Der Variable Spezifische Impuls Magnetoplasma Rakete (VASIMR) ist eine elektromagnetische Trägerrakete für den Raumfahrzeugantrieb. Es verwendet Funkwellen, um ein Treibgas und magnetische Felder zu ionisieren und zu heizen, um das resultierende Plasma zu beschleunigen, um Stoß zu erzeugen. Es ist einer von mehreren Typen des Raumfahrzeugs elektrische Antrieb-Systeme.

Die Methode, in VASIMR verwendetes Plasma zu heizen, wurde infolge der Forschung in die Kernfusion ursprünglich entwickelt. VASIMR ist beabsichtigt, um die Lücke zwischen hoch gestoßenen, niedrig-spezifischen Impuls-Antrieb-Systemen zu überbrücken, und, hoch-spezifische Impuls-Systeme niedrig gestoßen. VASIMR ist zur Wirkung in jeder Weise fähig. Costa-ricanischer Wissenschaftler und ehemaliger Astronaut Franklin Chang-Diaz haben das VASIMR Konzept geschaffen und haben an seiner Entwicklung seit 1977 gearbeitet.

Design und Operation

Die Magnetoplasma Variable Spezifische Impuls-Rakete, manchmal gekennzeichnet als die Electro-Thermalplasmaträgerrakete oder Magnetoplasma Electro-Thermalrakete, verwendet Funkwellen, um Treibgas zu ionisieren und zu heizen, das Plasma erzeugt, das mit magnetischen Feldern beschleunigt wird, um Stoß zu erzeugen. Dieser Typ des Motors ist electrodeless, und weil solcher derselben elektrischen Antrieb-Familie gehört (während man sich in der Methode der Plasmabeschleunigung unterscheidet) als die electrodeless Plasmaträgerrakete, die Mikrowelle arcjet oder die pulsierte induktive Trägerrakete-Klasse. Es kann auch als eine electrodeless Version eines arcjet gesehen, fähig werden, höhere vorantreibende Temperatur durch das Begrenzen des Hitzeflusses vom Plasma bis die Struktur zu erreichen. Kein Typ des Motors hat irgendwelche Elektroden. Der Hauptvorteil solcher Designs ist Beseitigung von Problemen mit der Elektrode-Erosion, die konkurrierende Designs von Ion-Trägerraketen verursachen, die Elektroden verwenden, um eine kurze Lebenserwartung zu haben. Außerdem, da jeder Teil eines VASIMR Motors magnetisch beschirmt wird und in direkten Kontakt mit Plasma nicht eintritt, ist die potenzielle Beständigkeit dieses Motordesigns größer als andere Motordesigns des Ions/Plasmas.

Das Motordesign umfasst drei Teile: Benzin in Plasma über helicon RF Antennen verwandelnd; das Anziehen von Plasma über weiter RF, der in einer Boosterrakete der Ion-Zyklotron-Klangfülle-Frequenz (ICRF) heizt; und das Verwenden von Elektromagneten, um eine magnetische Schnauze zu schaffen, um die bebaute Thermalenergie von Plasma in die kinetische Kraft umzuwandeln. Durch das Verändern des Betrags der Energie, die der RF-Heizung und dem Betrag von für die Plasmageneration geliefertem Treibgas gewidmet ist, ist VASIMR entweder zum Erzeugen niedrig gestoßenen, hoch-spezifischen Impuls-Auslassventils oder zu relativ hoch gestoßenen, niedrig-spezifischen Impuls-Auslassventil fähig.

Vorteile und Nachteile des Designs

Im Vergleich mit üblichen Zyklotron-Klangfülle-Heizungsprozessen, in VASIMR Ionen werden durch die magnetische Schnauze sofort vertrieben, bevor sie Zeit haben, um thermalized Vertrieb zu erreichen. Gestützt auf der neuartigen theoretischen Arbeit 2004 von Arefiev und Breizman von UT-Austin eigentlich wird die ganze Energie in der Ion-Zyklotron-Welle ionisiertem Plasma in einem Zyklotron-Absorptionsprozess des einzelnen Passes gleichförmig übertragen. Das berücksichtigt Ionen, um die magnetische Schnauze mit einem sehr schmalen Energievertrieb, und für die bedeutsam vereinfachte und kompakte Magnet-Einordnung im Motor zu verlassen.

