가변 비충격 자기 플라즈마 로켓

Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket
아티스트의 수 메가와트 VASIMR 우주선 인상

VASIMR(Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)은 우주선 추진에 사용할 수 있도록 개발 중인 전열 추진체이다.불활성 추진체를 이온화 및 가열하여 플라즈마를 형성한 후 자기장을 이용하여 팽창하는 플라즈마를 제한하고 가속시켜 추력을 생성합니다.그것은 플라즈마 추진 엔진으로 우주선 전기 추진 시스템의 [1]여러 종류 중 하나이다.

혈장을 가열하기 위한 VASIMR 방법은 원래 핵융합 연구 중에 개발되었습니다.VASIMR은 높은 추력, 낮은 특정 임펄스 화학 로켓과 낮은 추력, 높은 특정 임펄스 전기 추진력 사이의 갭을 메우기 위한 것이지만, 아직 높은 추력을 보여주지는 않았다.VASIMR의 개념은 1977년 전 NASA 우주 비행사 프랭클린 장 디아즈(Franklin Chang Diaz)에 의해 시작되었으며,[2] 그는 그 이후로 이 기술을 개발하고 있다.

설계 및 운용

VASIMR 개략도

VASIMR은 전열 플라즈마 스러스터/전열 마그네틱 플라즈마 스러스터의 일종입니다.이 엔진에서는 중성 불활성 추진제가 이온화되고 전파를 사용하여 가열됩니다.생성된 플라즈마는 자기장과 함께 가속되어 추력을 생성합니다.관련된 다른 전기 동력 우주선 추진 개념은 무전극 플라즈마 추진기, 마이크로파 아크제트 로켓, 펄스 유도 추진기이다.

아르곤 또는 제논과 같은 중성 가스인 추진제는 전자석으로 표면화된 중공 실린더에 주입됩니다.엔진에 진입할 때 가스는 먼저 헬리콘 RF 안테나/커플러에 의해 "콜드 [3]플라즈마"로 가열됩니다. 헬리콘 RF 안테나/커플러는 10~50MHz의 주파수로 가스를 폭발시켜 추진제 원자에서 전자를 제거하고 이온과 자유 전자의 플라즈마를 생성합니다.VASIMR은 RF 가열 에너지와 플라즈마의 양을 변화시킴으로써 저스트러스트, 고특이 임펄스 배기 또는 비교적 고스트, 저특이 임펄스 [4]배기 중 하나를 발생시킬 수 있다고 주장됩니다.엔진의 두 번째 단계는 이온화된 플라즈마를 채널링하는 강력한 솔레노이드 구성 전자석으로, 기존 로켓 엔진의 물리적 노즐과 같이 수렴-분산 노즐 역할을 합니다.

이온 사이클로트론 가열(ICH) 섹션으로 알려진 두 번째 커플러는 엔진을 통과할 때 이온과 전자의 궤도와 공명하여 전자파를 방출합니다.공명은 엔진의 이 부분에서 플라즈마 입자의 궤도 운동을 느리게 하는 자기장의 감소를 통해 이루어집니다.이 섹션은 플라즈마를 태양 표면의 [5]약 173배인 1,000,000K(1,000,000°C; 1,800,000°F) 이상으로 가열합니다.

엔진을 통과하는 이온과 전자의 경로는 엔진 벽과 평행한 선에 가깝습니다. 그러나 입자는 실제로 엔진을 통해 직선적으로 이동하면서 이러한 선 주위를 선회합니다.엔진의 마지막 분기 부분에는 엔진에서 이온과 전자를 최대 50,000m/s(180,000km/h)[4][6]의 속도로 방출하는 팽창 자기장이 포함되어 있습니다.

이점

일반적인 사이클로트론 공명 가열 프로세스와는 달리 VASIMR 이온은 열화 분포에 도달하기 전에 자기 노즐에서 즉시 방출됩니다.2004년 알렉세이 5세의 새로운 이론 작업에 기초하고 있다.오스틴 텍사스 대학의 아레피예프와 보리스 N. 브레이즈만은 이온 사이클로트론 파동의 거의 모든 에너지가 단일 통과 사이클로트론 흡수 과정에서 이온화된 플라즈마로 균일하게 전달됩니다.이를 통해 이온이 매우 좁은 에너지 분배로 마그네틱 노즐을 이탈할 수 있으며,[4] 엔진의 마그넷 배열이 상당히 단순하고 콤팩트합니다.

VASIMR은 전극을 사용하지 않고 대부분의 하드웨어 부품으로부터 플라즈마를 자기적으로 차폐하여 이온 [7]엔진의 주요 마모원인 전극 침식을 제거합니다.매우 복잡한 배관, 고성능 밸브, 액추에이터 및 터보펌프를 갖춘 기존 로켓 엔진에 비해 VASIMR은 가동 부품(가스 밸브와 같은 작은 부품 제외)이 거의 없어 장기 [citation needed]내구성을 극대화합니다.

