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[专题专项] VASIMR 进展(更新:JSC与Ad Astra 展开合作)

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cmj9808 发表于 2009-7-7 14:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 cmj9808 于 2010-1-30 12:48 编辑

VX-200等离子引擎完成第一部分的超导状态全功率测试,第二部分测试预计在7月14日进行

VX-200 demonstrates superconducting first stage at full power
Published: 06 July 2009 2:59 PM UTC

Houston, TX. – Ad Astra Rocket Company has successfully demonstrated operation of its VX-200 plasma engine first stage at full power and under superconducting conditions in tests conducted today at the company’s Houston laboratory. This achievement is a key milestone in the engine’s development and the first time a superconducting plasma rocket has been operated at that power level.

Today’s tests build on the achievements of the VX-200i, the engine’s non-superconducting predecessor, which last fall underwent similar tests but under a greatly reduced set of requirements. A major difference between the two is the superconducting magnet, featured in the present system, which provides a ten-fold increase in the magnetic field and enables operation of the engine under conditions consistent with actual space flight.


The VX-200 superconducting magnet, the first of its kind, was delivered to Ad Astra’s Houston facility on February 10, 2009 by its manufacturer, Scientific Magnetics of Oxford, U.K. After successful acceptance tests, the superconductor was installed in the engine module, replacing the conventional magnet that had been used in the interim. This interim magnet, although incapable of reaching the strong magnetic fields required for full rocket performance, enabled the integrated testing of the remaining engine sub-systems while the company awaited delivery of the superconductor. First plasma in full superconducting mode was achieved on June 24, 2009.

The successful first stage tests conducted today are critically important and are prerequisites to operational testing of the second stage of the engine. This activity is expected to commence on July 14, 2009, after the team completes a full analysis of the new data. The second stage is designed to inject up to 170 kW of additional power into the plasma for a total of 200 kW, the engine’s total rated power.

The present configuration achieves drastic increases in key rocket performance parameters over previous VX-200i results, including a 5-fold increase in propellant flow rate and an equivalent increase in the rate of plasma production with a ten-fold increase in the magnetic field, all consistent with the conditions required for space flight.

The VX-200 engine is the first flight-like prototype of the VASIMR® propulsion system, a new high-power plasma-based rocket, initially studied by NASA and now being developed privately by Ad Astra. VASIMR® engines could enable space operations far more efficiently than today’s chemical rockets and ultimately they could also greatly speed up robotic and human transit times for missions to Mars and beyond.

本帖被以下淘专辑推荐:

hkhtg090201 发表于 2009-7-7 17:12 | 显示全部楼层
科学: 超导等离子火箭引擎测试成功

  休斯顿Ad Astra火箭公司在超导状况下全功率成功测试了VX-200等离子引擎第一节。Ad Astra由华裔宇航员张福林创建,去年10月等离子引擎原型首次测试成功。
VX-200是可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)全尺寸原型。VASIMR是一种新的高功率等离子推进技术,最初由NASA研究,目前由Ad Astra独自开发。这种新引擎比现在使用的化学引擎更有效率,速度更快,能缩短有人和无人飞行器执行太空探索任务的时间。Ad Astra希望能在2010年末将VF-200-1送人太空。
 楼主| cmj9808 发表于 2009-7-7 21:33 | 显示全部楼层
补充一下,根据之前Ad Astra公司于Oct/24/2008发布的<VASIMR VX-200 first stage achieves full power rating>,VX-200 引擎包括两部分:其中一部分(也就是文中提到的first stage)是利用helicon将氩转换成等离子体,功率是30kW,6号这次和08年那次进行的都是这一部分的实验。另一部分(second stage)则是把等离子体加速并转化成推力,功率170kW,预计将在7月14日进行试验。两部分总功率合计200kW
Nighthawk 发表于 2009-7-7 22:06 | 显示全部楼层
不知道它的推力、比冲数据会是多少
 楼主| cmj9808 发表于 2009-7-7 22:39 | 显示全部楼层
wiki的数据,VASIMR的理论比冲区间3,000~30,000sec,VX200最佳比冲5000sec,推力约5N
hkhtg090201 发表于 2009-7-8 07:28 | 显示全部楼层
这种“超导等离子体”发动机