VASIMR verwendet Elektroden nicht; stattdessen beschirmt es magnetisch Plasma vor den meisten Hardware-Teilen, so Elektrode-Erosion - eine Hauptquelle der Abnutzung in Ion-Motoren beseitigend. Im Vergleich zu traditionellen Raketentriebwerken mit dem sehr komplizierten Sondieren, hohen Leistungsklappen, Auslösern und turbopumps, beseitigt VASIMR praktisch alle bewegenden Teile von seinem Design (abgesondert von geringen, wie Gasklappen), seine langfristige Beständigkeit maximierend.

Jedoch erscheinen einige neue Probleme, wie Wechselwirkung mit starken magnetischen Feldern und Thermalmanagement. Die relativ große Macht, an der VASIMR funktioniert, erzeugt viel überflüssige Hitze, die weg geleitet werden muss, ohne Thermalüberlastung und übermäßige Thermalbetonung auf verwendeten Materialien zu schaffen.

Starke Superleiten-Elektromagneten, verwendet, um heißes Plasma zu enthalten, erzeugen Tesla-Reihe magnetische Felder. Sie können Probleme mit anderen Geräten an Bord aufwerfen und können auch unerwünschtes Drehmoment erzeugen, indem sie mit dem magnetosphere aufeinander wirken. Um diese letzte Wirkung zu entgegnen, wird der VF-200 aus zwei 100-Kilowatt-Trägerrakete-Einheiten paketiert zusammen mit dem magnetischen Feld jeder in entgegengesetzten Richtungen orientierten Trägerrakete bestehen, um ein Nulldrehmoment magnetischen quadrapole zu machen.

Forschung und Entwicklung

Nach vielen Jahren, das Konzept mit NASA erforschend, hat Franklin Chang-Diaz Ad Astra Rocket Company im Januar 2005 aufgestellt, um Entwicklung des VASIMR Motors zu beginnen. Später in diesem Jahr hat die Gesellschaft einen Raumgesetz-Vertrag mit NASA geschlossen, und wurde Kontrolle des Fortgeschrittenen Raumantrieb-Laboratoriums gewährt. In diesem Laboratorium wurde ein 50-Kilowatt-Prototyp gebaut, und hat Prüfung in einem Vakuumraum erlebt. Später wurde eine 100-Kilowatt-Version entwickelt, und dem wurde von einem 200-Kilowatt-Prototyp gefolgt. Nach einem langen Zeitraum der strengen Prüfung in einem 150-M-Vakuumraum wurde die letzte Konfiguration raumwürdig gehalten, und es wurde bekannt gegeben, dass die Gesellschaft einen Vertrag geschlossen hatte, um den Motor auf der Internationalen Raumstation, in oder vor 2013 zu prüfen.

Das erste VASIMR Motormodell VX-50 hat sich erwiesen, zum Stoß fähig zu sein. Veröffentlichte Daten auf dem VX-50 Motor, der dazu fähig ist, 50 Kilowatt der Gesamtradiofrequenzmacht zu bearbeiten, haben Trägerrakete-Leistungsfähigkeit gezeigt, um als um 59 % berechnet zu sein: 90 % N Kopplungsleistungsfähigkeit × 65 % N Ion-Geschwindigkeitsaufladen-Leistungsfähigkeit. Es wurde gehofft, dass die gesamte Leistungsfähigkeit des Motors dadurch vergrößert werden konnte, Macht-Niveaus hoch zu schrauben.

Wie man

erwartete, hatte Modell VX-100 eine Trägerrakete-Leistungsfähigkeit von 72 % durch die Besserung der N Ion-Geschwindigkeitsaufladen-Leistungsfähigkeit zu 80 %. Es, gab jedoch, zusätzliche (kleinere) Leistungsfähigkeitsverluste, die mit der Konvertierung des elektrischen Gleichstrom-Stroms zur Radiofrequenzmacht und auch zum Superleiten-Magnet-Zusatzeinrichtungsenergieverbrauch verbunden sind. Vergleichsweise haben die 2009 modernsten, bewiesenen Ion-Motordesigns wie HiPEP der NASA an thruster/PPU 80-%-Gesamtenergieeffizienz funktioniert.

