|
Введение
Лаборатория перспективных космических двигателей (Advanced Space Propulsion Laboratory) в Космическом центре NASA имени Джонсона в течение нескольких лет занимается разработкой магнитоплазменной ракеты с переменным удельным импульсом (variable specific impulse magneto-plasma rocket, VASIMR). Этот тип двигателя мог бы применяться в будущем в межпланетных космических аппаратах и мог бы сделать доступной всю Солнечную систему для исследования человеком. Одной из черт этой технологии является возможность изменения удельного импульса двигателя, так что он может работать как в режиме максимально эффективного использования топлива, так и в режиме максимальной тяги. Изменение удельного импульса и тяги повышает возможность оптимизации межпланетных траекторий и приводит к меньшим временам полета и меньшим затратам топлива, чем при фиксированном удельном импульсе.
Когда VASIMR будет применяться в межпланетных путешествиях, это будет двигатель мощностью несколько мегаватт. Значительно менее мощная система разрабатывается для летной демонстрации в 2004 году. Это будет 10-киловаттный двигатель на борту космического аппарата на солнечной энергии, находящегося на орбите Земли. Он будет работать в течение нескольких месяцев с удельным импульсом 10000 секунд, используя в качестве топлива водород или дейтерий.
Хотя значительная часть испытаний новой технологии пройдет на Земле в вакуумных камерах, космическая демонстрация позволит убедиться в работоспособности двигателя в условиях космоса в течение длительного времени. Это испытание также позволит измерить эффективность двигателя и провести наблюдения изменений внешней среды около аппарата, вызываемых двигателем.
Демонстрация предложена как часть миссии космического аппарата под названием "радиационный и технологический демонстратор" (Radiation and Technology Demonstrator, RTD). Этот КА будет запущен со "Спэйс шаттла" на высоте 400 км. Отсюда аппарат по спиральной траектории выйдет на близкую к геосинхронной высоту орбиты. Кроме двигателя VASIMR, на аппарате также будет находиться 10-киловаттный двигатель, использующий эффект Холла. Эти работающие на электрической энергии двигатели будут включаться только на освещаемых солнцем участках орбиты.
Двигатели будут испытываться раздельно, но при этом они вместе обеспечат выполнение научной миссии по измерению естественной радиационной обстановки на орбите Земли. Космический аппарат будет нести несколько микроспутников, которые будут последовательно отделяться, по мере набора аппаратом высоты, образуя созвездие микроспутников, способных выполнять одновременные радиационные измерения в различных точках.
Для упрощения задачи, во время первой космической демонстрации на VASIMR не будет реализована возможность изменения удельного импульса. Двигатель будет иметь фиксированный удельный импульс 10000 секунд, что значительно выше, чем у имеющихся сейчас электрических двигательных систем, типичный удельный импульс которых менее 2000 секунд. 10-киловаттный VASIMR будет создавать тягу около 0.1 Н и расходовать 1 мг топлива в секунду, что равняется 17 кг за 6 месяцев непрерывной работы.
В этом эксперименте двигатель VASIMR в качестве топлива будет использовать водород или дейтерий. Чтобы удовлетворить требованиям безопасности грузового отсека "Спэйс шаттла", топливо будет доставлено на орбиту во внешнем баке "челнока" и перекачано на аппарат после выхода на орбиту. Это также позволит уменьшить вес и стоимость топливного бака VASIMR. Перекачка криогенного водорода или дейтерия сама по себе будет являться летной демонстрацией технологии, имеющей большое значение для будущих межпланетных экспедиций.
Терморегулирование - наиболее важная инженерная проблема при конструировании этой первой полетной версии ракеты. Криогенное топливо нужно будет сохранить с очень малыми потерями на испарение в течение многих месяцев. Сверхпроводниковые электромагниты нужно будет держать при криогенных температурах для их нормальной работы. Эти сверхохлажденные элементы находятся рядом с плазмой, поэтому должна быть применена комбинация компактной термоизоляции с пассивным и активным отводом тепла.
