El cohete de magnetoplasma de impulso específico variable ( VASIMR ) es un propulsor electrotérmico en desarrollo para su posible uso en la propulsión de naves espaciales . Utiliza ondas de radio para ionizar y calentar un propulsor inerte , formando un plasma, luego un campo magnético para confinar y acelerar el plasma en expansión , generando empuje . Es un motor de propulsión de plasma , uno de varios tipos de sistemas de propulsión eléctrica de naves espaciales . [1]
El método VASIMR para calentar plasma se desarrolló originalmente durante la investigación de la fusión nuclear . VASIMR está destinado a cerrar la brecha entre los cohetes químicos de alto empuje y bajo impulso específico y la propulsión eléctrica de bajo empuje y alto impulso específico, pero aún no ha demostrado un alto empuje. El concepto VASIMR se originó en 1977 con el ex astronauta de la NASA Franklin Chang Díaz , quien ha estado desarrollando la tecnología desde entonces. [2]
Diseño y operación
VASIMR es un tipo de propulsor de plasma electrotérmico / propulsor de magnetoplasma electrotérmico. En estos motores, un propulsor neutro e inerte se ioniza y calienta mediante ondas de radio. Luego, el plasma resultante se acelera con campos magnéticos para generar empuje. Otros conceptos relacionados con la propulsión de naves espaciales eléctricas son el propulsor de plasma sin electrodos , el cohete de chorro de arco de microondas y el propulsor inductivo pulsado . Cada parte de un motor VASIMR está blindada magnéticamente y no entra en contacto directo con el plasma, lo que aumenta la durabilidad. Además, la falta de electrodos elimina la erosión del electrodo que acorta la vida útil de los diseños de propulsores de iones convencionales . [ cita requerida ]
El propulsor, un gas neutro como el argón o el xenón , se inyecta en un cilindro hueco revestido con electroimanes. Al entrar en el motor, el gas se calienta primero a un "plasma frío" mediante una antena / acoplador de RF de helicón que bombardea el gas con energía electromagnética, a una frecuencia de 10 a 50 MHz , [3] quitando electrones de los átomos propulsores y produciendo un plasma de iones y electrones libres. Al variar la cantidad de energía de calentamiento de RF y plasma, se afirma que el VASIMR es capaz de generar un escape de impulso de bajo empuje y alto específico o un escape de impulso de empuje relativamente alto y bajo específico. [4] La segunda fase del motor es un potente electroimán de configuración de solenoide que canaliza el plasma ionizado, actuando como una boquilla convergente-divergente como la boquilla física en los motores de cohetes convencionales.
Un segundo acoplador, conocido como sección de calentamiento de ciclotrón de iones (ICH), emite ondas electromagnéticas en resonancia con las órbitas de iones y electrones a medida que viajan a través del motor. La resonancia se logra mediante una reducción del campo magnético en esta parte del motor que ralentiza el movimiento orbital de las partículas de plasma. Esta sección calienta aún más el plasma a más de 1.000.000 K (1.000.000 ° C; 1.800.000 ° F), aproximadamente 173 veces la temperatura de la superficie del Sol . [5]
La trayectoria de los iones y electrones a través del motor se aproxima a las líneas paralelas a las paredes del motor; sin embargo, las partículas en realidad orbitan esas líneas mientras viajan linealmente a través del motor. La sección final, divergente, del motor contiene un campo magnético en expansión que expulsa los iones y electrones del motor a velocidades de hasta 50.000 m / s (180.000 km / h). [4] [6]
Ventajas
A diferencia de los procesos típicos de calentamiento por resonancia de ciclotrón , los iones VASIMR se expulsan inmediatamente de la boquilla magnética antes de lograr una distribución térmica . Basado en un nuevo trabajo teórico realizado en 2004 por Alexey V. Arefiev y Boris N. Breizman de la Universidad de Texas en Austin , prácticamente toda la energía en la onda de ciclotrón de iones se transfiere uniformemente al plasma ionizado en un proceso de absorción de ciclotrón de un solo paso. Esto permite que los iones salgan de la boquilla magnética con una distribución de energía muy estrecha y una disposición de imanes compacta y significativamente simplificada en el motor. [4]
