Плазменные ракетные двигатели – революция в космических полетах - 25 Июня 2010

К 2014 году на борту МКС пройдут испытания Магнитно-плазменного двигателя с регулируемым удельным импульсом – VASIMR – компании Ad Astra Rocket. Двигатель столь эффективен, что только применение его на борту самой станции для подъема орбиты может привести к ежегодной экономии в $200 миллионов (Плакат Ad Astra Rocket, NYT, БНБ) (кликните картинку для увеличения)

Ракетные двигатели на химическом топливе требуют, чтобы космический корабль нес все компоненты топлива, требуемые для миссии. Двигатель VASIMR использует в качестве топлива небольшое количество газа аргон – одного из самых стабильных элементов в периодической таблице. Но одной из главных новшеств конструкции VASIMR является степень использования им электрической энергии – возобновляемого ресурса в условиях космоса.

«Для того, чтобы отправиться за пределы Луны к Марсу и далее, мы нуждаемся в совершенно новой транспортной технологии», - говорит Чанг-Диас. «Мы рассматриваем VASIMR, как «рабочую лошадку» в [новой] инфраструктуре транспортировки».

Плазменные ракетные двигатели могли бы сократить время перелета для миссий по Солнечной системе. Одна из отстаиваемых Чанг-Диасом концепций включает 39 – дневную миссию к Марсу, но это предполагает скачок в области космических ядерных энергоустановок.

Частная собственность

Первоначально финансируемый НАСА проект VASIMR прошел путь от чертежной доски до реального воплощения после того, как в 2005 году были переданы в частную собственность соответствующие исследования по плазменным двигателям. В лабораториях компании Ad Astra Rocket в Хьюстоне и Коста-Рике конструкторы продвинули двигатель VASIMR ближе к полету [летному изделию].

«За пять лет мы сделали ряд довольно больших скачков с точки зрения допустимой мощности и эффективности источника плазмы», - заявил Тим Гловер [Tim Glover, директор по развитию компании Ad Astra Rocket].

НАСА измеряет степень готовности разрабатываемых технологий по шкале от 1 до 10. «Когда технология готова к полету, то это 6 - ой уровень. Уровень 7 означает реализацию технологии в уже летающем изделии», - рассказывает Чанг-Диас, работающий над технологией плазменных двигателей с 1970-х. VASIMR уже на 6 – ом уровне.

«Я всегда полагал, что есть способ использовать высокотемпературную плазму и разработать ракетные двигатели, с которыми будет возможно перемещаться значительно быстрее, чем с существующими сегодня двигателями», - поясняет Чанг-Диас.

Ученому пришлось отвлечься от тематики плазменных двигателей, когда в 1980 он был отобран в отряд астронавтов НАСА. Сейчас ему 60 лет и он один из двух астронавтов, участвовавших в 7 - ми космических миссиях. В промежутке между подготовкой к миссиям шаттла Чанг-Диас проводил исследования плазмы сначала в Массачусетском Технологическом Институте [MIT], затем в Космического центра имени Джонсона [НАСА]. Но в 2005 году НАСА решает отменить исследования перспективных двигательных установок для оплаты программы «Созвездие» по возвращению людей на Луну, вытолкнув данную работу в частный сектор.

«Перед лицом такой зловещей перспективы для нашего проекта я предложи НАСА, чтобы мы его приватизировали», - говорит Чанг-Диас. «К моему изумлению, они согласились, что это хорошая идея. Так, по соглашению о приватизации с НАСА, лаборатория, которую я возглавлял, была преобразована в частное юридическое лицо» и была рождена Ad Astra Rocket Со.

Чанг-Диас привлек инвестиции из США, Европы и его родной Коста-Рики на общую сумму в несколько десятков миллионов долларов, что, по его словам, в десять раз больше, чем сумма, потраченная НАСА за все время проекта. В настоящее время компания насчитывает 40 сотрудников в Хьюстоне и Коста-Рики. С момента приватизации лаборатории приток финансов ускорил разработку двигателя VASIMR от 2 – го до 6 –го уровня готовности.

«Это заняло лишь 5 лет, а за предыдущие 25 лет мы поднялись только с 0 до 2», - поясняет Чанг-Диас. «За эти пять лет мы достигли значительного прогресса. Вот, что происходит, когда у вас есть деньги».

Предложение администрации Обамы отменить программу «Созвездие» и переориентировать НАСА на развитие новых технологий для исследования Солнечной системы поместило VASIMR в центр внимания.