При мощности в 10 кВт, это будет относительно маломощная демонстрация технологии VASIMR, но она будет "освещать дорогу" для значительно более мощных систем, которые приведут к полномасштабному использованию электрических двигателей для практических непилотируемых и пилотируемых полетов в пределах Солнечной системы.
Конфигурация двигателя
Конструкция двигателя состоит из внутренней керамической трубы, в которую подается нейтральное топливо и где оно ионизируется, и внешней облицованной металлом трубы большего диаметра, несущей радиочастотные антенны, которые ионизируют газ и разогревают плазму. Эти трубы окружены катушками электромагнитов, создающих магнитное поле, ограничивающее поток плазмы и формирующее магнитное сопло. Трубы, антенны и окружающие их магниты образуют ядро двигателя. Две трубы поглощают тепло, создаваемое плазмой и радиочастотными антеннами, и защищают низкотемпературные магниты. Конструкция будет включать способ переноса тепла от труб к поверхностям радиатора, которые образуют внешнюю оболочку конструкции ракеты.
Космический аппарат на орбите Земли будет поддерживать ориентацию, при которой вектор тяги двигателя будет направлен вдоль вектора скорости, а солнечные батареи ориентированы на Солнце. Карданный подвес солнечных батарей будет иметь одну ось, и аппарат будет вращаться вокруг этой оси, удерживая солнечные батареи перпендикулярно световому потоку в течение всего времени прохождения освещаемой части орбиты. Это означает, что две стороны аппарата и двигателя будут постоянно обращены в сторону глубокого космоса.
Цилиндрическое ядро двигателя будет расположено внутри прямоугольной оболочки (кожуха) ракеты. Эта оболочка сконструирована таким образом, чтобы минимизировать площадь поверхности, обращенную к Солнцу, и максимально увеличить площадь, обращенную в сторону глубокого космоса. Стороны оболочки, обращенные к глубокому космосу, будут служить тепловым радиатором, а другие стороны будут сделаны, насколько это возможно, максимально отражающими, чтобы минимизировать солнечный нагрев двигателя. Ядро двигателя и прямоугольная оболочка расположены за топливным баком. Радиочастотные усилители и другие электронные компоненты будут располагаться внутри прямоугольной оболочки на внутренней поверхности панелей радиатора.
Прямоугольная оболочка имеет размеры 60х100х200 см. Диаметр главной трубы немногим больше 20 см, а длина ее около 80 см. Диаметр контейнера, содержащего магниты, 40 см.
Топливная система
Описываемая здесь система для хранения топлива предназначена для водорода, но похожая система может использоваться и для дейтерия. Размер топливного бака подобран из расчета того, чтобы нести 50 кг сверхкритического водорода при давлении 1380 кПа и температуре 28 К. Сверхкритический водород существует как однофазная жидкость. При планируемом расходе в 1 мг в секунду, ракета использует только около 17 кг топлива в течение 6 месяцев непрерывной работы, так что бак в сегодняшнем варианте содержал бы существенный избыток топлива. Алюминиевый бак имеет сферическую форму диаметром 1.2 метра и среднюю толщину стенок приблизительно 2 мм. Бак будет покрыт многослойной теплоизоляцией толщиной от 2 до 3 см.
Для обеспечения безопасности при выводе КА на "Спэйс шаттле" будет использоваться уже существующая платформа для длительного орбитального полета "челнока" (Extended Duration Orbiter, EDO). Платформа EDO была разработана, чтобы нести дополнительный запас водорода и кислорода. Во время нормальных миссий "шаттла" платформа EDO не является необходимой, поэтому можно использовать ее водородные баки, чтобы доставить топливо для VASIMR. Это позволит избежать больших расходов на разработку и сертификацию нового топливного бака VASIMR для его запуска в заправленном состоянии на "шаттле". Платформа EDO обычно несет 4 бака с водородом, каждый из которых содержит 42 кг топлива. Для заполнения бака VASIMR будет достаточно трех баков EDO с учетом потерь на перекачку. Четвертый бак - запасной.