VASIMR no utiliza electrodos; en cambio, protege magnéticamente el plasma de la mayoría de las piezas de hardware, eliminando así la erosión del electrodo, una de las principales fuentes de desgaste en los motores de iones. [7] En comparación con los motores cohete tradicionales con tuberías muy complejas, válvulas de alto rendimiento, actuadores y turbobombas, VASIMR casi no tiene partes móviles (aparte de las menores, como válvulas de gas), lo que maximiza la durabilidad a largo plazo. [ cita requerida ]
Desventajas
Según Ad Astra a partir de 2015, el motor VX-200 requiere una potencia eléctrica de 200 kW para producir 5 N de empuje, o 40 kW / N. [6] Por el contrario, el propulsor de iones NEXT convencional produce 0,327 N con solo 7,7 kW, o 24 kW / N. [6] Hablando eléctricamente, NEXT es casi el doble de eficiente y completó con éxito una prueba de 48.000 horas (5,5 años) en diciembre de 2009. [8] [9]
También surgen nuevos problemas con VASIMR, como la interacción con campos magnéticos fuertes y la gestión térmica. La ineficiencia con la que opera VASIMR genera un calor residual sustancial que debe canalizarse sin crear una sobrecarga térmica y estrés térmico. Los electroimanes superconductores necesarios para contener el plasma caliente generan campos magnéticos de rango tesla [10] que pueden causar problemas con otros dispositivos a bordo y producir un par no deseado por interacción con la magnetosfera . Para contrarrestar este último efecto, se pueden empaquetar dos unidades propulsoras con campos magnéticos orientados en direcciones opuestas, formando un cuadrupolo magnético neto de par cero . [11]
La tecnología de generación de energía requerida para viajes interplanetarios rápidos no existe actualmente y no es factible con la tecnología de punta actual. [12]
Investigación y desarrollo
El primer experimento VASIMR se llevó a cabo en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en 1983. En la década de 1990 se introdujeron importantes mejoras, incluido el uso de la fuente de plasma de helicón, que reemplazó la pistola de plasma originalmente prevista y sus electrodos, lo que aumentó la durabilidad y la vida útil. [ cita requerida ]
A partir de 2010, Ad Astra Rocket Company (AARC) fue responsable del desarrollo de VASIMR, firmando el primer Acuerdo de Ley Espacial el 23 de junio de 2005 para privatizar la tecnología VASIMR. Franklin Chang Díaz es el presidente y director ejecutivo de Ad Astra, y la empresa tenía una instalación de pruebas en Liberia, Costa Rica, en el campus de Earth University . [13]
VX-10 a VX-50
En 1998, se realizó el primer experimento de plasma de helicones en la ASPL . El experimento VASIMR 10 (VX-10) en 1998 logró una descarga de plasma de RF de helicón de hasta 10 kW y VX-25 en 2002 de hasta 25 kW. Para 2005, el progreso en ASPL incluyó la producción de plasma total y eficiente y la aceleración de los iones de plasma con el VX-50 de 50 kW, 0.5 newtons (0.1 lbf) de empuje. [4] Los datos publicados sobre el VX-50 de 50 kW mostraron que la eficiencia eléctrica era del 59% en base a una eficiencia de acoplamiento del 90% y una eficiencia de aumento de velocidad de iones del 65%. [14] [ verificación fallida ]
VX-100
El experimento VASIMR de 100 kilovatios se ejecutó con éxito en 2007 y demostró una producción de plasma eficiente con un costo de ionización por debajo de 100 eV. [15] La producción de plasma del VX-100 triplicó el récord anterior del VX-50. [15]
Se esperaba que el VX-100 tuviera una eficiencia de aumento de velocidad de iones del 80%, pero no pudo lograr esta eficiencia debido a las pérdidas de la conversión de corriente eléctrica de CC a potencia de radiofrecuencia y el equipo auxiliar para el imán superconductor. [14] [16] En contraste, los diseños de motores de iones probados y de última generación de 2009, como el de propulsión eléctrica de alta potencia (HiPEP) de la NASA, funcionaban con una eficiencia energética total del propulsor / PPU del 80% . [17]
