наружу (B) только двигаясь поперек поля.

Исходная иллюстрация взята из книги [Martin J. L. Turner, Rocket and Spacecraft Propulsion Principles, Practice and New Developments (Third Edition), Springer, Praxis Publishing Ltd, Chichester, UK, 2009]

[blik]

catoff пишет:
утверждается, что исходное вакуумное поле спрямляется за счет наводимых в плазме токов. Спрямленные силовые линии показаны пунктиром. Если это так, то чтобы попасть из B в C заряженным частицам тоже достаточно двигаться только вдоль поля. А перенос вдоль магнитного поля примерно такой же, как и без него: за исключением эффекта магнитного зеркала и сопла.

Вы очень хорошо описали. Фактически сейчас расхождение позиций следующее - если есть полное спрямление поля, то электроны улетают и разделения зарядов нет, устройство работает как заявлено. Если полного спрямления нет - то не все электроны улетят. Но сразу видно, что нарисованная картинка невозможна, так как суммарная энергия такого спрямленного поля бесконечна.
Раз нет полного спрямления, то при движении не по центральной оси электрон рано или поздно получит составляющую индукции поля перпендикулярную траектории вылета, которая начнет заворачивать его траекторию  
Оценка
поперечный ларморовский радиус электрона внутри двигателя в ~< 2000 раз меньше поперченого размера двигателя
далее факторы увеличения радиуса -- поправка
аксиальная скорость больше поперечной в 10 раз -- 10
на расстоянии 3 диаметра выходного счения поле будет в 10 раз меньше -- 10
на расстоянии 3 диаметра выходного счения поперечная составляющая поля достигнет не менее 0.1 радиан -- 10
итого - по грубым оценкам радиус увеличится не более чем в 1000 раз (а был вначале в 2000 раз меньше), а значит половина электронов все же залипнит. Что приведет к разделению зарядов.

[blik]

Кстати, забавный парадокс. Допустим все же, что спрямление есть. Это означает, что энергетический источник должен обеспечить линейную плотность энергии поля  (не объемную, а линейную) по всей траектории движения аппарата равной линейной плотности внутри двигателя.  А там уж точно больше теслы, а может быть и 10. И это в дополнение к разгону плазмы. Для такой накачки энергией никакого ядреного источника не хватит.

[Кубик]

Что-то непонятно, зачем и обсуждать - если нейтрализация выброса не катит по проблемам и затратам, так и нафиг такое...

[KBOB]

blik пишет:
Кстати, забавный парадокс. Допустим все же, что спрямление есть. Это означает, что энергетический источник должен обеспечить линейную плотность энергии поля (не объемную, а линейную) по всей траектории движения аппарата равной линейной плотности внутри двигателя. А там уж точно больше теслы, а может быть и 10. И это в дополнение к разгону плазмы. Для такой накачки энергией никакого ядреного источника не хватит.

Предлагаю к обсуждения более свежий доклад.
http://prtl.uhcl.edu/portal/page/portal/SCE/Natural_Sciences/physics_program/seminar_overview/videos/Olsen_UHCL_Seminar_2013.pdf

На 32-й странице внезапно обнаружил следующий вывод
The data are inconsistent with the MHD field line stretching models.
Предположения [A Arefiev, B Breizman 2004] не подтвердились экспериментально. Предложен более реалистичный механизм.

[Петр Зайцев]

Тут такой вопрос между прочим. Эту штуку собирались испытывать на МКС. Что будет со станцией, если она зарядится? И нельзя ли придумать какое-нибудь устройство, которое бы позволяло бы электронам стекать поперек магнитного поля, например длинную металлическую штангу?

[Vladislav]

blik пишет:
Если полного спрямления нет - то не все электроны улетят. Но сразу видно, что нарисованная картинка невозможна, так как суммарная энергия такого спрямленного поля бесконечна.

Почему, ведь абсолютная величина индукции спадает с увеличением расстояния от двигателя? Если на создание поля затрачена конечная энергия, то почему на его компенсацию понадобится бесконечная? "Вмороженность" ведь не означает сохранение абсолютной величины индукции, вмороженность означает сохранение магнитного потока через движущийся и деформирующийся контур. Весьма вероятно, что в реальности здесь просто не работает идеальная МГД.

[blik]

catoff пишет:

Почему, ведь абсолютная величина индукции спадает с увеличением расстояния от двигателя? 

Согласен, мой косяк, переклинило вчера. Энергия поля конечная ~ -1/r, как у монополя.
Возвращаемся к вмороженности

В. м. п. характерна для сред с высоким магн. числом Рейнольдса  , где L и V- характерный масштаб и характерная скорость течения среды,  - магнитная вязкость. Если , т. е.  , то магн. поле вморожено в среду (напр., в плазму). Эти условия обычно выполняются в плазме солнечного ветра (большие L), в высокотемпературной плазме (большие ).

Надо проверять условия или считать спрямление напрямую. Сдается, в критерий васимр не пролазит. Так как скорость солнечного ветра 400 км/с, масштабы больше радиуса земли, температура ~10^5К