Предполагается, что достаточное количество водорода может сохраняться в космосе в течение демонстрационной миссии только с применением пассивной термоизоляции. Перед подачей в двигатель водород будет проходить через сеть трубок для охлаждения сверхпроводниковых электромагнитов.
Радиочастотная система
Радиочастотная система использует электрическую энергию для ионизации и разогрева топлива, преобразуя холодный нейтральный газ в горячую плазму. Геликоновая антенна окружает трубу подачи топлива, где происходит ионизация. Затем плазма течет вдоль осевых линий магнитного поля, проходя через антенну ионного циклотронного резонансного нагрева (ion-cyclotron-resonance-heating, ICRH), передающую дополнительную энергию плазме. Чрезвычайно горячая плазма течет по расходящимся линиям магнитного поля сопла. Частицы плазмы постепенно отрываются от магнитных силовых линий и покидают ракету с преимущественно осевой скоростью, создавая тягу.
Как геликоновая, так и ICRF-антенна, состоят из двух колец, позволяющих создавать электрические поля со сдвигом фазы. Эти электрические поля, работая вместе с окружающим магнитным полем, ионизируют газ и разогревают плазму. Ряд осцилляторов с усилителями подают радиочастотные сигналы на антенны по плоскополосным линиям передач. Каждая антенна заземлена на проводящую стенку главной трубы.
Каждый усилитель содержит два твердотельных усилительных компонента и предназначен для работы при входной мощности до 1 кВт с эффективностью около 80%. Каждая антенна питается через три усилителя, соединенных в цепь. Антенна будет в состоянии функционировать, даже если один из трех усилителей выйдет из строя. С тремя усилителями для каждой антенны система могла бы работать на уровне мощности 12 кВт, но предполагается, что будет обеспечено только 10 кВт.
Электромагнитная система
Для удержания плазмы требуется соответствующее магнитное поле. Локальная напряженность магнитного поля также является фактором правильного взаимодействия между создаваемыми антеннами полями и плазмой. Максимальные осевая и радиальная напряженности магнитного поля составляют соответственно 0.8 и 0.6 Тесла. Принятая к настоящему моменту конструкция электромагнитов и соответствующие силовые линии показаны на рисунке.
Терморегулирование
VASIMR требует решения ряда интересных проблем теплового контроля. Необходимо хранить криогенное топливо и поддерживать сверхпроводниковые магниты при криогенных температурах. В то же время, имеются электронные усилители, генерирующие тепло из-за потерь, антенны и линии передач, нагревающиеся электрическим током, и плазма с очень высокой температурой в ядре ракеты. Космический аппарат будет подвержен постоянно изменяющимся внешним тепловым условиям при движении по орбите с растущей высотой. Системы, поддерживающие приемлемые тепловые условия, должны быть компактными, легкими, недорогими и способными надежно работать в течение многих месяцев. Поэтому, насколько это возможно, будут использоваться пассивные системы.
Топливный бак. Водород или дейтерий будут храниться в простом одностеночном баке, покрытом многослойной изоляцией. Бак будет иметь только три точки соединения с конструкцией. Материалы с низкой теплопроводностью будут использоваться в этих точках и, насколько возможно, в линиях подачи топлива, соединяющих бак с двигателем. Плоские круглые тепловые щиты будут установлены выше и ниже бака для перехвата тепла, излучаемого двигателем и КА. Некоторая утечка тепла будет иметь место, но избыток топлива должен будет компенсировать потери.
Радиочастотные системы. Усилители и другая электроника будут смонтированы на холодных платформах, охлаждаемых либо прямым отводом тепла к поверхности радиатора, либо системой тепловых трубок или циркуляцией жидкости. Линии передач и антенны будут представлять собой тепловые трубки или внутри них будет циркулировать жидкость, если только не будет найден материал, имеющий достаточную теплопроводность для полностью пассивного теплоотвода.