VX-200
El 24 de octubre de 2008, la empresa anunció en un comunicado de prensa que el componente de generación de plasma helicón del motor VX-200 de 200 kW había alcanzado el estado operativo. La tecnología de habilitación clave, el procesamiento de energía DC-RF de estado sólido, alcanzó una eficiencia del 98%. La descarga del helicón utilizó 30 kW de ondas de radio para convertir el gas argón en plasma. Los 170 kW restantes de potencia se asignaron para la aceleración del plasma en la segunda parte del motor, mediante calentamiento por resonancia de ciclotrón de iones. [18]
Según los datos de las pruebas del VX-100, [10] se esperaba que, si alguna vez se descubrían superconductores a temperatura ambiente, el motor VX-200 tendría una eficiencia del sistema del 60 al 65% y un nivel de empuje potencial de 5 N. Óptimo El impulso específico pareció ser de alrededor de 5.000 s utilizando propulsor de argón de bajo costo. Uno de los problemas restantes no probados fue si el plasma caliente realmente se desprendió del cohete. Otro problema fue la gestión del calor residual. Aproximadamente el 60% de la energía de entrada se convirtió en energía cinética útil. Gran parte del 40% restante son ionizaciones secundarias del plasma que cruza las líneas del campo magnético y la divergencia de los gases de escape. Una parte significativa de ese 40% fue calor residual (ver eficiencia de conversión de energía ). Gestionar y rechazar ese calor residual es fundamental. [19]
Entre abril y septiembre de 2009, se realizaron pruebas de 200 kW en el prototipo VX-200 con 2 imanes superconductores tesla que se alimentan por separado y no se tienen en cuenta en ningún cálculo de "eficiencia". [20] Durante noviembre de 2010, se realizaron pruebas de disparo de larga duración a plena potencia, alcanzando el funcionamiento en estado estable durante 25 segundos y validando las características básicas de diseño. [21]
Los resultados presentados en enero de 2011 confirmaron que el punto de diseño para una eficiencia óptima en el VX-200 es una velocidad de escape de 50 km / s, o una I sp de 5000 s. El VX-200 de 200 kW había ejecutado más de 10,000 disparos de motor con propulsor de argón a máxima potencia en 2013, demostrando una eficiencia del propulsor superior al 70% en relación con la entrada de potencia de RF. [22]
VX-200SS
En marzo de 2015, Ad Astra anunció un premio de $ 10 millones de la NASA para avanzar en la preparación tecnológica de la próxima versión del motor VASIMR, el VX-200SS para satisfacer las necesidades de las misiones en el espacio profundo. [23] El SS en el nombre significa "estado estable", ya que el objetivo de la prueba de larga duración es demostrar el funcionamiento continuo en estado estable térmico. [24]
En agosto de 2016, Ad Astra anunció la finalización de los hitos del primer año de su contrato de 3 años con la NASA. Esto permitió los primeros disparos de plasma de alta potencia de los motores, con el objetivo declarado de alcanzar las 100 horas y los 100 kW a mediados de 2018. [25] En agosto de 2017, la compañía informó haber completado sus hitos del año 2 para el motor de cohete de plasma eléctrico VASIMR. La NASA aprobó que Ad Astra continuara con el año 3 después de revisar la finalización de una prueba acumulativa de 10 horas del motor VX-200SS a 100 kW. Parece que el diseño planificado de 200 kW se está ejecutando a 100 kW por razones que no se mencionan en el comunicado de prensa. [26]
En agosto de 2019 [27] Ad Astra anunció la finalización con éxito de las pruebas de una unidad de procesamiento de energía (PPU) de radiofrecuencia ( RF ) de nueva generación para el motor VASIMR, construida por Aethera Technologies Ltd. de Canadá. Ad Astra declaró una potencia de 120 kW y> 97% de eficiencia de potencia eléctrica a RF, y que, con 52 kg, el nuevo RF PPU es aproximadamente 10 veces más ligero que los PPU de los propulsores eléctricos de la competencia (relación potencia / peso: 2,31 kW / kg)
Aplicaciones potenciales
VASIMR tiene una relación empuje-peso comparativamente pobre y requiere un vacío ambiental.
