Плазменный ракетный двигатель VASIMR

[Vladislav]

KBOB пишет:

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

Реферат

Выходной поток плазмы за двигателем в стационарном режиме был тщательно промерен зондами и другими диагностиками. Косвенно, отрыв потока плазмы от магнитного поля (detachment) наблюдается т.к. видно, что поток ионов не следует за магнитным полем. Slide 18-20. МГД-модель, предсказывающая спрямление силовых линий, не подтверждается т.к. 1) Предсказываемое моделью изменение магнитного поля на оси не подтверждается измерениями. 2)  Оценка реального бета, - отношения газокинетического давления к магнитному, дает <1 в предполагаемой области отрыва. А для detachment нужно >1.

Классическая столкновительная диффузия электронов поперек поля недостаточна для отрыва. Предполагается, что поперечная диффузия может быть значительно сильнее классической за счет турбулентных процессов: самосогласованных колебаний электрического поля. Этому есть косвенные подтверждения: 1) замечены колебания электрического поля с частотами, характерными для определенных неустойчивостей; 2) результаты модельных расчетов.

Заряженная частица, движущаяся поперек поля в сторону его ослабевания, может "убежать" если ларморовский радиус при движении возрастает быстрее, чем искривляется траектория. Это так называемое нарушение адиабатичности. Показано, что для ионов условие нарушения адиабатичности может выполняться уже вблизи торца двигателя. Для электронов оно в исследованной области (примерно до 2.5.м от торца) не выполняется нигде.

От себя.
1) К результатам зондовых измерений нужно относится с осторожностью т.к. при реконструкции параметров плазмы из измеренных ВАХ всегда используются теоретические предположения, которые могут оказаться неверны
2) Для неравновесной плазмы понятие "температура" может быть весьма условным
3) Нельзя полностью исключить сильного возмущения плазмы при введении в нее диагностик.

[blik]

catoff пишет:
Заряженная частица, движущаяся поперек поля в сторону его ослабевания, может "убежать" если ларморовский радиус при движении возрастает быстрее, чем искривляется траектория. Это так называемое нарушение адиабатичности. Показано, что для ионов условие нарушения адиабатичности может выполняться уже вблизи торца двигателя. Для электронов оно в исследованной области (примерно до 2.5.м от торца) не выполняется нигде.

Огромное спасибо. Это именно то, что подсказывала мне физ. интуиция. Ссылки на турбулентность и колебания плазмы, которые должны увеличить диффузию неубедительны (это хотелки), так как диффузия такой ток электронов (равный току ионов) обеспечить не сможет никак. То есть разработчикам нужно озаботится  компенсацией заряда. Собственно, варианты решения есть.

[blik]

Петр Зайцев пишет:
Тут такой вопрос между прочим. Эту штуку собирались испытывать на МКС. Что будет со станцией, если она зарядится?

Ничего хорошего. Например разряд со стыкующимся кораблем.

Петр Зайцев пишет:
 И нельзя ли придумать какое-нибудь устройство, которое бы позволяло бы электронам стекать поперек магнитного поля, например длинную металлическую штангу?

Придумать можно. Но простая штанга вряд ли прокатит. Если ее сделать короткой (в сторону вылета частиц), то электроны по прежнему будут в сильном поле и отрываться не смогут. Если длинной, то она будет попадать, частично, под  бомбардировку ионами, что приведет к эрозии. Кроме того, нужно обеспечить условие стекания электронов.


ПС, посчитал - МКС зарядится всего на ~14В. Что немного.. 

[Vladislav]

К этой презентации
http://prtl.uhcl.edu/portal/page/portal/SCE/Natural_Sciences/physics_program/seminar_overview/videos/Olsen_UHCL_Seminar_2013.pdf
есть еще аудиозапись доклада

catoff пишет:
 МГД-модель, предсказывающая спрямление силовых линий , не подтверждается т.к. 1) Предсказываемое моделью изменение магнитного поля на оси не подтверждается измерениями. 2) Оценка реального бета, - отношения газокинетического давления к магнитному, дает <1 в предполагаемой области отрыва. А для detachment нужно >1.

Исправление. Оценка параметра бета по результатам измерений дает значение на выходе из сопла >1. Несмотря на это, никакого существенного изменения магнитного поля, - не только на оси, а вообще во всей исследованной области, не наблюдается.  Т.е. МГД-модель скорее всего просто не работает.