Сверхпроводниковые электромагниты. Катушка, на которую будет намотан сверхпроводящий материал, будет охлаждаться до температуры около 35 К трубками, несущими криогенное топливо от бака ко входу двигателя. Магнит и катушка будут окружены теплозащитной оболочкой, которая будет поддерживаться при температуре около 80 К. Есть надежда, что это может быть сделано с помощью пассивной изоляции, но, если будет необходимо, будет применен криогенный охладитель. Температура 80 К является самым высоким пределом, при котором магнит и катушка могут поддерживать свой температурный лимит, используя для охлаждения нормальный расход топлива со скоростью 1 мг в секунду.
Теплозащитная оболочка магнита поглощает тепло, идущее изнутри от ядра двигателя и снаружи от окружающих элементов конструкции и внешней среды. Вся поверхность оболочки будет покрыта многослойной теплоизоляцией. Все пустоты между катушкой магнита, оболочкой и двигателем будут соединены с вакуумом, так что теплопередача будет ограничена излучением, за исключением необходимых структурных соединений из материалов с минимальной теплопроводностью.
Ядро двигателя. Главная труба и меньшая труба внутри геликоновой антенны будут поглощать основную часть тепла, излучаемого плазмой. Эти трубы будут отводить тепло к поверхностям радиатора, обращенным к глубокому космосу. Могут быть применены тепловые трубки или циркулирующая жидкость.
Радиаторы. Важным элементом 10-киловаттного двигателя VASIMR является прямоугольная оболочка, образующая тепловой щит и радиаторные поверхности. Эти радиаторы будут использоваться для отвода тепла от ядра двигателя, антенн и усилителей. Так как ядро двигателя могло бы поддерживаться при более высокой температуре, чем электронные компоненты, радиаторные панели можно разделить на области высокой температуры и низкой температуры. На каждой радиаторной панели будет "окно", для того чтобы оболочка магнитов могла излучать прямо в космос, а не на внутреннюю поверхность панелей. Также, возможно, будет реализован отвод части тепла к радиаторным панелям КА RTD.
Для помощи в конструировании двигателя было проведено тепловое моделирование и анализ. В качестве самого плохого варианта анализировалась ситуация, при которой тепловые потери составляли 6000 Вт (60%), хотя характеристики системы должны быть намного лучше. Эта работа позволила оценить различные стратегии терморегулирования, включая материалы с высокой теплопроводностью, тепловые трубки и циркулирующую жидкость. Окончательный вариант конструкции будет настолько широко, насколько окажется возможным, включать пассивные системы.
Диагностика и управление
Для наблюдения характеристик плазмы внутри ракеты будут использоваться ряд фотодиодов, интерферометр и, возможно, видеокамера. Общее состояние системы и параметры ее работы будут мониториться с помощью датчиков напряжения, тока и напряженности магнитного поля, а также многочисленных термодатчиков. В системе подачи топлива будут находиться датчики температуры, давления и потока. На всех клапанах систем подачи топлива и терморегулирования будут иметься датчики положения.
Будет обеспечена возможность командного управления для радиочастотных систем, включения магнитов, подачи топлива и, возможно, работы некоторых диагностических устройств. Команды и телеметрия будут маршрутизироваться через системы связи на КА RTD.
Заключение
Сейчас масса 10-киловаттного двигателя VASIMR оценивается в 150 кг для двигателя и его оболочки и 68 кг для топливного бака, плюс 50 кг топлива. Эта масса оценена с запасом и включает многие осторожные предположения, сделанные при разработке. Имеется потенциал для уменьшения этой массы при дальнейшем уточнении конструкции.
Предстоит сделать много работы по доработке конструкции, исследованию возможностей материалов и, особенно, по анализу и разработке систем терморегулирования. Предстоящие измерения тепловых нагрузок в лабораторных испытаниях могут пролить больше света на тепловые условия внутри двигателя и обеспечить возможность значительных конструкционных улучшений.
Пока продолжается работа по подготовке первой полетной демонстрации магнитоплазменного двигателя, предпринимаются исследования по будущим высокомощным системам и, в конечном итоге, по применению этой технологии для высокоскоростных исследовательских экспедиций автоматических аппаратов и пилотируемых кораблей к Марсу и более далеким планетам. Эта технология могла бы также стать первым шагом к двигательным системам, которые позволят нам достичь звезд.
|