단점들

Ad Astra에 따르면 2015년 현재 VX-200 엔진은 5N의 [6]추력을 내기 위해 200kW의 전력을 필요로 한다.반면 기존 NEXT 이온 추진기는 7.7kW(24kW/N)[6]로 0.327N을 생성합니다.전기적으로 말하면 NEXT는 효율이 거의 2배 향상되어 2009년 [8][9]12월에 48,000시간(5.5년)의 테스트를 성공적으로 완료했습니다.

VASIMR에서는 강력한 자기장과의 상호작용이나 열관리 등 새로운 문제도 발생합니다.VASIMR의 비효율적인 동작으로 인해 대량의 폐열이 발생하므로 열 과부하 및 열응력을 발생시키지 않고 채널링해야 합니다.뜨거운 플라즈마를 포함하는 데 필요한 초전도 전자석은 테슬라 범위 자기장을[10] 발생시켜 다른 탑재 장치와 문제를 일으키고 자기권과의 상호작용에 의해 원치 않는 토크를 발생시킬 수 있습니다.후자의 효과에 대항하기 위해 두 개의 스러스터 유닛을 반대 방향의 자기장으로 패키징하여 제로토크 자기 [11]4극으로 만들 수 있습니다.

빠른 행성 간 이동에 필요한 발전 기술은 현재 존재하지 않으며 현재 최첨단 [12]기술로는 불가능합니다.

연구 개발

최초의 VASIMR 실험은 1983년 Massachusetts Institute of Technology에서 수행되었다.1990년대에 헬리콘 플라즈마 소스의 사용을 포함한 중요한 개선이 도입되었습니다. 헬리콘 플라즈마 소스는 원래 구상했던 플라즈마 총과 그 전극을 대체하여 내구성과 수명을 [citation needed]증가시켰습니다.

2010년 현재 Ad Astra Rocket Company(AARC)는 VASIMR 기술을 민영화하기 위해 2005년 6월 23일 첫 우주법 협정에 서명하여 VASIMR 개발을 담당했습니다.Franklin Chang Diaz는 Ad Astra의 회장 겸 CEO로, 동사는 어스 [13]대학의 캠퍼스에 코스타리카의 라이베리아에 테스트 시설을 가지고 있습니다.

VX-10에서 VX-50으로

1998년 ASPL에서 첫 번째 헬리콘 플라즈마 실험이 수행되었다. 1998년 VASIMR 실험 10(VX-10)은 최대 10kW의 헬리콘 RF 플라즈마 방전을, 2002년에는 최대 25kW의 VX-25를 달성했다.2005년까지 ASPL은 50kW, 0.5뉴턴(0.1lbf) 추력 VX-50을 [4]사용하여 플라즈마 이온의 완전하고 효율적인 생산과 가속을 포함했습니다. 50kW VX-50에 대한 공개 데이터에 따르면 전기 효율은 90% 결합 효율과 65% 이온 속도 증가 효율에 [14][failed verification]기반하여 59%로 나타났습니다.

VX-100

100kW VASIMR 실험은 2007년까지 성공적으로 실행되었으며 100eV 미만의 이온화 [15]비용으로 효율적인 플라즈마 생산을 입증했습니다.VX-100 플라즈마 출력은 VX-50의 [15]이전 기록보다 3배나 증가했습니다.

VX-100은 80%의 이온 속도 승압 효율을 보일 것으로 예상됐지만 DC전류를 무선주파수 전력으로 변환하고 초전도 [14][16]자석용 보조기기를 사용할 수 없어 이 효율을 달성할 수 없었다.이와는 대조적으로 NASA의 HiPEP(High Power Electric Propulsion)와 같은 2009년 최첨단 이온 엔진 설계는 총 스러스터/PPU 에너지 [17]효율 80%로 작동했습니다.

VX-200

풀파워의 VX-200 플라즈마 엔진, 풀파워의 양쪽 스테이지 사용

2008년 10월 24일 회사는 보도자료를 통해 200kW VX-200 엔진의 헬리콘 플라즈마 생성 부품이 작동 상태에 도달했다고 발표했습니다.주요 지원 기술인 솔리드 스테이트 DC-RF 전력 프로세싱은 98%의 효율에 도달했습니다.헬리콘 방전은 아르곤 가스를 플라즈마로 바꾸기 위해 30kW의 전파를 사용했다.나머지 170kW의 출력은 이온 사이클로트론 공명 [18]가열로 엔진의 두 번째 부분의 플라즈마 가속에 할당되었습니다.

VX-100 [10]테스트의 데이터에 기초하여, 상온 초전도체가 발견될 경우 VX-200 엔진은 60–65%의 시스템 효율과 5N의 잠재적 추력 수준을 가질 것으로 예상되었다. 저비용 아르곤 추진제를 사용하는 경우 최적 비 임펄스는 약 5,000초인 것으로 나타났다.아직 검증되지 않은 문제 중 하나는 뜨거운 플라즈마가 실제로 로켓에서 분리되었는지 여부였다.또 다른 문제는 폐열 관리였습니다.입력 에너지의 약 60%가 유용한 운동 에너지가 되었습니다.나머지 40%의 대부분은 플라즈마에서 자기장 라인을 가로지르는 2차 이온화 및 배기 발산입니다.그 중 40%가 폐열이었습니다(에너지 변환 효율성 참조).이러한 폐열을 관리하고 거부하는 [19]것이 매우 중요합니다.

