Plazmový pohonný motor - Plasma propulsion engine

"Plasma engine" přeadresuje tady. Motor herních her najdete v části Plasma (engine) .
Tryska během zkušební palby
Umělecké ztvárnění plazmového motoru VASIMR

Plasma hnací motor je druh elektrického pohonu , který generuje tah z kvazi-neutrální plazma . To je v kontrastu s iontovými tryskovými motory, které generují tah extrakcí iontového proudu ze zdroje plazmy , který je pak pomocí mřížek/ anod zrychlován na vysoké rychlosti . Ty existují v mnoha formách (viz elektrický pohon ). Ve vědecké literatuře však termín „ plazmový propeler “ někdy zahrnuje trysky obvykle označené jako „ iontové motory “.

Plazmové trysky obvykle nepoužívají vysokonapěťové mřížky nebo anody/ katody ke zrychlení nabitých částic v plazmě, ale spíše využívají proudy a potenciály, které jsou generovány interně ke zrychlení iontů, což má za následek nižší rychlost výfukových plynů vzhledem k nedostatku vysokých urychlovacích napětí .

Tento typ tryskače má řadu výhod. Absence vysokonapěťových mřížek anod odstraňuje možný omezující prvek v důsledku eroze mřížkových iontů. Plazmový výfuk je „kvazi neutrální“, což znamená, že kladné ionty a elektrony existují ve stejném počtu, což umožňuje jednoduchou rekombinaci iontů a elektronů ve výfuku k neutralizaci výfukového plynu, čímž se odstraní potřeba elektronového děla (dutá katoda). Taková tryska často generuje zdrojové plazma pomocí rádiové frekvence nebo mikrovlnné energie pomocí externí antény . Tato skutečnost v kombinaci s absencí dutých katod (které jsou citlivé na všechny kromě vzácných plynů ) umožňuje možnost použití této trysky na různé pohonné látky, od argonu přes směsi vzduchu a oxidu uhličitého po kosmonautickou moč .

Plazmové motory jsou vhodnější pro meziplanetární mise.

Mnoho vesmírných agentur vyvinulo plazmové pohonné systémy, včetně Evropské vesmírné agentury , Íránské vesmírné agentury a Australské národní univerzity , kteří společně vyvinuli dvouvrstvou trysku .

Dějiny

Některé plazmové motory zaznamenaly aktivní dobu letu a využití při misích. V roce 2011 NASA uzavřela partnerství s Busekem a vypustila na palubu satelitu Tacsat-2 první halový propeler . Hnací motor byl hlavním pohonným systémem satelitu. Toho roku společnost uvedla na trh další halový efekt. V roce 2020 publikoval výzkum plazmového paprsku Wuhanská univerzita .

Ad Astra Rocket Company vyvíjí VASIMR. Kanadská společnost Nautel vyrábí vysokofrekvenční generátory 200 kW potřebné k ionizaci paliva. Některé testy komponentů a experimenty „Plasma Shoot“ se provádějí v laboratoři v Libérii v Kostarice . Tento projekt vede bývalý astronaut NASA Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-USA).

Kostarická letecká aliance oznámila vývoj vnější podpory pro VASIMR, který bude umístěn mimo Mezinárodní vesmírnou stanici . Očekávalo se, že tato fáze plánu testování VASIMR ve vesmíru bude provedena v roce 2016.

Výhody

Plazmové motory mají mnohem vyšší hodnotu specifického impulzu ( I sp ) než většina ostatních typů raketových technologií. VASIMR hnací jednotka může být škrtit za impulsní Větší než 12000 s, a sál trysky dosáhli ~ 2000 S. Jedná se o významné zlepšení oproti bipropellantovým palivům konvenčních chemických raket, které mají specifické impulzy ~ 450 s. S vysokým impulzem jsou plazmové trysky schopné dosáhnout relativně vysokých rychlostí po delší dobu zrychlení. Bývalý astronaut Franklin Chang-Diaz tvrdí, že raketa VASIMR by mohla odeslat užitečné zatížení na Mars za pouhých 39 dní a přitom dosáhnout maximální rychlosti 34 mil za sekundu (55 km/s).

Některé plazmové trysky, jako například mini-helicon, jsou oslavovány pro svou jednoduchost a účinnost. Jejich teorie provozu je relativně jednoduchá a může používat různé plyny nebo kombinace.

Tyto vlastnosti naznačují, že plazmové trysky mají hodnotu pro mnoho profilů misí.

Nevýhody

Možná nejvýznamnější výzvou pro životaschopnost plazmových trysek je energetický požadavek. Například motor VX-200 vyžaduje 200 kW elektrického výkonu k vytvoření 5 N tahu nebo 40 kW/N. Tento požadavek na výkon může být splněn štěpnými reaktory, ale hmotnost reaktoru (včetně systémů pro odvádění tepla) se může ukázat jako nepřiměřená.

Další výzvou je eroze plazmy. Během provozu může plazma tepelně brousit stěny dutiny tryskače a podpůrnou strukturu, což může nakonec vést k selhání systému.