«Президент Обама решил, что НАСА должно вернуться к своим корням и продолжить финансирование проектов перспективных технологий», - говорит Чанг-Диас. «Мы почти вернулись к исходной точке, где НАСА снова проявляет интерес [к VASIMR]».

Теплая дружба Чанг-Диаса и главы НАСА Чарльза Болдена [Charles Bolden] тоже не помешает, заявил Гловер. Чанг-Диас и Болден в двух миссиях вместе летали в космос и остаются близкими друзьями сегодня.

«Чарли и я – очень хорошие друзья», - рассказывает Чанг-Диас. «Я думаю, что у него правильный подход, он объединяет людей. Вместе с тем, он обладает высокими личностными качествами и высоким уровнем технических знаний».

Болден ссылается на VASIMR как на пример новый технологий, к которым должно стремиться НАСА.

«Позволить кому-то, как доктор Франклин Чанг-Диас, или кому-то другому, занимающемуся исследованиями в области ионных двигателей помочь нам разработать межпланетный двигатель, который изменит правила игры и позволит сократить в два раза время путешествия к Марсу – вот что поможет», - заявил Болден на пресс-конференции ранее в этом году.

Представители компании Ad Astra Rocket заявили, что они приветствуют интерес НАСА к их проекту, но настаивают на продолжении разработки двигателя в частном секторе.

«Я не хочу, чтобы НАСА играло критически важную роль [в проекте], потому что никогда не знаешь, что произойдет с НАСА», - объясняет Чанг-Диас. «Я не считаю это надежным в данный момент».

VASIMR

В настоящее время Ad Astra Rocket проводит испытания наземной двухступенчатой версии двигателя VASIMR внутри вакуумной камеры в Хьюстоне. 200 – киловаттный двигатель VX-200 совсем не походит на обычный ракетный двигатель, например, в силовой установке отсутствует камера сгорания.

Компания провела успешные испытания наземного двигателя в 200 - киловаттном исполнении в конце 2009 года, но заданные уровни мощности были достигнуты только на короткие интервалы времени в доли секунды. Инженеры планируют продолжить испытания VX-200, чтобы достигнуть более длительной работы двигателя на заданной мощности.

Наземные испытания в данное время основываются на использовании низкотемпературных сверхпроводящих катушек, но более серьезная демонстрация в космосе будет использовать более долговечные материалы, способных работать при намного более высоких температурах в течение более длительных интервалов работы двигателя.

«Высокотемпературная сверхпроводящая лента – многообещающая для нас технология», - поясняет Гловер.

Плазма внутри двигателя VASIMR удерживается мощными катушками сверхпроводящего магнита – ключевого технологического прорыва, опоясывающего весь двигатель, ускоряя перегретую плазму для создания тяги.

Аргон, топливо двигателя, сперва проходит через узел первой ступени, где происходит ионизация газа, электроны удаляются из атома. Первая ступень нагревает газ до 10000 K, рассказывает Джаред Сквайр [Jared Squire, директор по науке Ad Astra Rocket]

«Это подобно тому, что вы делаете в паровой машине, когда вы сначала кипятите воду, чтобы получить пар», - поясняет Сквайр.

На второй ступени двигателя VASIMR прикладывается больше электромагнитной энергии к плазме посредством ионно-циклотронного нагрева. Плазма истекает из сопла двигателя со скоростью более 177000 км/ч. Согласно Сквайру, температура в выхлопной струе может достигать 10⁶ K.

Испытания в космосе

Руководители компании планируют определить проблемные моменты технологии до запуска летного образца двигателя на Международную космическую станцию [МКС] в 2014 для орбитальной демонстрационной программы. Гловер сообщил, что в испытаниях на станции будут использована связка из двух двигателей по 100 киловатт каждый.

4,5 – тонная связка двигателей будет доставлена на МКС одним из коммерческих грузовых кораблей, который разрабатывают SpaceX и Orbital Sciences.

VASIMR получил возможность летных испытаний на МКС благодаря Соглашению о космической деятельности, подписанному с НАСА в 2008 году. Не предусматривающий обмен фондами контракт обязывает Ad Astra Rocket и НАСА пройти через пять ключевых точек до испытательного полета. Стороны уже закончили соглашение об интеграции полезной нагрузки, следующим шагом станет предварительная экспертиза проекта двигателя VASIMR в 2011 году. Ad Astra Rocket рассчитывает, что после выполнения демонстрационных задач VASIMR может быть использован для регулярных подъемов орбиты станции.