欧洲的 用于月球Smart的 和 测地球重力场的 卫星 的离子发动机
有什么异同呢?要强大多少呢?
 楼主| cmj9808 发表于 2009-7-8 19:11 | 显示全部楼层
本帖最后由 cmj9808 于 2009-7-8 21:11 编辑
这种“超导等离子体”发动机

欧洲的 用于月球Smart的 和 测地球重力场的 卫星 的离子发动机
有什么异同呢?要强大多少呢?
hkhtg090201 发表于 2009-7-8 07:28


Smart-1的推进器:功率1.2kw,推力68mN,比冲1640 sec
DAWN的推进器:推力90mN,比冲 3100sec
VX-200:功率200kw,比冲3,000-30,000 sec,比冲5,000sec时推力5N

除了性能上的差别以外,主要差别在于VASIMR的比冲和推力是可变的,任务规划可以更灵活。比如在巡航阶段选择高比冲抵推力模式,抵达目的地后切换成低比冲高推力模式进行变轨机动。
另外有提到VASIMR将能量转换成无线电波的频率(RF)产生等离子体,没有电极,使用寿命和安全性上有优势,推进剂也可以选择比较廉价的氢同位素,氖,氩等。
 楼主| cmj9808 发表于 2009-7-8 21:23 | 显示全部楼层
02年的老图,关于将来有可能在ISS上进行试验的VASIMR,年代有点久远,与实际可能有偏差。
由于ISS的电能并不充裕,因此VASIMR将采用电池储存电能、间歇工作的方式,功率限制在约25kW,推力0.2N时比冲10,000sec,0.5N时比冲5,400sec,推进剂使用气态氢。
shaolin1254 发表于 2009-7-9 00:36 | 显示全部楼层
这东西装iss上起什么作用呀,维持轨道的话还不如用联盟,进步这类呢
hkhtg090201 发表于 2009-7-9 06:32 | 显示全部楼层
9# shaolin1254
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NASA计划在国际空间站上试验等离子体发动机-变比冲磁等离子体火箭(Vasimir)。 ...何时进入国际空间站尚不清楚。....美国COTS火箭2010-2011?年可能搭载等离子体发动机前往国际空间站  ..可能在2012?年发射一台等比例离子体火箭发动机模型..
AdAstraRocket 公司负责人称,..
------------
看来主要是实验性质.
shaolin1254 发表于 2009-7-9 10:26 | 显示全部楼层
这东西燃料充足的话作为行星探测器的发动机比较有前途
 楼主| cmj9808 发表于 2009-7-9 14:31 | 显示全部楼层
这东西装iss上起什么作用呀,维持轨道的话还不如用联盟,进步这类呢
shaolin1254 发表于 2009-7-9 00:36

比冲大而推力小的发动机用于轨道调整正合适,当然对于ISS这种大家伙需要足够的推力才行,这也是选择VASIMR进行实验的原因。
Nighthawk 发表于 2009-7-9 22:19 | 显示全部楼层
小推力的优势在于持续高比冲推进效果的积累。如果与ISS的外阻尼力(主要是大气阻力)相当,那就有效果。
一个一吨的探测器,携带几百千克燃料,用一台推力<1N的小推力推进器,比冲数千至一万,不借助于行星引力加速,就可以飞出太阳系。当然时间比较久,得几年,但仍然比化学推进效率高很多了。
着急上火1 发表于 2009-7-10 09:12 | 显示全部楼层
这个发动机的推重比是多少?重量是多少?
 楼主| cmj9808 发表于 2009-7-10 12:35 | 显示全部楼层
暂时还没有VX-200的数据,之前的VX-100是1.5kg/KW,换算过来就是150kg,推力1.5N(推进剂是Ar)
hkhtg090201 发表于 2009-7-28 13:47 | 显示全部楼层
美国公司研发新型发动机 有望39天就能到达火星
2009年07月28日 11:04   来源:中国经济网综合

    据英国《新科学家》杂志报道,当前,美国国内在载人火星之旅和重返月球的优先选择上存在很多争论,而要求率先登陆火星的呼声看上去正占得上风。专家指出,从地球到达火星需半年之久,如此漫长的太空旅行势必会给宇航员身心健康造成极大的压力。不过,研究人员现正测试动力强劲的新型离子发动机,有望使火星之旅缩短为39天。