Die andauernde Verbesserung zum Motordesign konzentriert sich auf dem zunehmenden Macht-Niveau, das zu höherem Leistungsfähigkeitsniveau führen sollte.

Im September 2011 hat Ad Astra Company die Ergebnisse der ersten vollen Skala-Tests des VX-200 Motors veröffentlicht. Sie bestätigen, dass theoretische Vorhersagen, die Trägerrakete-Leistungsfähigkeit an 72 % [+/-9 %] an 200-Kilowatt-Macht-Niveau mit dem spezifischen Impuls von 4900 damit messen, zum Stoß-Niveau 6N entsprechen. Das vertritt viel höher Stoß und Macht-Niveau als jeder andere zurzeit vorhandene Prototyp des elektrischen Antrieb-Systems.

Entwicklung des 200-Kilowatt-Motors

Am 24. Oktober 2008 hat die Gesellschaft bekannt gegeben, dass der Plasmagenerationsaspekt des VX-200 Motors - helicon erste Stufe oder hoher Halbleiterfrequenzmacht-Sender - betrieblichen Status erreicht hatte. Die Schlüsselermöglichen-Technologie, Halbleitermacht-Verarbeitung des Gleichstromes-RF, ist sehr effiziente reichende bis zu 98 % Leistungsfähigkeit geworden. Die Helicon-Entladung verwendet 30 kWe von Funkwellen, um Argon-Benzin in Plasma zu verwandeln. Die restlichen 170 kWe der Macht werden für die vorübergehende Energie, und Beschleunigung, Plasma im zweiten Teil des Motors über die Ion-Zyklotron-Klangfülle-Heizung zugeteilt.

Gestützt auf von der vorherigen VX-100-Prüfung veröffentlichten Daten wurde es erwartet, dass der VX-200 Motor eine Systemleistungsfähigkeit von 60-65 % haben und Niveau von 5 N stoßen würde. Optimaler spezifischer Impuls ist geschienen, ringsherum 5,000s das Verwenden niedrigen Kostenargon-Treibgases zu sein. Die spezifische auf 1.5 Kg/Kilowatt geschätzte Macht hat bedeutet, dass diese Version des VASIMR Motors nur ungefähr 300 Kg wiegen würde. Eines der restlichen ungeprüften Probleme war gegen den wirklichen Stoß potenziell; d. h. ob sich das heiße Plasma wirklich von der Rakete gelöst hat. Ein anderes Problem ist überflüssiges Hitzemanagement. Ungefähr 60 % der Eingangsenergie enden als nützliche kinetische Energie. Ein großer Teil der restlichen 40 % wird sekundäre Ionisationskosten von Plasma sein, das magnetische Feldlinien durchquert, und Abschweifung erschöpfen. Ein bedeutender Teil dieser 40 % würde als überflüssige Hitze enden (sieh Energieumwandlungsleistungsfähigkeit). Das Handhaben und die Zurückweisung dieser überflüssigen Hitze sind zum Berücksichtigen dauernder Operation des VASIMR Motors kritisch.

Zwischen April und September 2009 wurden Tests auf dem VX-200 Prototyp mit völlig einheitlichen 2 tesla das Superleiten von Magneten durchgeführt. Sie haben erfolgreich die Macht-Reihe des VASIMR bis zu seiner vollen betrieblichen Fähigkeit von 200 Kilowatt ausgebreitet.

Während des Novembers 2010, der langen Dauer, wurden Vollmacht-Zündungstests mit dem VX-200 Motor durchgeführt, der die unveränderliche Zustandoperation seit 25 Sekunden so erreicht, die grundlegende Designeigenschaften gültig machen.

Ergebnisse, die NASA und Akademie im Januar 2011 präsentiert sind, haben bestätigt, dass der Designpunkt für die optimale Leistungsfähigkeit auf dem VX-200 50 Km/s-Auspuffgeschwindigkeit oder Isp von 5000 s ist. Gestützt auf diesen Daten, wie man gehalten hat, ist die Trägerrakete-Leistungsfähigkeit von 70 % durch Ad astra erreichbar gewesen, eine gesamte Systemleistungsfähigkeit (Gleichstrom-Elektrizität zur Trägerrakete-Macht) 60 % nachgebend (da der Gleichstrom zur RF Macht-Umwandlungsleistungsfähigkeit 95 zu weit geht %).