Las aplicaciones propuestas para VASIMR, como el transporte rápido de personas a Marte, requerirían una fuente de energía de muy alta potencia y baja masa, diez veces más eficiente que un reactor nuclear (ver cohete eléctrico nuclear ). En 2010, el administrador de la NASA, Charles Bolden, dijo que la tecnología VASIMR podría ser la tecnología innovadora que reduciría el tiempo de viaje en una misión a Marte de 2,5 años a 5 meses. [28] Sin embargo, esta afirmación no se ha repetido en la última década.
En agosto de 2008, Tim Glover, director de desarrollo de Ad Astra, declaró públicamente que la primera aplicación esperada del motor VASIMR es "transportar cosas [carga no humana] desde la órbita terrestre baja a la órbita lunar baja" apoyando el regreso de la NASA a los esfuerzos de la Luna. . [29]
Marte en 39 días
Para poder realizar un viaje imaginario con tripulación a Marte en 39 días, [30] el VASIMR requeriría un nivel de energía eléctrica mucho más allá de lo que actualmente es posible o predicho.
Además de eso, cualquier tecnología de generación de energía producirá calor residual. El reactor de 200 megavatios necesario "con una densidad de masa de 1.000 vatios por kilogramo " ( cita de Díaz ) requeriría radiadores extremadamente eficientes para evitar la necesidad de "radiadores del tamaño de un campo de fútbol" ( cita de Zubrin ). [31]
Ver también
- Comparación de motores de cohetes orbitales
Propulsión eléctrica
- Propulsor de doble capa Helicon
- Propulsor magnetoplasmadynamic
- Propulsor de extracción de campo de nanopartículas
- Propulsor de plasma pulsado
Reactores espaciales
- Proyecto Prometeo
- Motor de fisión seguro y asequible
- Sistemas de energía auxiliar nuclear
- Reactor nuclear TOPAZ
Referencias
- ^ Compañía de cohetes de Ad Astra. "VASIMR" . Ad Astra Rocket Company. Archivado desde el original el 7 de julio de 2019 . Consultado el 9 de julio de 2019 .
- ^ Ad Astra Rocket Company. "Historia" . Ad Astra Rocket Company . Consultado el 9 de julio de 2019 .
- ^ Alessandra Negrotti (2008). "Análisis de Prefactibilidad VASIMR". Tecnologías y sistemas de propulsión avanzados, desde hoy hasta 2020 : 335.
- ^ a b c d Tim W. Glover; et al. (13-17 de febrero de 2005). "Principales resultados de VASIMR y objetivos actuales" (PDF) . Foro Internacional de Tecnología y Aplicaciones Espaciales - Staif 2005 . 746 : 976–982. Código bibliográfico : 2005AIPC..746..976G . doi : 10.1063 / 1.1867222 . Consultado el 27 de febrero de 2010 .
- ^ Beth Dickey (marzo de 2004). "Star Power" . Aire y espacio, Smithsonian . Consultado el 7 de febrero de 2014 .
- ^ a b c Ad Astra Rocket Company (2009). "Tecnología" . Ad Astra Rocket Company . Consultado el 10 de diciembre de 2012 .
