VASIMR -- ракетный двигатель, который позволит путешествовать по всей Солнечной системе

Сначала выдержка из статьи об этом двигателе:

"Двигатель VASIMR, сокращенно от «Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket», работает, подобно всем космическим двигателям, используя реактивную тягу."

"Едва ли не основная сложность в организации пилотируемой миссии на Марс – ее продолжительность. Текущие технологии потребуют полгода на путешествие только в одну сторону – и этот срок порождает массу дополнительных проблем, от трудностей с жизнеобеспечением до защиты от длительного воздействия радиации. Однако плазменный двигатель нового поколения может сократить время, которое требуется для полета к Марсу, всего до 39 дней.

Традиционные реактивные двигатели ракет создают тягу за счет экзотермической химической реакции между компонентами топлива. Львиная его доля уходит на преодоление земного притяжения и вывода аппарата на орбиту.

В отличие от них, плазменные ракетные двигатели (ПРД) используют в качестве создающего тягу рабочего тела заряженную плазму, то есть полностью ионизированный газ. Работает это так: нейтральный газ (обычно водород или гелий) подается в специальную камеру и ионизируется. Получившаяся холодная плазма поступает во вторую камеру и разогревается. Наконец, в третьей камере создается весьма быстрый направленный поток плазмы, который и толкает аппарат вперед.

Современное состояние техники не позволяет создать такие двигатели, способные преодолеть силу тяжести, однако в работе на орбите они могут оказаться незаменимыми. Во-первых, топлива им требуется на порядки меньше, чем обычным ракетам. Во-вторых, работают они очень подолгу. Разгоняясь понемногу, зато постоянно, они позволяют кораблям, на которых установлены, довольно быстро обгонять своих традиционных собратьев.

Впрочем, двигатель VASIMR, о котором пойдет речь, представляет собой куда более совершенную систему. Работает над ним компания Ad Astra, которая была основана в 2005 г. физиком и бывшим астронавтом Франклином Чен-Диазом (Franklin Chang-Diaz).

В VASIMR в качестве источника плазмы используется благородный газ аргон. Радиочастотный генератор раскаляет его до такой температуры, что его электроны отрываются от ядер, создавая плазму. Эта плазма способна создать тягу уже сама по себе, но для достижения куда большей эффективность ее лучше еще сильнее нагреть. Рабочая температура плазмы в VASIMR достигает миллионов градусов. Получается это при помощи сверхпроводящих электромагнитов. Они создают сильное магнитное поле, в котором заряженные ионы газа колеблются с определенной частотой. При этом на них воздействуют радиоизлучением, вступающим в резонансное взаимодействие с движением ионов плазмы. Они получают все новую и новую энергию. Затем другие электромагниты создают ток плазмы в виде тонкой и очень быстрой струи, которая выбрасывается из сопла и толкает двигатель в противоположном направлении.

По словам разработчиков, VASIMR в сотни раз более производителен, чем традиционные ионные двигатели, в которых ионы просто ускоряются, последовательно проходя через серию электродов, находящихся под все возрастающим напряжением.

Кроме того, при такой схеме работы ионы часто соударяются с электродами, довольно быстро приводя к их эрозии и снижая срок жизнедеятельности двигателя. В отличие от них, в VASIMR никакого контакта плазмы с самим двигателем не происходит – примерно как пища разогревается в микроволновке, не касаясь ее стенок. Примерно так же устроены российские плазменные двигатели СПД (только в них используется относительно холодная плазма).

Важно и то, что на текущем уровне мощности VASIMR способен полностью обеспечивать себя за счет солнечной энергии. Так что в будущем такие небольшие ПРД вполне подойдут для установки на спутники и позволят им, не требуя дополнительных источников питания, корректировать свой полет. В Ad Astra видят и другой вариант использования: отправку легких аппаратов с их двигателями к астероидам, которые могут потенциально угрожать нашей планете столкновением. «Вцепившись» в такое небесное тело, аппараты включат двигатели и отведут опасность в сторону.

Что же до 39-дневного перелета к Марсу, то VASIMR потребуется стать куда мощнее – примерно в 1000 раз, чем сегодня. А для этого солнечной энергии будет совершенно недостаточно, так что предполагается, что питаться он будет от бортового ядерного реактора."

"Ионно-плазменный двигатель VASIMR VF-200 успешно выдержал всю программу наземных испытаний и теперь начинается космическая часть испытаний нового двигателя. Буквально совсем недавно представители НАСА дали окончательное согласие на проведение этих испытаний на борту Международной Космической Станции (МКС). Если и эта часть испытаний двигателя VASIMR пройдет столь же успешно, как и наземные испытания, то человечество получит в свое распоряжение двигатель, способный доставить космический аппарат к Марсу не за шесть месяцев, а всего за 40 дней."

А теперь можно и порассуждать об этом.

Чем хорош двигатель VASIMR ?  Он хорош тем, что удельный импульс у него от 5000 сек до 30000 сек, т.е скорость истечения газа = от 50 км/сек до 300 км/сек. И что это даёт?  А это даёт экономию топлива, т.е. топлива в полёт нужно брать от 17 до 100 раз меньше, чем с обычным ракетным двигателем.

И это даёт возможность путешествовать по всей Солнечной системе и далее в пояс Койпера и в Облако Оорта за приемлемые сроки.

Но тут возникают, конечно, и некоторые проблемы и главная из них -- это создание источника электрической энергии необходимой мощности.  И этот источник в настоящее время может быть только ядерным реактором.

Вообще-то для полётов не дальше Марса источником электрической энергии могут быть солнечные батареи, но площадь их будет где-то около 200 000 кв. метров при к.п.д. = 11% и это будет гигантское сооружение в виде квадрата 450х450 метров. Но сделать это вполне реально при нынешнем развитии техники. Но для полётов за орбиту Марса годится только ядерный реактор, так как плотность солнечной энергии там резко падает до неприемлемых значений.

Часто пишут о полёте к Марсу за 39 дней с этим двигателем, вот только не пишут о том, что для этого мощность двигателя должна быть 200 000 квт. Сделать такой реактор для космоса вряд ли реально, а вот сделать ядерный космический реактор на 30000 квт электр. пожалуй можно, используя калий как теплоноситель.

Лучшим двигателем для межпланетных КК будет термоядерный двигатель на Гелии-3, но когда это будет реально?  Не раньше, чем через 50 лет.

А пока что для полёта к Марсу в качестве источника эл. энергии можно использовать солнечные батареи (для VASIMR) и для начального разгона с НОО ракеты на метане.