«Если эксплуатация МКС действительно продляется до 2020 года, то международные партнеры могут сойтись во мнении, что хотели бы использовать электроракетный двигатель для подъема орбиты», - говорит Гловер. «Тогда, вероятно, придется подождать пока действующие соглашения о подъеме орбиты с Россией и Европой подойдут к концу, а потом можно будет заявить, что компания Ad Astra Rocket уже продемонстрировала эту систему на МКС. Рассмотрим сколько денег можно сэкономить, используя эту систему для подъема орбиты?»

Гловер заявил, что подобный шаг позволит программе станции ежегодно экономить $200 миллионов и 7 тонн топлива. Эти деньги и масса [в грузовом потоке] могут быть перенаправлены на нужды научных экспериментов на борту комплекса.

К астероидам, Марсу и далее

Ad Astra Rocket устремила свой взор за пределы земной орбиты. Компания полагает, что VASIMR сделает реальностью полеты к Марсу и астероидам. Так случилось, что эти объекты – новая цель программы пилотируемых исследований НАСА [в обход Луны].

«Мы должны добраться до Марса быстро», - рассказывает Чанг-Диас. «Перелет к Марсу не может длиться шесть, семь или восемь месяцев, иначе все равно, что лезть на рожон».

Согласно Чанг-Диасу, даже если химические двигатели доставят людей на Марс, то программа будет нерациональной из-за большой длительности перелета и высокой стоимости. Разрабатываемые его компанией двигатели по определению являются высокомощными и конструкцию можно масштабировать до десятков мегаватт. Двигатели мегаваттного класса потребуются для существенного расширения присутствия в Солнечной системе. Разрабатываемый в настоящее время 200 – киловаттный двигатель найдет применение на земной орбите или [далее] в многодвигательных сборках.

Но возможен ли в реальности 39 – дневный пилотируемый полет к Марсу? Ad Astra Rocket заявляет – да, возможен, но с оговорками. Это потребует значительного прогресса в области ядерных энергоустановок, а точка отправления такого корабля должна будет располагаться где-то высоко на земной орбите [у выхода из гравитационного колодца].

«С точки зрения мощности корабль для 39 – дневного перелета к Марсу не сильно отличается от аэробуса 747», - рассказывает Чанг-Диас. «Когда люди слышат, что мы хотим использовать 200 – мегаваттный корабль для полета на Марс, они съеживаются и начинают спрашивать, как вы собираетесь получить такую мощность?».

Существующие технологии производства электроэнергии в космосе не в состоянии генерировать требуемую мощность для питания нескольких плазменных двигателей мегаваттного класса в течение многих недель.

«Это требует действительно легких источников питания, чтобы на 1 килограмм приходился 1 киловатт, но это выполнимо», - заявил Гловер.

Источник питания

Согласно Гловер, главным показателем эффективности плазменных двигателей [речь обо всей двигательной установке, включая генератор] – это отношение веса к мощности, число килограмм необходимых для генерации киловатта электроэнергии. Панели солнечных батарей имеют массу около 20 килограмм на каждый генерируемый им киловатт. Лучшие ядерные реакторы, сконструированные для космических полетов, имеют удельную массу в 45 килограмм.

Пентагон и компания Боинг разрабатывают следующее поколение солнечных батарей с целью достижения отношения веса к мощности в 7 килограмм на ватт, согласно Агентству перспективного планирования научно-исследовательских работ Министерства обороны США [DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency]. Инженеры предсказывают, что ядерные энергоустановки достигнут эффективности в несколько килограммов на один киловатт в течение двух ближайших десятилетий.

Даже если 39 – дневный перелет к Марсу – это все еще лишь далекая мечта, руководители Ad Astra Rocket уверены, что время перелета для небольших миссий может быть сокращено уже к 2020 году, в том числе благодаря неизбежному прорыву в технологии солнечных батарей.

«Технологии солнечной космической энергетики очень впечатляют и вскоре они могут быть использованы для демонстрационных полетов, но они не отправят нас очень далеко. В конечном счете, нам понадобится ядерная энергетика».

Плазменные ракетные двигатели – революция в космических полетах

Наземные испытания двигателя VX-200

Мини-фильм National Geographic про VASIMR