От редактора. В сообщении NASA от 14 июня говорилось о перспективном магнитоплазменном двигателе с переменным импульсом (VASIMR), который мог бы сократить время полета к Марсу. С 17 по 19 июля в Хантсвилле, штат Алабама, проходила 36-я совместная конференция по двигателям AIAA/ASME/SAE/ASEE, на которой были представлены 4 статьи, посвященные разработке и испытаниям VASIMR. Предлагаем вашему вниманию сокращенное изложение одной из статей.
Физика и конструкция двигателя VASIMR
По материалам статьи AIAA 2000-3756
Двигатель VASIMR состоит из трех связанных магнитных отсеков, каждый из которых выполняет определенную функцию. В первом отсеке производится подача газообразного топлива и его ионизация. Газ ионизируется в устройстве, известном как геликон (от греч. helix - спираль), где на него воздействуют радиоволнами в присутствии магнитного поля. При этом создается относительно холодная (около 5 эВ) и плотная (1018 м-3) плазма. Центральный отсек действует как усилитель для разогрева плазмы. В нем радиоволны, находящиеся в резонансе с циклотронным движением ионов вокруг линий магнитного поля, передают плазме часть своей энергии. Этот процесс, известный как ионный циклотронный резонансный нагрев (ICRH), широко используется для разогрева плазмы в устройствах управляемого термоядерного синтеза. Сейчас в качестве топлива, наиболее пригодного для ICRH, выбирают водород или дейтерий, благодаря их малому атомному весу и малым потерям на излучение. Последний отсек представляет собой магнитное сопло, конвертирующее энергию плазмы в направленный поток для создания тяги. При этом большая азимутальная составляющая кинетической энергии ионов, выходящих из центрального отсека, преобразуется в осевую составляющую, при сохранении полной энергии ионов. Магнитное сопло обеспечивает также эффективное отделение плазмы от магнитного поля, при котором лишь небольшая часть "вмороженного" магнитного поля уносится со струей.
Важной особенностью двигателя VASIMR является возможность изменения тяги и удельного импульса при сохранении постоянной мощности. Эта техника получила название "дросселирование постоянной мощности" (constant power throttling - CPT). При этом увеличение скорости истечения струи всегда происходит за счет тяги, и наоборот. Хотя CPT не приводит к уменьшению использования топлива, оно дает максимально возможную скорость при заданном количестве топлива.
Инженерные аспекты
Осуществление CPT в двигателе VASIMR обеспечивается несколькими способами. Наиболее важным из них является изменение соотношения мощности, передаваемой радиоволнами для образования плазмы в геликоне, с одной стороны, и для разогрева ионов в центральном отсеке, с другой. На режимах большой тяги большая часть общей мощности радиоволн направляется в геликон, создавая более плотную плазму, но для ее нагрева используется меньше энергии. Для создания большого удельного импулься Isp, напротив, большая часть мощности направляется в центральный отсек, в результате чего получается более горячий, но менее плотный поток с меньшей тягой. Но в каждом случае важно достичь высокого уровня ионизации и минимизировать потери мощности в геликоновом источнике. Общая подаваемая мощность поддерживается на постоянном максимальном значении для эффективного использования источника электроэнергии.
Магнитное поле будет создаваться высокотемпературными сверхпроводниками. В настоящее время при величине поля около 1 Т планируется использовать состав из оксида меди, висмута, стронция и кальция. Эти магниты будут использовать криогенное топливо для охлаждения и многослойную теплоизоляцию. Предварительная разработка малого прототипа магнита уже завершена, и одна из секций будет изготовлена и доставлена в лабораторию для испытаний в начале 2001 года. Хотя критическая температура этих материалов более 100 К, магнит будут испытывать при 35 К для обеспечения большого рабочего диапазона.
Другая важная область конструирования - миниатюризация системы генерации энергии и ее доставки (усилители, линии передачи и антенны). Используемая сейчас твердотельная технология может обеспечить мощность до 50 КВт. Переход к высокомощному VASIMR потребует использования технологии вакуумной трубки. Лабораторные тетродные трубки при мощности 100-200 КВт используются уже много лет. Но эти приборы не производились для работы в космических условиях, и тут есть над чем поработать инженерам. В любом случае, имеющиеся сейчас ограничения в космической электроэнергии заставляют разрабатывать в первую очередь маломощные устройства. Поэтому наша исследовательская группа сконструировала модульные твердотельные радиочастотные усилители для уровня 1 КВт. Эти устройства сейчас проходят лабораторные испытания.