    早有成功案例
    常规火箭燃烧化学燃料产生推力,但大部分燃料在从地面升空的第一阶段耗尽,所以,火箭常常只能在太空的大部分运行时间里采取滑行模式。另一方面,离子发动机可以令带电原子或离子加速通过电场,因而能反向驱动航天器。相比采用化学燃料的火箭,离子发动机在一定时间内提供的推力相对较少,这意味着它们自身可以不受地球引力的限制。

    可一旦进入太空,它们就像帆船后面绵延不断的微风一样,可以提供持续多年的推力,令其逐渐加速飞行,直至速度超过化学燃料火箭。实际上,迄今已有多个太空探测任务采用离子发动机,如美宇航局的“黎明”号(Dawn)探测器和日本的“Hayabusa”探测器,前者正在赶赴两颗小行星灶神星和谷神星的途中,后者已于2005年与小行星Itokawa相撞。

    新型发动机名为“可变比冲磁致离子浆火箭”(简称VASIMR),比以前几种离子发动机拥有更多的“增长剂”。这是因为它采用射频发生器加热带电粒子或等离子体。射频发生器类似用于播放无线电节目的发射机。VASIMR发动机正在由艾德·阿斯特拉火箭公司(Ad Astra Rocket Company)开发,该公司由物理学家、前美国宇航员张福林(Franklin Chang-Diaz)于2005年创建。

    温度堪比太阳中心

    VASIMR发动机的工作原理与蒸汽机有相似之处,第一级承担类似于沸水生成蒸汽的任务。射频发生器会不断加热氩原子气体,直至电子“汽化”生成等离子体。今年7月2日,艾德·阿斯特拉火箭公司在其位于得克萨斯州韦伯斯特市的总部首次对VASIMR离子发动机的第一级进行了测试。

    一旦从火箭发射出来的话,等离子体自身可以产生推力,只不过效率很低。为最大程度利用效能,火箭第二级会以一百万度加热离子,这一温度相当于太阳中心的温度。在强磁场下,比如超导磁体产生的磁场,离子会以固定频率旋转,VASIMR离子发动机就充分利用这一原理达到了目的。随后,射频发生器转换为同样的频率,向离子中喷射额外的能量。

    强磁场会将等离子体输送到发动机后面,从反向驱动它的运行。由于射频发生器的作用,VASIMR发动机的动力水平比其他发动机高出一百倍,通过将等离子体发动至一系列具有不同电压的金属格,加快等离子体运行速度。在这一条件下,离子会与倾向于侵蚀其的离子相撞,从而限制了火箭的动力和寿命。不过,VASIMR离子发动机的射频发生器永远不会与离子接触,从而避免了这一问题。

    艾德·阿斯特拉火箭公司负责研发的主管杰里德·斯奎尔(Jared Squire)说:“据我们所知,它是有史以来最强大的超导等离子体来源。”该公司科学家上周开始测试发动机的第二级,即加热等离子体的那一级。迄今为止,斯奎尔的团队已在50千瓦的水平下运行这台两级火箭。他们希望在测试中将动力升至200千瓦,这足够提供大约一磅的推力。这或许听上去并不太多,但在太空中,一磅推力可以驱动两吨重的货物。

    与美宇航局建立合作

    艾德·阿斯特拉火箭公司已同美宇航局达成协议,2012年或2013年会将VASIMR发动机安装到国际空间站上进行点火测试。VASIMR发动机具有令国际空间站在轨运行所需要的周期性推力的潜力。在当前的功率水平下,它完全可以依靠太阳能运行。斯奎尔表示,VASIMR发动机将变身地球轨道一个不错的“拖船”,将卫星送入不同的轨道。它还能将航天货物送入月球基地,因为其运行速度相对较快,可用于对付危险的小行星,在小行星抵达地球多年前利用引力使其偏离轨道。

    然而,如果想要在39天内到达火星,那么VASIMR发动机的动力必须达到太阳能动力的1000倍。为此,VASIMR发动机便需要安装核反应堆。从20世纪60年代至80年代,前苏联曾使用过早期的核反应堆技术,但一直没有用于太空探索,所以需要时间去进一步开发。斯奎尔说:“通向目的地的道路有多条。”