Die Prüfung in der Raumstation

Am 8. Dezember 2008 hat Ad Astra Company einen Vertrag mit NASA geschlossen, um das Stellen und die Prüfung einer Flugversion des VASIMR, des VF-200 auf International Space Station (ISS) einzuordnen., wie man voraussieht, ist sein Start 2014, obwohl es später sein kann. Der Stier II ist als der "Spitzenwettbewerber" um die Boosterrakete berichtet worden. Da die verfügbare Leistung vom ISS weniger als 200 Kilowatt ist, wird der ISS VASIMR ein Tröpfeln-beladenes Batteriesystem einschließen, 15 Minute-Pulse des Stoßes berücksichtigend.

Die Prüfung des Motors auf ISS ist wertvoll, weil es an einer relativ niedrigen Höhe umkreist und ziemlich hohe Niveaus der atmosphärischen Schinderei erfährt, periodische Zunahmen der Höhe notwendig machend. Zurzeit erfüllt das Höhe-Wiederaufladen durch chemische Raketen diese Voraussetzung. Wenn die Tests des VASIMR-Wiederaufladens des ISS gemäß dem Plan gehen, konnte die Zunahme im spezifischen Impuls bedeuten, dass die Kosten des Brennstoffs für das Höhe-Wiederaufladen ein zwanzigster von den aktuellen jährlichen Kosten von $ 210 Millionen sein werden. Wasserstoff, der durch den ISS als ein Nebenprodukt erzeugt ist, wird zurzeit in den Raum abreagiert, aber wird zum VASIMR umadressiert, um als der Brennstoff im Platz des aktuellen Argons zu handeln.

VF-200

Flugsteuerpflichtige Trägerrakete des VF-200 besteht aus zwei VASIMR Einheiten mit entgegengesetzten magnetischen Dipolen, so dass kein Nettorotationsdrehmoment auf die Raumstation angewandt wird, wenn die Trägerraketen schießen. Der VF-200-1 ist die erste Flugeinheit und wird im dem ISS beigefügten Raum geprüft.

Partnerschaft von NASA

, NASA hat 100 dem Projekt zugeteilte Menschen, mit Ad astra zu arbeiten, um den VF-200 auf die Raumstation zu integrieren.

Potenzielle zukünftige Anwendungen

VASIMR ist nicht passend, um Nutzlasten von der Oberfläche der Erde wegen seines niedrigen Verhältnisses des Stoßes zum Gewicht und seines Bedürfnisses nach einem Vakuum zu starten, zu funktionieren. Statt dessen würde es als eine obere Bühne für die Ladung fungieren, die Kraftstoffvoraussetzungen für den Transport im Raum reduzierend. Wie man erwartet, führt der Motor die folgenden Funktionen an einem Bruchteil der Kosten von chemischen Technologien durch:

• Schinderei-Entschädigung für Raumstationen
• Mondladungsübergabe
• Satellitenumpositionierung
• das Satellitenauftanken, die Wartung und die Reparatur
• in der Raumquellenwiederherstellung
• extremer schneller tiefer Raum robotic Missionen

Andere Anwendungen für VASIMR wie der schnelle Transport von Leuten zu Mars würden eine sehr hohe Macht, niedrige Massenenergiequelle wie ein Kernreaktor verlangen (sieh elektrische Kernrakete). Verwalter von NASA Charles Bolden hat gesagt, dass VASIMR Technologie die Durchbruch-Technologie sein konnte, die die Fahrzeit auf einer Mission von Mars von 2.5 Jahren bis zu den 5 Monaten reduzieren würde.

Im August 2008 hat Tim Glover, Ad astra Direktor der Entwicklung, öffentlich festgestellt, dass die erste erwartete Anwendung des VASIMR Motors Dinge [nichtmenschliche Ladung] von der Bahn der niedrigen Erde bis Niedrig-Mondbahn" das Unterstützen der Rückkehr der NASA zu Mondanstrengungen "zieht.

Verwenden Sie als ein Raumzerren oder Augenhöhlenübertragungsfahrzeug

Die wichtigste Anwendung der nahen Zukunft des VASIMR-angetriebenen Raumfahrzeugs ist Transport der Ladung. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass, trotz längerer Transitzeiten, VASIMR-angetriebenes Raumfahrzeug viel effizienter sein wird als traditionelle einheitliche chemische Raketen an bewegenden Waren durch den Raum.

