Плазменный ракетный двигатель VASIMR

[vlad7308]

Chilik пишет:

vlad7308 пишет:
Если бы можно было сделать VASIMR на 1-5-10 кВт, он бы давно прошел ЛКИ и, в случае подтверждения преимуществ перед ионниками и СПД, пошел бы в серию для спутников.

В такой размерности он просто не нужен.
Это не конкурент СПД для геостационарников. Это совсем другая ниша, где ключевым фактором является именно возможность изменения УИ в широких пределах. Фаза отлёта - фаза перелёта - фаза прилёта. Только межпланетные задачи, а отсюда и мощность модуля.
И напомню, что для марсианских хотелок Чанг-Диаса нужно 10-50 МВт, и в этом смысле нынешние 100-200 кВт - это шикарная масштабируемость вниз.  

Спор "ниачем".
Для той размерности, в которой он "почти есть" - ниши нет. Она не другая, ее просто нет. Может, будет когда-нибудь, но сейчас и в среднесрочной перспективе - ее нет.
А для той ниши, которая есть (ориентация и довыведение спутников) - у него нет размерности

[silentpom]

а для МКС он слабоват?

[Alex_II]

silentpom пишет:
а для МКС он слабоват?

На МКС для него энергетики нет. Испытывать предполагалось короткими (минут по 10-15) циклами, от батарей... А так там 200КВт взять неоткуда. Да и 500 тонн для 200-киловаттного двигателя много...

[Димитър]

vlad7308 пишет: 
Для той размерности, в которой он "почти есть" - ниши нет. Она не другая, ее просто нет. Может, будет когда-нибудь, но сейчас и в среднесрочной перспективе - ее нет.

А межорбитальные буксиры? Для чего в России проектируют Мегаватную ЯЭУ ? 
Да и для мнжпланетных кораблей такая размерность подходит - поставим много двигателей и даже если несколько из них выдут из строя, полет можно продолжать.

[KBOB]

http://adastrarocket.com/technical-articles/Squire-JP%20P&E2016.pdf
на рисунке 3 приведена диаграмма тепловых потоков для мощности 100кВт и удельного импульса 3000 сек. Интересно то что плазма уносит всего 57 кВт энергии, остальное снимается за счет охлаждения. Интересно какую мощность охлаждения может обеспечить штатная система МКС?

[KBOB]

http://adastrarocket.com/technical-articles/JPC%20AIAA-2016-4950.pdf
В конце января 2017г должна закончится фаза-а, интересно когда в открытом доступе появится отчет?

[KBOB]

Тем временем - http://www.adastrarocket.com//pressReleases/2020/AdAstraPressReleaseJan232020_final_photo.pdf

A new generationradio-frequency(RF)Power Processing Unit (PPU) for the VASIMR engine, has completed a full-power testin vacuumat Ad Astra'sTexas facility near Houston. The test, conducted on January 2020, involved operating the unit inhard vacuum and thermal steady-state at its full power rating of 120 kW. As part of the test, the PPU was also subjected to themagnetic field of the VASIMR engine to verifythat there isno magnetic effect on the PPU performance. With this test, Ad Astrasuccessfully completedone of the three remaining major technology milestones in the NextSTEP Partnership Program contract with NASA for the maturation of the VASIMR engine. With these results, the VASIMR system is now fully positioned at technology readiness level (TRL) 5.

TRL5 готово

Two milestones now remain in Ad Astra's queue and are planned for completion this spring. These involve long-duration 100 kW firings of the VX-200SS VASIMR test article; one for 5-6 hours to demonstrate thermal control of the engineand a second, for 100 hours, to estimate component life. Upon completion of
these milestones, Ad Astra will move to the next technology maturation phase: the development of a TRL-6 VASIMR engine for a space test.

TRL6 требует 5-6 часового теста температурного контроля и 100 часового ресурсного тестрования.

[Василий Ратников]

нам очень нужны двигатели типа VASIMR что бы с переменной тягой, долгой работой, возможностью включать выключать, умеренно высоким УИ за 1000с

С такими двигателями Луна это решенный вопрос, до НОО добрался, потом буксир за день дотащил.
И даже можно начинать думать про Марс.

[vlad7308]

Надо же, там еще что-то шевелится.
Я думал, уже давно все.