Kvůli extrémně nízkému tahu nejsou plazmové motory vhodné pro start na oběžnou dráhu Země. V průměru tyto rakety poskytují maximum asi 2 libry tahu. Plazmové trysky jsou vysoce účinné v otevřeném prostoru, ale nedělají nic, aby vyrovnaly náklady na oběžnou dráhu chemických raket.

Typy motorů

Helikonové plazmové trysky

Hlavní článek: Helicon dvouvrstvý propeler

Helikonové plazmové trysky používají nízkofrekvenční elektromagnetické vlny (helikonové vlny), které existují uvnitř plazmatu, když jsou vystaveny statickému magnetickému poli. RF anténa , která obepíná kolem plynové komoře vytváří vlny a excituje plyn, vytváří plazma. Plazma je vytlačována vysokou rychlostí a vytváří tah pomocí strategií zrychlení, které vyžadují různé kombinace elektrických a magnetických polí ideální topologie . Patří do kategorie bezelektrodových trysek. Tyto rakety podporují více pohonných hmot, díky čemuž jsou užitečné pro delší mise. Mohou být vyrobeny z jednoduchých materiálů, včetně skleněné lahve sody.

Magnetoplasmadynamické trysky

Hlavní článek: Magnetoplasmadynamic thruster

Magnetoplasmadynamické trysky (MPD) používají Lorentzovu sílu (sílu vyplývající z interakce mezi magnetickým polem a elektrickým proudem ) ke generování tahu. Elektrický náboj procházející plazmou v přítomnosti magnetického pole způsobuje zrychlení plazmy . Lorentzova síla je také velmi důležité pro provoz většiny pulzních plazmových trysek .

Pulzní indukční trysky

Hlavní článek: Pulzní indukční tryska

Pulzní indukční trysky (PIT) také používají Lorentzovu sílu ke generování tahu, ale nepoužívají elektrody, čímž řeší problém s erozí. Ionizace a elektrické proudy v plazmě jsou indukovány rychle se měnícím magnetickým polem.

Bezelektrodové plazmové trysky

Hlavní článek: Bezelektrodový plazmový propeler

Bezelektrodové plazmové trysky využívají ponderomotorickou sílu, která působí pod vlivem silného gradientu hustoty elektromagnetické energie na jakýkoli plazmat nebo nabité částice, aby urychlily plazmové elektrony a ionty ve stejném směru, čímž pracují bez neutralizátoru.

VASIMR

VASIMR

Hlavní článek: Variabilní specifická impulsní magnetoplazmatická raketa

VASIMR, krátký pro vasimr, využívá rádiové vlny k ionizaci se hnacího plynu do plazmy. Magnetické pole pak urychluje plazmy z motoru, vytváří tah . 200 megawattový motor VASIMR by mohl zkrátit dobu cesty ze Země na Jupiter nebo Saturn ze šesti let na čtrnáct měsíců a ze Země na Mars ze 6 měsíců na 39 dní.

Viz také

Reference

  1. ^ Mazouffre, Stéphane (2016-06-01). „Elektrický pohon satelitů a kosmických lodí: zavedené technologie a nové přístupy“. Plazmové zdroje Věda a technologie . 25 (3): 033002. doi : 10,1088/0963-0252/25/3/033002 .
  2. ^ „Australská národní univerzita vyvíjí helikonový plazmový propeler“ . Dvice. Leden 2010 . Vyvolány 8 June 2012 .
  3. ^ „Společnost NS pomáhá budovat plazmovou raketu“ . cbcnews. Leden 2010 . Citováno 24. července 2012 .
  4. ^ "Plazmový motor prošel počátečním testem" . BBC News . 14. prosince 2005.
  5. ^ a b „Plazmové proudové motory, které by vás mohly přenést ze země do vesmíru“ . Nový vědec . Citováno 2017-07-29 .
  6. ^ a b "TacSat-2" . www.busek.com . Citováno 2017-07-29 .
  7. ^ "Mohla by tato čínská plazmová pohon uskutečnit cestování zeleným vzduchem?" . South China Morning Post . 8. května 2020.
  8. ^ a b „Cestování vesmírem podporované plazmovými tryskami: minulost, současnost a budoucnost | DSIAC“ . www.dsiac.org . Archivováno od originálu dne 2017-08-08 . Citováno 2017-07-29 .
  9. ^ „Antihmota na iontové pohony: plány NASA pro pohon ve vesmíru“ . Časopis Cosmos . Citováno 2017-07-29 .
  10. ^ a b „Raketa si klade za cíl levnější posuny ve vesmíru; plazmová tryska je malá, jezdí na levných plynech“ . ScienceDaily . Citováno 2017-07-29 .
  11. ^ "Technické informace | Ad Astra Rocket" . www.adastrarocket.com . Citováno 2020-06-01 .
  12. ^ „Plazmový motor 123 000 MPH, který by konečně mohl dopravit astronauty na Mars“ . Populární věda . Citováno 2017-07-29 .
  13. ^ „Cestování na Mars s nesmrtelnými plazmovými raketami“ . Citováno 2017-07-29 .

externí odkazy