- ^ Jared P. Squire; Franklin R. Chang Díaz; Verlin T. Jacobson; Tim W. Glover; F. Wally Baity; Richard H. Goulding; Roger Bengtson; et al. "AVANCE DE LA INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL HACIA EL MOTOR VASIMR" (PDF) . 28ª Conferencia Internacional de Propulsión Eléctrica, Toulouse, Francia, 17 a 21 de marzo de 2003 . 28 ° Congreso Internacional de Propulsión Eléctrica . Consultado el 7 de febrero de 2014 .
- ^ Dwayne Brown; Katherine K. Martin; Glenn Mahone. "El propulsor de la NASA logra el récord mundial de más de 5 años de operación" . Consultado el 24 de junio de 2013 .
- ^ Nancy Smith Kilkenny, SGT, Inc. "NEXT proporciona propulsión duradera y altas velocidades para misiones en el espacio profundo" . Consultado el 29 de septiembre de 2013 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ a b Jared P. Squire; et al. (5 al 6 de septiembre de 2008). "Medidas de rendimiento de VASIMR en potencias superiores a 50 kW y aplicaciones de misión robótica lunar" (PDF) . Simposio Internacional Interdisciplinario sobre Plasmas Gaseosos y Líquidos . Consultado el 27 de febrero de 2010 .
- ^ "Misión de la Estación Espacial Internacional" . Ad Astra Rocket Company. 2011. Archivado desde el original el 15 de marzo de 2011 . Consultado el 8 de febrero de 2011 .
El VX-200 proporcionará el conjunto de datos críticos para construir el VF-200-1, la primera unidad de vuelo, que se probará en el espacio a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS). La energía eléctrica provendrá de ISS a bajo nivel de potencia, se almacenará en baterías y se utilizará para encender el motor a 200 kW.
- ^ "Datos sobre el motor VASIMR® y su desarrollo" (PDF) . Ad Astra Rocket Company. 15 de julio de 2011.
- ^ "Resumen ejecutivo" (PDF) . Ad Astra Rocket Company. 24 de enero de 2010. Archivado desde el original (PDF) el 31 de marzo de 2010 . Consultado el 27 de febrero de 2010 .
- ^ a b Squire, Jared P; et al. (17-20 de septiembre de 2007). "Experimentos VASIMR de alta potencia utilizando deuterio, neón y argón" (PDF) . Conferencia Internacional de Propulsión Eléctrica 2007 . Consultado el 27 de febrero de 2010 .
- ^ a b "El banco de pruebas VX-100 de Ad Astra logra un rendimiento de plasma récord" (PDF) . COMUNICADO DE PRENSA 061207, 12 de junio de 2007 . Ad Astra . Consultado el 7 de febrero de 2014 .
- ^ Bering, Edgar A; et al. (9 al 12 de enero de 2006). "Mejoras recientes en los costos de ionización y la eficiencia de calentamiento del ciclotrón iónico en el motor VASIMR" (PDF) . Encuentro y Exposición de Ciencias Aeroespaciales AIAA . Consultado el 27 de febrero de 2010 .
- ^ Elliott, Frederick W; et al. (11 al 14 de julio de 2004). "Una descripción general del proyecto de propulsión eléctrica de alta potencia (HiPEP)" (PDF) . Conferencia y exhibición conjunta de propulsión AIAA / ASME / SAE / ASEE . Consultado el 27 de febrero de 2010 .[ enlace muerto permanente ]
- ^ "La primera etapa del VASIMR VX-200 alcanza la máxima potencia nominal" (PDF) (Comunicado de prensa). Ad Astra Rocket Company. 24 de octubre de 2008 . Consultado el 27 de febrero de 2010 .
- ^ de Faoite, Daithí; Browne, David J; Chang-Díaz, Franklin R; Stanton, Kenneth T (17 de noviembre de 2011). "Una revisión del procesamiento, la composición y las propiedades mecánicas y térmicas dependientes de la temperatura de la cerámica técnica dieléctrica". Revista de ciencia de materiales . 47 (10): 4211–4235. Código Bib : 2012JMatS..47.4211F . doi : 10.1007 / s10853-011-6140-1 . hdl : 10197/8477 .