[Apollo13]

Two milestones now remain in Ad Astra's queue and are planned for completion this spring.

весна закончилась. интересно как результаты.

[KBOB]

Чанг Диас в твиттере молчит - https://twitter.com/FranklinChangD

[Старый]

Фаза отлёта - фаза перелёта - фаза прилёта.

Фаза пролёта мимо тазика...

[Старый]

нам очень нужны двигатели типа VASIMR что бы с переменной тягой, долгой работой, возможностью включать выключать, умеренно высоким УИ за 1000с

С такими двигателями Луна это решенный вопрос, до НОО добрался, потом буксир за день дотащил.
И даже можно начинать думать про Марс.

Осталась малость - гдето взять такие двигатели...

[Василий Ратников]

гдето взять такие двигатели...

чего нет того нет

но надо делать.

[Старый]

гдето взять такие двигатели...

чего нет того нет
но надо делать.

Чтобы потом сказать что опять не получилось...

[KBOB]

Обновили сайт - TRANSFORMING SPACE TRAVEL

Движутся к TRL6

On 2021 June 30th the company completed a record-breaking test of the engine, operating at a power level of 82.5 kW for 28 hours, far longer than any other high-power firing to date.

And just a few weeks later the company surpassed that long-duration/ high-power personal record with an even more impressive test, running the engine at 80kW power for 88hrs straight at a steady state, a major accomplishment for our team and the industry.

PRESS RELEASE 072121, JULY 21, 2021: VASIMR® VX-200SS PLASMA ROCKET COMPLETES RECORD 88-HOUR HIGH POWER ENDURANCE TEST.

With a new set of engine modifications already in the manufacturing stage, we'll now move to demonstrate thermal  steady state at 100 kW in the second half of 2021

Брюнетка отвечает на тот самый вопрос о VASIMR, который всех интересует!

[KBOB]

Chang Díaz, F. R., Squire, J. P., Carter, M. D., Corrigan, A. M. H., Dean, L., Farrias, J., Giambusso, M., McCaskill. G., and
Yao, T. "An Overview of the VASIMR® Engine," AIAA Propulsion and Energy Forum, AIAA 2018-4416, AIAA,
Cincinnati, OH, 2018. doi: 10.2514/6.2018-4416

Основы физики VASIMR:

VASIMR® - это не термоядерная ракета, но некоторые из ее компонентов созданы на основе термоядерной технологии. Один из них, известный как магнитный дивертор, предназначен для магнитного «отрыва» плазмы от края активной зоны термоядерного реактора, чтобы сметать примеси, мигрирующие туда, со стенок сосуда. В термоядерном реакторе примеси, как правило, охлаждают плазму, стимулируя большее количество излучения. Чтобы ядро плазмы оставалось достаточно горячим, чтобы производить термоядерный синтез, важно поддерживать чистоту плазмы. Магнитный дивертор - это просто цилиндрическая магнитная труба, образованная набором электрических токовых колец или катушек. Эти катушки распределены по длине устройства, образуя невидимый магнитный канал с гладкой или гофрированной топологией. Если катушки расположены близко друг к другу, канал напоминает гладкий прямой цилиндр, продетый сквозь кольца; однако, если катушки достаточно разнесены, поле перестает быть прямым, а имеет тенденцию выпирать между кольцами, создавая топологию, напоминающую цепочку неплотно связанных сосисок.
Двигатель VASIMR® имеет три связанных, но разных магнитных камеры, обслуживающих разные, но взаимодополняющие процессы. Первая камера, «ионизатор», производит низкотемпературную плазму из исходного нейтрального газа. Вторая камера, «ВЧ-нагреватель» (также называемый ВЧ-усилителем), принимает эту плазму и нагревает ее радиоволнами до очень высоких температур. Последняя камера, «сопло», представляет собой открытое магнитное сопло, в котором нагретая плазма естественным образом ускоряется в расширяющемся магнитном поле и покидает устройство, создавая ракетную тягу.
Способность, заложенная в конструкции, - это способность изменять скорость выхлопа (удельный импульс) и тягу без изменения настройки мощности двигателя. Это «дросселирование с постоянной мощностью» или CPT является функцией, аналогичной переключению передач в автомобиле. Если требуется большая тяга, больше мощности будет направлено на «ионизатор» и меньше мощности на «нагреватель», чтобы произвести больше плазмы. В результате будет более плотный, но более холодный выхлоп, обеспечивающий большую тягу, хотя и потребляющий больше топлива. В качестве альтернативы, переключая большую мощность на «нагреватель», будет генерироваться меньше плазмы, обеспечивая меньшую тягу, но выхлоп будет быстрее и более экономичным. Эта изменчивость важна для ракет большой мощности при движении по гравитационным «холмам и долинам» около планет, а также по «ровной местности» открытого межпланетного пространства.
В ранних конструкциях VASIMR®, разработанных в начале 1980-х годов, также предусматривалось введение коаксиального гиперзвукового слоя нейтрального газа в секцию сопла под небольшим углом. Такая газовая оболочка вокруг плазменной струи (напоминающая поток рабочего пара в диффузионном насосе) увеличила бы столкновение и предотвратила бы значительное расхождение плазменной струи, когда магнитное поле расширилось за последнюю катушку. Эта особенность была направлена на устранение ранних опасений относительно способности плазменной струи естественным образом отделяться от магнитного поля на сопле. Хотя этот отрыв был предсказан теорией, экспериментальная проверка еще не проводилась. Экспериментальная проверка этого явления потребовала достаточно большой вакуумной камеры для соответствующих условий плазмы VASIMR®. В 2015 году, работая с прототипом VX-200 VASIMR® на вакуумной установке Ad Astra объемом 150 м³, доктор Кристофер С. Олсен провел обширную характеристику процесса естественного отделения в рамках своей докторской диссертации в Университете Райса. Было обнаружено, что плазма отделяется без газовой оболочки из-за «потери адиабатичности», когда частицы набирают осевую скорость в сопле и поле быстро ослабевает.
Хотя введение коаксиальной газовой струи не рассматривалось за пределами ранних концептуальных разработок, включение этой функции может еще вернуться в будущие варианты двигателя VASIMR®, особенно на уровнях мощности в несколько мегаватт, связанных с ядерно-электрическими приложениями и межпланетными полетами человека. транспорт. Эти идеи заслуживают дальнейшего изучения. Теперь известно, что при достаточном возбуждении плазма легко отделяется от сопла без необходимости использования газовой оболочки. Однако для работы с низкой температурой плазмы (режим низкого Isp / высокой тяги) дополнительная помощь может еще больше улучшить отсоединение при низких скоростях выпуска. Более того, коаксиальная струя, смешанная с плазмой, могла бы создать своего рода «дожигатель плазмы», чтобы при необходимости обеспечить всплески сверхвысокой тяги. Это привлекательная с точки зрения эксплуатации функция, которая еще не исследована, но в будущем может обеспечить большую маневренность космического корабля.
В ранних конструкциях двигателя VASIMR® учитывались различные подходы к ступени ионизатора, включая микроволновые источники, коаксиальные плазменные инжекторы и другие. Однако в 1996 году исследовательская группа переключила свое внимание на разряд Helicon как на эффективный источник плазмы, который также может хорошо сочетаться с радиочастотной (РЧ) природой второй ступени, РЧ-ускорителя. Геликоны, изученные Босвеллом и Ченом, в дальнейшем разрабатывались для приложений плазменной обработки; однако электромагнитные требования для приложения VASIMR® были очень похожими.
В 1996 году, работая с Национальной лабораторией Ок-Ридж, исследовательская группа начала эксперименты с источником геликонов в устройстве VX-10, которое затем находилось в Лаборатории перспективного космического движения Космического центра имени Джонсона НАСА в Хьюстоне. Эти эксперименты были очень успешными, и стабильные установившиеся разряды были достигнуты с использованием различных исходных газов, включая водород, гелий и аргон.
В начале 2000-х стоимость ионизации, энергия, необходимая для производства плазмы в стадии ионизатора, стала предметом исследований. Чтобы ракета была эффективной, стоимость ионизации должна быть низкой, предпочтительно ниже нескольких сотен электрон-вольт. Эксперименты Helicon, проведенные сначала в ASPL, а затем в компании Ad Astra Rocket, показали постепенное снижение стоимости ионизации с несколькими улучшениями конструкции разряда геликонов. Существующий ионизирующий каскад в устройстве VX-200SS и его предшественник, VX-200, способны обеспечить стоимость ионизации значительно ниже 100 эВ.
По мере дальнейшего развития экспериментальной программы в начале 2000-х годов команда VASIMR® сосредоточилась на физике второй ступени, РЧ-ускорителя. Механизм, ответственный за нагрев ионов на этой стадии, называется ионно-циклотронным резонансным нагревом (ICRH) и обычно используется в термоядерных экспериментах для эффективного ввода больших количеств высокочастотной энергии в плазму. В ранней конфигурации VASIMR® процесс ICRH предполагал некоторую степень предварительного осевого захвата ионов с помощью магнитного зеркала перед секцией сопла; однако теоретические расчеты показали, что можно достичь достаточного нагрева плазмы за один проход через устройство без необходимости отскока ионов назад и вперед в магнитном зеркале перед выходом в сопло.
Эта возможность была заманчивой, поскольку она значительно упростила бы конструкцию за счет удаления дополнительного магнитного зеркала. Однопроходный ионный нагрев был впервые описан в 2003 году в удостоенной награды докторской диссертации доктора Алексея Арефьева, члена команды VASIMR® из Техасского университета в Остине. Этот результат был также экспериментально подтвержден другим членом команды VASIMR®, доктором Тимоти В. Гловером, тогда аспирантом Университета Райса в другой отмеченной наградами докторской диссертации, в которой были представлены первые убедительные измерения однопроходного процесса ускорения ионов ионами. циклотронные волны. Измерение, полученное с помощью усовершенствованного анализатора замедляющей потенциальной энергии его собственной разработки, показало явный сдвиг в скорости популяции ионов при изменении количества ВЧ-мощности на частоте ионного циклотронного резонанса. Эти результаты открыли путь к более компактной конструкции VASIMR® по сравнению с более ранними концепциями.
Дальнейшая проверка этих измерений была выполнена различными членами команды VASIMR®. Эти и другие достижения продолжали доказывать, что двигатель VASIMR® по своей природе является мощным устройством. В 2005 году, когда ASPL трансформировалась в компанию Ad Astra Rocket, общая мощность, вводимая в двигатель, увеличилась с 50 кВт до 100 кВт (с устройством VX-100) и в конечном итоге до 200 кВт (с устройством VX-200).