Ein Augenhöhlenübertragungsfahrzeug (OTV) — im Wesentlichen ein "Raumzerren" — angetrieben durch einen einzelnen VF-200 Motor würde dazu fähig sein, ungefähr 7 Metertonnen der Ladung von der niedrigen Erdbahn (LEO) bis niedrige Mondbahn (LLO) mit ungefähr einer sechsmonatigen Transitzeit zu transportieren. NASA fasst ins Auge, ungefähr 34 Metertonnen der nützlichen Ladung zu LLO in einem einzelnen Flug mit einem chemisch angetriebenen Fahrzeug zu liefern. Um diese Reise zu machen, würden ungefähr 60 Metertonnen Treibgas des Flüssigsauerstoffes-LH2 verbrannt. Ein vergleichbarer OTV würde 5 VF-200 durch eine 1 MW Sonnenreihe angetriebene Motoren verwenden müssen. Um denselben Job zu tun, würde solcher OTV nur ungefähr 8 Metertonnen Argon-Treibgas ausgeben müssen. Die Gesamtmasse solchen elektrischen OTV würde im Rahmen 49 t sein (auslaufend & Rückbrennstoff: 9 t, Hardware: 6 t, Ladung 34 t). Die OTV-Transitzeiten können durch das Tragen leichterer Lasten reduziert werden, und/oder das Verbrauchen von mehr Argon-Treibgas mit VASIMR hat unten gedrosselt, um mich zu senken. Zum Beispiel bedeckt ein leerer OTV auf der Rückreise nach der Erde die Entfernung in ungefähr 23 Tagen am optimalen spezifischen Impuls von 5,000 s (50 kN · s/kg) oder in ungefähr 14 Tagen an mir von 3,000 s (30 kN · s/kg). Wie man annahm, war die Gesamtmasse des Spekulations-OTV von NASA (einschließlich Struktur, Sonnenreihe, Kraftstofftanks, Avionik, Treibgases und Ladung) 100 Metertonnen (98.4 lange Tonnen; 110 kurze Tonnen) erlaubend verdoppeln fast die Ladungskapazität im Vergleich zum chemisch angetriebenen Fahrzeug, aber noch größere Sonnenreihe (oder andere Quelle der Macht) fähig dazu verlangend, 2 MW zur Verfügung zu stellen.

, Ad Astra Rocket Company arbeitet zum Verwenden der VASIMR Technologie für Raumzerren-Missionen zu helfen, "das jemals wachsende Problem des Raumabfalls aufzuräumen." Sie hoffen, eine erste Generation kommerzielles Angebot vor 2014 zu haben.

Kritiken von VASIMR

Robert Zubrin ist gegenüber dem VASMIR kritisch, der behauptet, dass es weniger effizient ist als andere elektrische basierte Trägerraketen, die jetzt betrieblich sind. Zubrin glaubt auch, dass elektrischer Antrieb nicht notwendig ist, um zu Mars zu kommen, und deshalb Budgets nicht damit beauftragt werden sollten, es zu entwickeln. Sein zweiter Punkt der Kritik konzentriert sich auf den Mangel an der passenden Macht-Quelle.

Siehe auch

• Plasmaträgerrakete von Electrodeless
• Helicon doppelte Schicht-Trägerrakete
• Trägerrakete von Magnetoplasmadynamic
• Ion-Trägerrakete
• Pulsierte Plasmaträgerrakete
• Sonnenkollektoren auf dem Raumfahrzeug
• Raumfahrzeugantrieb

Liste von Plasma (Physik) Artikel

• Nano-Partikel-Feldförderungsträgerrakete

Zusätzliche Mittel

Außenverbindungen

• Ad Astra Rocket Company
• Vergleich von Rakete-Technologien an Adastrarocket.com
• "Plasmarakete" (Video). Rand. Wissenschaft. Am 18. Dezember 2008.

Dokumente von NASA

• Technisches Papier: Schnelle Durchfahrten von Mars mit dem auspuffabgestimmten Plasmaantrieb (PDF)
• Variabler spezifischer Impuls Magnetoplasma Rakete (technologischer Schriftsatz)
• Fortgeschrittenes Raumantrieb-Laboratorium: VASIMR
• Antrieb-Systeme der Zukunft