2009년 4월과 9월 사이에 200kW의 시제품이 2개의 테슬라 초전도 자석을 사용하여 개별적으로 구동되며 "효율성" [20]계산에서 고려되지 않은 상태에서 수행되었습니다.2010년 11월 장기간에 걸쳐 최대 출력 점화 테스트가 수행되어 25초간 정상 작동에 도달하고 기본 설계 [21]특성을 검증했습니다.

2011년 1월에 제시된 결과에 따르면 VX-200의 최적 효율을 위한 설계 지점은 50km/s의 배기 속도 또는 5000초의 I인sp 것으로 확인되었습니다.200kW VX-200은 2013년까지 아르곤 추진제를 사용하여 10,000회 이상의 엔진 발화를 수행했으며, RF 출력 [22]대비 70% 이상의 추진 효율을 보였습니다.

VX-200SS

2015년 3월 Ad Astra는 NASA로부터 차세대 VASIMR 엔진인 VX-200SS의 기술 준비를 촉진하기 위해 1,000만 달러의 상금을 수여했다고 발표했습니다.[23]이름의 SS는 "안정 상태"를 의미하며, 장기간의 테스트의 목표는 열적 정상 [24]상태에서 연속 작동을 시연하는 것입니다.

2016년 8월 Ad Astra는 NASA와의 3년 계약 중 첫 해의 이정표를 완료했다고 발표했습니다.이를 통해 2018년 [25]중반까지 100시간과 100kW에 도달하는 것을 목표로 엔진의 첫 고출력 플라즈마 발사가 가능해졌다.2017년 8월, 동사는 VASIMR 전기 플라즈마 로켓 엔진의 2년차 이정표를 완성했다고 보고했습니다.미 항공우주국(NASA)은 100kW에서 10시간 동안 VX-200SS 엔진의 누적 테스트를 완료한 후 애드 아스트라가 3년째를 진행할 수 있도록 승인했다.보도자료에 [26]기재되어 있지 않은 이유로 200kW의 설계가 100kW로 실행되고 있는 것 같습니다.

2019년 8월 Ad Astra는 캐나다의 [27]Aethera Technologies Ltd.에 의해 구축된 VASIMR 엔진용 신세대 무선 주파수(RF) 전력 처리 장치(PPU)의 테스트가 성공적으로 완료되었다고 발표했습니다.Ad Astra는 120kW의 전력 효율과 97% 이상의 전력 효율을 자랑하며, 52kg의 새로운 RF PPU는 경쟁사의 전기 스러스터의 PPU보다 약 10배 가볍습니다(중량 대비 전력비: 2.31kW/kg).

2021년 7월 Ad Astra는 82.5kW의 [28][29]출력 수준에서 28시간 동안 엔진을 가동하는 기록적인 테스트를 완료했다고 발표했다.Ad Astra는 2021년 하반기에 100kW의 전력 수준 시험을 실시할 것으로 예상한다.

잠재적인 응용 프로그램

VASIMR은 스러스트 대 중량비가 비교적 낮기 때문에 주위 진공이 필요합니다.

화성으로의 신속한 수송과 같은 VASIMR의 적용은 원자로보다 10배 더 효율적인 매우 높은 전력, 낮은 질량 에너지원을 필요로 할 것이다(원자력 전기 로켓 참조).2010년, NASA의 관리자인 찰스 볼든은 VASIMR 기술이 화성 임무에 걸리는 시간을 2.5년에서 5개월로 [30]단축하는 획기적인 기술이 될 수 있다고 말했다.그러나 이 주장은 지난 10년간 반복되지 않았다.

2008년 8월, Ad Astra 개발 책임자인 Tim Glover는 VASIMR 엔진의 첫 번째 예상 적용은 NASA의 달 탐사 [31]복귀를 지원하는 "저지구 궤도에서 저달 궤도로 [비인간 화물]을 운반하는 것"이라고 공개적으로 밝혔다.

39일 후의 화성

39일 안에 [32]화성까지 유인 여행을 하기 위해 VASIMR은 현재 가능한 그 어떤 것보다도 훨씬 더 높은 수준의 전력을 필요로 할 것이다.

게다가, 어떠한 발전 기술도 폐열을 발생시킨다.필요한 200 메가와트 원자로는 "kg당 1,000 와트의 질량 밀도를 가진" (디아즈 인용) "축구장 크기 복사기"의 필요성을 피하기 위해 매우 효율적인 복사기를 필요로 할 것이다(주브린 인용).[33]

「 」를 참조해 주세요.

전기 추진
우주 핵분열 원자로

레퍼런스

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추가 정보

외부 링크

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NASA 문서