- ^ "VASIMR VX-200 alcanza un hito de potencia de 200 kW" (PDF) (Comunicado de prensa). Ad Astra Rocket Company. 30 de septiembre de 2011 . Consultado el 24 de febrero de 2012 .
- ^ Benwl (15 de diciembre de 2010). "Video de VASIMR VX-200 disparando durante 25 segundos a máxima potencia" . Ad Astra Rocket Company . Consultado el 4 de enero de 2011 .
- ^ Ilin, Andrew V .; Gilman, Daniel A .; Carter, Mark D .; Chang Díaz, Franklin R .; Squire, Jared P .; Farrias, Joseph E. (2013). Misiones VASIMR con energía solar para recuperación de NEA y deflexión de NEA (PDF) . 33ª Conferencia Internacional de Propulsión Eléctrica. 6 al 10 de octubre de 2013. Washington, DC IEPC-2013-336.
- ^ La NASA anuncia nuevas asociaciones con la industria estadounidense para capacidades clave en el espacio profundo . 30 de marzo de 2015.
- ^ AD ASTRA Rocket Company gana un importante contrato de propulsión avanzada de la NASA . Presione soltar. 31 de marzo de 2015
- ^ [adastrarocket.com/pressReleases/AdAstra-Release-080316-final.pdf AD ASTRA ROCKET COMPANY COMPLETA CON ÉXITO TODOS LOS HITOS DEL CONTRATO NEXTSTEP DE LA NASA PARA EL AÑO UNO, RECIBE LA APROBACIÓN DE LA NASA PARA PROCEDER CON EL AÑO DOS.]. COMUNICADO DE PRENSA 080316, 3 de agosto de 2016
- ^ "COMUNICADO DE PRENSA Ad Astra Rocket Company completa con éxito todos los hitos del contrato NextStep de la NASA para el año dos, recibe la aprobación de la NASA para continuar con el año tres, 09/08/17" (PDF) . Ad Astra Rocket Company . Consultado el 9 de agosto de 2017 .
- ^ "COMUNICADO DE PRENSA 082019" (PDF) . 20 de agosto de 2019.
- ^ Morring, Frank (2010). "Ruta Comercial". Semana de la aviación y tecnología espacial . 172 (6): 20–23.
- ^ Irene Klotz (7 de agosto de 2008). "El cohete de plasma puede probarse en la estación espacial" . Noticias de descubrimiento . Consultado el 27 de febrero de 2010 .
- ^ Video: "¿ Marte en 39 días ?: el motor de plasma VASIMR. Franklin Chang-Diaz, Ph.D. "
- ^ Video: Debate de VASIMR / El engaño de VASIMR - Dr. Robert Zubrin - XIV Convención de la Sociedad Internacional de Marte , Índice de tiempo 14:30
Otras lecturas
- "Acuerdo para comercializar el concepto de cohete avanzado de la NASA; el ex astronauta Franklin Chang-Diaz liderará el esfuerzo" (Comunicado de prensa). Centro Espacial Johnson. 23 de enero de 2006. J06-009 . Consultado el 18 de enero de 2008 .
- Naone, Erica (25 de septiembre de 2007). "El científico de cohetes Franklin Chang Diaz habla de encontrar el poder y la propulsión necesarios para colonizar el espacio" . Revisión de tecnología . Consultado el 27 de febrero de 2010 .
- Upson, Sandra (junio de 2009). "Cohetes para el planeta rojo" . Espectro IEEE . Archivado desde el original el 22 de julio de 2011 . Consultado el 27 de febrero de 2010 .
enlaces externos
- "Cohete de plasma" (vídeo). Brink . Ciencia . 18 de diciembre de 2008.
- Documentos de la NASA
- Documento técnico: Tránsitos rápidos de Marte con propulsión de plasma modulada por escape (PDF)
- Cohete de magnetoplasma de impulso específico variable (informe técnico)
- Laboratorio avanzado de propulsión espacial: VASIMR
- Sistemas de propulsión del futuro