Ряд ключевых элементов разрабатываемого двигателя будет испытан на первом летном демонстрационном образце. Это устройство, названное двигателем VF-10, составляет часть космического аппарата для отработки перспективной двигательной технологии, известного как радиационный и технологический демонстратор (Radiation and Technology Demonstrator - RTD). Этот КА на солнечных батареях мощностью 10 КВт будет оборудован двигателем VASIMR, работающим при постоянном значении Isp = 10000 с и тяге 0.1 Н. VF-10 будет использовать новые высокомощные твердотельные радиочастотные усилители и сверхпроводящий магнит с большой критической температурой Tc, создающий максимальное поле 0.6 Т. Первая летная демонстрация технологии VASIMR планируется на середину 2004 года.
Применение к пилотируемым космическим экспедициям
Для демонстрации преимуществ двигателя VASIMR был проведен расчет возможного сценария пилотируемой экспедиции к Марсу. При этом суммарная мощность кластера из трех двигателей и атомного реактора считалась равной 12 МВт. На рис.1 показан вариант возможной архитектуры такого корабля. В нем баки с водородом используются в качестве эффективной противорадиационной защиты.
 Рис.1 |
188-тонный пилотируемый корабль покидает околоземную орбиту (LEO) 6 мая 2018 года и доставляет полезную нагрузку массой 60.8 тонн на Марс за 115 дней. (Сейчас рекорд минимального времени полета к Марсу, равный 131 суткам, принадлежит американскому КА Mariner 7, стартовавшему 27.03.1969 и пролетевшему около планеты 05.08.1969 - V.B.) При этом в течение первых 30 дней происходит разгон по раскручивающейся спирали вокруг Земли, а затем, через 85 дней полета по гелиоцентрической траектории, происходит первая встреча с Марсом, при которой экипаж совершает посадку. Еще через 131 день корабль второй раз встречается с Марсом и по снижающейся спирали в течение 7 дней выходит на околомарсианскую орбиту, ожидая возвращения экипажа.
На первом этапе (раскручивающаяся спираль) двигатели работают при постоянном удельном импульсе Isp = 3000 с, что соответствует режиму максимальной тяги. После этого Isp и тяга изменяются по оптимальному графику, обеспечивая прибытие корабля к Марсу с относительной скоростью 6.8 км/с. На рис.2 показан график изменения Isp. В течение всего полета поддерживается постоянная максимальная мощность.
 Рис.2 |
Сценарий возвращения аналогичен. Разгон по раскручивающейся спирали вокруг Марса занимает только 4 дня, благодаря уменьшившемуся весу корабля и меньшей гравитации. После этого полет к Земле происходит в течение тех же 85 дней. Экипаж совершает посадку, а корабль либо остается на высокой орбите, либо отправляется на Солнце или уходит из Солнечной системы.
При расчетах исследовалась возможность аварийного возвращения корабля в различных ситуациях. Рассматривались случаи аварий, приводящих к потере мощности двигателя или запасов топлива, а также серьезных сбоев, не связанных с топливной системой. Так, при аварии на 9-й день полета по гелиоцентрической траектории (39-й день после старта с LEO) возможно возвращение на Землю в течение 75 дней, даже если при аварии была потеряна треть остатка топлива. В случае аварии на 14-й день полета по гелиоцентрической траектории при отсутствии потерь топлива и отказов двигателей возможно возвращение в течение 125 дней. Наконец, при аварии на 60-й день полета по гелиоцентрическому участку время возвращения составит 370 дней.
Если сравнивать рассмотренный сценарий пилотируемой марсианской экспедиции с базовым проектом NASA (Mars Reference Mission), предусматривающим использование ядерного и химических двигателей, то общие сроки значительно сокращаются. Кроме того, в базовом проекте во всех рассмотренных выше аварийных ситуациях потребовалось бы лететь к Марсу и ожидать на его орбите или на поверхности открытия "окна" для возвращения, не имея возможности вернуться на Землю раньше.
Перевод: V.B.
