|
Экспериментальная разработка геликонового плазменного инжектора и ионного циклотронного ускорителя для двигателя VASIMR
В магнитоплазменной ракете с переменным удельным импульсом (VASIMR) как создание плазмы, так и последующее ускорение ионов производится посредством радиочастотных волн. Плазма создается под действием геликоновых волн. Это волны с правосторонней круговой поляризацией в направлении гиродвижения электронов. Ускорение ионов производится воздействием радиоволн на частоте ионного циклотронного резонанса (ion cyclotron resonant frequency, ICRF).
Для опытной отработки этих процессов в Лаборатории перспективных космических двигателей (Advanced Space Propulsion Laboratory, ASPL) создана экспериментальная установка, названная VX-10. Она состоит из трех электромагнитов, помещенных в вакуумную камеру, производящих магнитное поле до 0.5 Тесла. Изменение формы магнитного поля достигается независимым управлением током и положением магнитов. VX-10 скоро будет работать при общей мощности 10 кВт и создавать удельный импульс от 5000 до 10000 секунд. В последней конфигурации VX-10 нейтральный газ (водород или гелий) подается в осесимметричное магнитное поле с изменяющейся напряженностью вдоль оси. Нейтральный газ, заключенный в кварцевую трубку диаметром 5 см, ионизируется геликоновыми радиочастотными волнами в магнитном поле порядка 0.1 Тесла. Затем поток плазмы с околозвуковой скоростью (около 10 км/с) попадает в более сильное магнитное поле (около 0.2 Тесла для водорода), где происходит ICRF-ускорение. Ускоренные ионы (порядка 100 эВ) движутся в расширяющееся магнитное сопло, где перпендикулярная скорость конвертируется в осевую.
Магнитное поле создается с помощью трех независимо перемещаемых магнитов, представляющих собой охлаждаемые жидким азотом медные катушки, способных создавать поле до 0.3 Тесла в течение 10 минут. Скоро будет реализована возможность создания поля 1 Тесла в течение коротких 30-секундных импульсов. Идет разработка легких высокотемпературных сверхпроводящих электромагнитов, которые заменят медные катушки.
Точный контроллер расхода газа (mass flow controller, MFC) измеряет и регулирует подачу газа в систему. Его рабочий диапазон составляет 10 - 1000 кубических см в минуту, что соответствует максимальному расходу для водорода около 1.5 мг/с. MFC имеет временной отклик 100 мс для экспериментов с импульсной подачей газа. Давление газа на входе измеряет баратрон. Магнитозащищенный ионный датчик измеряет давление нейтрального газа в вакуумной камере в области выхлопа плазмы. Истечение плазмы происходит в вакуумную камеру объемом 5 м3, снабженную насосом производительностью 5000 литров в секунду. Планируется установка насоса производительностью 50000 литров в секунду.
В геликоновом отсеке имеется спиральная полуоборотная антенна с водяным охлаждением, работающая на частотах 7-50 МГц при мощности до 3 кВт. Линия передачи сопротивлением 50 Ом настроена на импеданс антенны с помощью двух вакуумных переменных конденсаторов в простой сети. Подаваемая и отражаемая мощность измеряются направляющим разветвителем (directional coupler).
Для ICRF-ускорения ионов используется водоохлаждаемая фазированная двойная полуоборотная антенна. Она устанавливается за магнитным насосом и перед ионным резонатором. Два кольца антенны разделены осевым промежутком около 3 см, разность фаз на них 90°.
Используется постоянный радиочастотный источник мощностью 100 кВт, работающий при 3 МГц, хотя на антенны подается только 10 кВт. Разделение мощности, фазирование, настройка сетей на импеданс к настоящему времени реализованы и протестированы.
Реагирующие зонды Лэнгмюра и Маха являются главными средствами определения параметров плазмы. Зонд Лэнгмюра измеряет плотность электронов и температурные профили, а зонд Маха - профили скорости потока. Вместе они дают характеристику общего потока частиц плазмы. Зонд Лэнгмюра имеет четыре молибденовых стержня, расположенных в виде тройного зонда, и еще один дополнительный стержень для измерения электростатических флуктуаций. Зонд Маха имеет два молибденовых стержня, один вверх, а другой вниз по потоку от разделителя из нержавеющей стали.
Анализатор запаздывающего потенциала (retarding potential analyzer, RPA) измеряет ускорение ионов. Скоро в области выхлопа плазмы будет установлен 70 ГГц микроволновый интерферометр плотности. Он будет находиться в 30 см вниз по потоку от ICRF-резонатора. В вакуумной камере также находится CCD камера, дающая боковой вид антенн и ионизированного газа.
Очень важен учет всех потерь мощности в системе, поэтому для измерения этих величин установлено несколько приборов. Водяные калориметры измеряют тепловую нагрузку на все антенны. Термопары используются для измерения тепловых нагрузок на элементы конструкции, такие как кварцевая трубка. Недавно был установлен болометр для измерения общей излучаемой мощности. Идет установка измерителей тока и напряжения на антеннах для определения мощности, передаваемой от антенн плазме.
К настоящему времени проведены эксперименты с геликоновым источником. Системы ICRF установлены и протестированы, но эксперименты с ними начнутся в ближайшие месяцы. В экспериментах с геликоном были получены следующие основные результаты.
Была создана гелиевая и водородная плазма с высокой плотностью. Выполнены параметрические исследования (при вариациях радиочастотной мощности, магнитного поля и скорости подачи газа) по ионизации гелия для трех фиксированных радиочастот (7, 13.56 и 19 МГц). Ионизированная фракция газа росла линейно с увеличением мощности радиоволн и при максимальной мощности достигла 25%. Эти данные показывают, что более высокая радиочастота может дать лучшую эффективность.
Ионизация водорода с плотностью свыше 1018 м-3 была получена на частоте 25 МГц, около нижней гибридной частоты. Наблюдалась сильная зависимость от магнитного поля. Для работы с высокоплотной плазмой представляется необходимой установка ниже по потоку от геликона магнитного насоса с коэффициентом около 5. В экспериментах с водородом была достигнута ионизация около 30% подаваемого газа.
|