Еще одна деталь. Измерения проводились не на полной мощности 200 кВт, а на мощности 100 кВт: 30 кВт в источнике плазмы и 70 кВт в ступени ICH.

[Vladislav]

blik пишет:
Огромное спасибо. Это именно то, что подсказывала мне физ. интуиция. Ссылки на турбулентность и колебания плазмы, которые должны увеличить диффузию неубедительны (это хотелки), так как диффузия такой ток электронов (равный току ионов) обеспечить не сможет никак. То есть разработчикам нужно озаботится компенсацией заряда. Собственно, варианты решения есть.

А Вы оказались правы! Проблема разделения зарядов действительно может иметь место.

Параметер размагничивания для электронов в 2.5 метрах от торца двигателя достигает только  ~0.01. Для размагничивания нужно >1. Таким образом, катод компенсатор, - если он будет использоваться, - должен быть установлен еще дальше по потоку.

Иллюстрация и цитата из доклада Кристофера Олсена (Christopher S. Olsen).

Composite maps of the ion adiabaticity parameter show that this value exceeds unity for the majority of the measurable plume for both stages of operation.
The magnetic moment is conserved until 2.9 m < z < 3.1 m during Helicon and z < 2.9 m during ICH
where the values measure between 1.6 – 4.3 and 2.2 – 4.9 respectively.
These axial regions overlap with the departure locations of the ion flux from the magnetic field.
The electron adiabaticity parameter never exceeds 0.013 over this measurement range, but
demagnetization may be possible further downstream in the weaker magnetic field region.

Возникает вопрос. Ожидается ли похожая проблема в МГД-двигателях? Или это особенность только VASIMIR?

[Vladislav]

blik пишет:
Ссылки на турбулентность и колебания плазмы, которые должны увеличить диффузию неубедительны (это хотелки), так как диффузия такой ток электронов (равный току ионов) обеспечить не сможет никак.

Олсен в своем докладе утверждает, что подставив измеренный ими амплитудно-частотный спектр электрического поля в модель плазменной турбулентрности они действительно получают поперечные скорости электронов, которые могут превышать 10 км/с. Из его доклада у меня сложилось впечатление, что признаков разделения зарядов они экспериментально не наблюдают, но явно этот вопрос не обсуждался.

Во вступлении к докладу было сказано, что Christopher S. Olsen защитил на этом материале диссертацию. Значит в ней все это должно быть подробно описано.

[blik]

catoff пишет:
Возникает вопрос. Ожидается ли похожая проблема в МГД-двигателях? Или это особенность только VASIMIR?

В общем случае эта проблема не обязательна, больше относится именно к VASIMR. И даже в нем она решается, например развитием идеи Петра Зайцева с длинной штангой с катодом и с защитой от эрозии. То есть не фундаментальная проблема, а инженерная, правда двигатель так красиво уже выглядеть не будет. Другое дело, что конструкторы VASIMR как то об этом моменте умалчивают.

catoff пишет:

... подставив измеренный ими амплитудно-частотный спектр электрического поля в модель плазменной турбулентрности они действительно получают поперечные скорости электронов, которые могут превышать 10 км/с

Порядок не тот. Скорость ионов ~ 50 км/с. А электронам для отрыва понадобится ~> 2000 км/с. (из условия равенства кинетических энергий электрона и иона)

catoff пишет:
признаков разделения зарядов они экспериментально не наблюдают, но явно этот вопрос не обсуждался.

На земле это очень-очень затруднительно замерить. Так как 
1. ионы на бесконечность не улетают и диффундируют обратно.
2. Электроны сталкиваясь со стенками внешней камеры резко увеличивают диффузию
3. Заряд копится на внутренней поверхности внешней камеры не создавая поля рядом с устройством
4. С внешней стороны камеры прилипают положительные ионы, тем самым резко уменьшая разность потенциалов между двигателем и областью за внешней камерой.

А так как система не замкнута (нужно откачивать из камеры газ/плазму), то показания будут на уровне погрешностей.

[Vladislav]

blik пишет:
Порядок не тот. Скорость ионов ~ 50 км/с. А электронам для отрыва понадобится ~> 2000 км/с. (из условия равенства кинетических энергий электрона и иона)

Равны должны быть именно скорости: направленный поток электронов равен потоку ионов.

[Vladislav]

blik пишет:

catoff пишет:
Возникает вопрос. Ожидается ли похожая проблема в МГД-двигателях? Или это особенность только VASIMIR?