[Бертикъ]

Интересно, по какой причине они остановились на 88 часах? Дороговизна электричества или таки ресурсные проблемы?

[KBOB]

Интересно, по какой причине они остановились на 88 часах? Дороговизна электричества или таки ресурсные проблемы?

сгорел датчик температуры

[KBOB]

Кстати я тут недавно обнаружил, что в России создается аналогичный двигатель использующий геликонный разряд для ионизации рабочего тела и превращения его в плазму - Курчатовский институт должен в 2021 году создать прототип плазменного ракетного двигателя мощностью 100 кВт для дальнего космоса

За 750 млн рублей институт должен к декабрю 2021 года создать макет прототипа БПРД с введением электрической мощности до 100 кВт для исследований основных характеристик (тяга до 3 Ньютонов, удельный импульс до 5000 секунд) на модернизированном стенде Е-1 в импульсном режиме.
      "На повестке дня стоит проблема создания мощных плазменных ракетных двигателей, способных обеспечить выполнение гораздо более масштабных задач по освоению ресурсов космического пространства", - отмечается в документе. Кроме того, будет разработан конструктивный облик прототипа лётного варианта такого двигателя и стенда для его испытания.
      Также договором предусмотрена обязанность Курчатовского института сформулировать технические требования к стенду для обеспечения работ по плазменному двигателю мощностью 1 мегаватт.
      По окончании работ должен быть создан и испытан лабораторный макет двигателя со сверхпроводящей магнитной системой, разработан облик его лётного варианта.
      В нем говорится, что в практическом решении этой проблемы в наибольшей степени продвинулись разработчики компании AdASTRA (США), работающие под патронажем NASA. В рамках проекта VASIMR был разработан прототип лётного варианта двигателя, который уже проходит заключительную стадию наземных испытаний, после завершения которых планируется создание специального космического корабля для испытаний в условиях космоса.

российский прототип, чье подробное описание приведено в статье ТЕРМОЯД И КОСМОС, выглядит скромнее своего американского аналого.

Вы не можете просматривать это вложение.

Характеристики российского двигателя также уступают американскому, чья тяга составляет до 6 Ньютонов при мощности до 200 кВт.