В общем случае эта проблема не обязательна, больше относится именно к VASIMR. И даже в нем она решается, например развитием идеи Петра Зайцева с длинной штангой с катодом и с защитой от эрозии. То есть не фундаментальная проблема, а инженерная, правда двигатель так красиво уже выглядеть не будет. Другое дело, что конструкторы VASIMR как то об этом моменте умалчивают.
 

Чем их магнитные сопла отличаются от VASIMIR? Меньшей индукцией поля на входе?


Если подвижность электронов вдоль поля остается сильно затрудненной и возникнет сильное разделение зарядов, то это приведет и к возникновению сильных электрических полей, кототорые будут "закруглять" ионы в сторону потока электронов, т.е. в сторону магнитного поля. Это может привести к тому, что плазма, - ни электроны, ни ионы, - вообще не оторвется от магнитного поля, и вместо движения вдоль оси двигателя будет растекаться в стороны. Такой сценарий был бы катастрофическим т.к. двигатель при этом перестанет развивать тягу.

Олсен привел в своем докладе оценки, согласно которым такое "прилипание" ионов к электронам за счет электрического поля, - Ion Trapping, - имеет место сразу за торцем двигателя.

[Vladislav]

blik пишет:
1. ионы на бесконечность не улетают и диффундируют обратно.

Ионы, попадая на стенку, нейтрализуются на ней и должны быстро откачиваться. С откачкой у них есть проблемы - давление газа в ходе эксперимента возрастает. Поэтому все измерения они делают в самом начале стационарного режима. У Олсена оценка длины перезарядки (во время тестов с мощностью 100 кВт): 1-3 м. Это, вообще говоря, сравнимо с размерами плазмы. Во время доклада ему был задан каверзный вопрос: часть атомов непременно возвращается в плазму и ионизуется в ней. Может ли это сильно исказить результаты измерений? Его ответ я, честно говоря, не понял. Он сказал что они не смогут проникнуть в источник, а про плюм ничего не сказал.

blik пишет:
Электроны сталкиваясь со стенками внешней камеры резко увеличивают диффузию

Это может происходить, если электроны эмитируются со стенок обратно в плазму. Когда-то давно такой механизм даже предлагался для объяснения аномального транспорта в токамаках. Однако для термоэмиссии стенка должна быть нагрета до очень высокой температуры.

blik пишет:
3. Заряд копится на внутренней поверхности внешней камеры не создавая поля рядом с устройством
4. С внешней стороны камеры прилипают положительные ионы, тем самым резко уменьшая разность потенциалов между двигателем и областью за внешней камерой.

На стенку камеры в сумме попадает равный заряд ионов и электронов. Если она сделана из проводящего материала, и части камеры не изолированы между собой электрически, то все участки ее поверхности останутся электрически нейтральны.

[Vladislav]

Чтобы убедится в реальности детачмента, интересно было бы посмотреть на результаты измерений на большем удалении от двигателя.

В статье [Jared P. Squire  et al., VASIMR® VX-200 Operation at 200 kW and Plume Measurements: Future Plans and an ISS EP Test Platform,  32nd International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden,  Germany,  September , 2011 IEPC-2011-154] сказано:

There is a 2.5 m by 5 m translation stage with a positional resolution of 0.5 mm that carries a suite of plasma diagnostics for plume characterization on the horizontal plane.

На иллюстрации в статье [Benjamin W. Longmier ет ал, VASIMR® VX-200 Performance Measurements and Helicon Throttle Tables Using Argon and Krypton, IEPC-2011-156] с той же конференции, также показана область возможных измерений (Measurement Range) доходящая до 5 м от  среза сопла (sorry, не прикрепляется картинка)

Однако как в статьях на конференции в Висбадене, так и в докладе Олсена этого года показаны только измерения до расстояния 2.4 м.  Вероятно, в будущем следует ожидать результатов измерений ниже по потоку.

[Vladislav]

Вопрос. Если я ничего не путаю, то где то в этой теме была ссылка на документ с графиком Design Review двигателя для МКС? Не мог бы кто нибудь повторить эту ссылку.

[Chilik]

blik пишет:
А содержательный ответ можете дать ?

Пардон, редко бываю на форуме, а с планшета нормально постить так и не научился.
Но в принципе всё уже обсуждено более-менее на последних паре страниц. У них действительно такая конфигурация магнитного поля, которая не препятствует выходу частиц из магнитного сопла.

И совершенно правильно отмечается существующая проблема: как обеспечить отрыв плазмы от магнитного поля и уход в бесконечность. Пока те результаты, которые имеются, не очень вразумительны. Дело в том, что в лабораторных условиях эти и некоторые другие вещи промоделировать нельзя. Проблема в том, что вакуумная камера проводящая (а если её и сделать стеклянной, то внезапно проводящими окажутся катушки магнитной системы и прочие железки-медяшки. То есть распределение потенциалов в пространстве является совсем неправильным. Поэтому и хотели они прототип на МКС поставить. С электризацией не думаю, что будет что-то фатальное, СПД же как-то нейтрализуют. ДА и вроде бы они хотели вешаться на очень длинную штангу, для управления ориентацией.

Забавно, но лет 10 назад мы могли какие-то деньги от НАСА получить как раз на исследования отрыва плазмы от магнитного поля. Брейзман тогда даже какой-то грант приличный выиграл для своего университета с нами в качестве субконтракторов. Но всё порушила непредвиденная засада: конгресс ввёл запрет на контракты с Россией из-за поставок С-300 Ирану. Короче, всё протухло.

[KBOB]

catoff пишет:
 Вопрос. Если я ничего не путаю, то где то в этой теме была ссылка на документ с графиком Design Review двигателя для МКС? Не мог бы кто нибудь повторить эту ссылку.

first formal preliminary design review (PDR) of the VF-200 engine был пройден June 26, 2013
http://www.adastrarocket.com/AdAstraRelease280613.pdf
про график не знаю.

[Vladislav]

KBOB пишет:

catoff пишет:
 Вопрос. Если я ничего не путаю, то где то в этой теме была ссылка на документ с графиком Design Review двигателя для МКС? Не мог бы кто нибудь повторить эту ссылку.

first formal preliminary design review (PDR) of the VF-200 engine был пройден June 26, 2013
 http://www.adastrarocket.com/AdAstraRelease280613.pdf
про график не знаю.

Спасибо! Цитата из документа.

All major VF-200 subsystems were reviewed, with special focus being placed on the thermal steady-state rocket core design. The thermal steady state – the capability of the rocket to  maintain a stable temperature for extended periods of time – is to be initially tested in early  2014 with long-duration plasma firings, using Ad Astra's existing facilities and the VX-200SS (steady state) device.

Это можно интерпретировать как то, что им поставили на вид отсутствие исследований теплового режима двигателя в длинных импульсах. Теперь им нужно представить результаты таких исследований.

The PDR is the first of a sequence of established design milestones and design reviews of the "proto-flight" hardware at increasing levels of detail. Successful completion of the design and test plans developed in this process will lead to the next, critical design process beginning in mid - 2014.

Видимо, конкретная дата следующего Review (CDR ) четко не прописана.

[KBOB]

8-мь новых публикаций на 33-й международной конференции электрореактивного движения.
http://www.adastrarocket.com/aarc/Publications

VASIMR® Spaceflight Engine System Mass Study and Scaling with Power IEPC (2013)
An Experimental Study of Plasma Detachment from a Magnetic Nozzle in the VASIMR® Plume IEPC (2013)
VASIMR® Solar Powered Missions for NEA Retrieval and NEA Deflection IEPC (2013)
A Plan to Study the Radiated Emissions from a VASIMR® Engine Exhaust Plume IEPC (2013)
The ISS Space Plasma Laboratory: A Proposed Electric Propulsion On-Orbit Workbench IEPC (2013)
Measurement of the Dielectric Wall Erosion in Helicon Plasma Thrusters IEPC (2013)
VASIMR® VX-CR Experiment: Status, Diagnostics and Plasma Plume Characterization IEPC (2013)
Plasma Adiabaticity in a Diverging Magnetic Nozzle IEPC (2013)

[KBOB]

Сверх легкие солнечные батареи с концентраторами из линз френеля не очень себя показали на tacsat-4.
http://www.markoneill.com/PVSC-TacSat-2013.pdf
часть линз механически разрушилась под воздействием радиации.

[Дмитрий]

Chilik, были ли попытки создавать небольшой электрический двигатель, где бы у струи выбрасываемого вещества имелся бы заряд противоположного знака?


Мы можем выпускать из сопла порошек металла, заряженный как нужно.


А параллельно рядом работал бы  плазменный двигатель, типа VASIMR.

[Тангаж]

[KBOB]

Ad adstra Rocket фильмы какие-то начала снимать, альтернативными источниками энергии заниматься.
Перечитал тему начиная с 1-й страницы, гложут меня сомнения, а вдруг не взлетит?