    美宇航局新任掌门人查尔斯·博尔登(Charles Bolden)日前对这种短期的火星之旅构想提出了表扬。他表示,美宇航局已向VASIMR发动机的研发提供了一定的经费,并称这是宇航局同私营公司建立合作的典型案例,将有助于宇航局在航天飞机2010年退役以后实现其既定目标。
 楼主| cmj9808 发表于 2009-7-29 14:42 | 显示全部楼层
39天到火星的说法源自02年NASA的一份技术进展报告,如下图所示。
要实现这一宏伟目标需要200MWe的输入功率,即使按转换效率30%计算,仅用于推进系统的反应堆输出功率就需要700MW。且真正降落到火星的有效载荷仅22吨,相比600吨的IMLEO,这一方案采纳的可能性很低。

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 楼主| cmj9808 发表于 2009-7-29 14:51 | 显示全部楼层
下面这个115天到火星的方案更现实一些,所需功率只有前一个方案的1/15,时间要短于NTR的6个月,IMLEO188吨,AresV一次发射即可(使用NTR需要两次发射)。

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 楼主| cmj9808 发表于 2009-10-5 21:14 | 显示全部楼层
VX-200 实现200kW全功率运行里程碑,演示样机VF200-1预计于2013年在ISS进行测试

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jingyan66 发表于 2009-10-7 16:16 | 显示全部楼层

Ad Astra火箭公司测试世界上最强离子推

Rocket company tests world's most powerful ion engine


21:54 05 October 2009 by David Shiga

Rockets that would use charged particles to propel super-fast missions to Mars are one step closer, now that a small-scale prototype has been demonstrated at full power.

The ion engine may be used to maintain the orbit of the International Space Station within the next five years, and could lay the groundwork for rockets that could one day travel to Mars in about a month.

Since 2005, the Ad Astra Rocket Company of Webster, Texas, has been working to perfect a type of engine it calls VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket).

It uses radio waves to heat argon gas, turning it into a hot plasma – a state of matter in which electrons are no longer bound to atomic nuclei. Magnetic fields then squirt the superheated plasma out the back of the engine, producing thrust in the opposite direction.

It shoots the propellant out at much higher velocity than conventional engines, resulting in far more acceleration per kilogram of fuel consumed.

In the near term, the company hopes to use a 200-kilowatt VASIMR engine to provide periodic boosts to the orbit of the International Space Station (ISS), which gradually drops in altitude due to atmospheric drag.

Now, the company has run such an engine at full power for the first time. On Wednesday, it ran its VX-200 engine at 201 kilowatts in a vacuum chamber in Houston, passing the 200-kilowatt mark for the first time.

NASA deal

"It's the most powerful plasma rocket in the world right now," says Franklin Chang-Diaz, the former NASA astronaut who heads the company.

The nearest thing to a competitor is NASA's 50-kilowatt Hall thruster, an engine based on accelerating electrically charged atoms, or ions, that the agency stopped developing in 2005 due to budget cuts.

Ad Astra has signed an agreement with NASA to test a 200-kilowatt VASIMR engine on the ISS in 2013. The company is talking to two space firms, SpaceX and Orbital Sciences, about the possibility of delivering the engine to the ISS on one of their launch vehicles.

If the tests go well, the company hopes to offer regular boosts to the space station's orbit on a commercial basis starting the following year.

More efficient

Previously, spacecraft – including Russian and European cargo ships – have provided these boosts by firing their engines while docked with the space station.

But with conventional thrusters, the boosts consume 7.5 tonnes of propellant each year. VASIMR could do the same job with just 0.3 tonnes of argon per year, Chang-Diaz says. Since it is expensive to launch fuel into orbit, that could save millions of dollars per year, he says.

The revenue generated by the ISS boosts would help the company "make the technology better and enable human missions to Mars", Chang-Diaz told New Scientist.

Less radiation

A 10- to 20-megawatt class VASIMR engine could propel human missions to Mars in as little as 39 days, he says, compared to the six months or more required with conventional rockets.

The shorter trip would reduce astronaut exposure to space radiation, which could otherwise be a major barrier for human missions to Mars, especially given signs that radiation levels may be particularly high in coming decades.

Propelling fast trips to Mars may one day be very profitable for the company, says Chang-Diaz. "But for now, profit is not at Mars, it's closer to Earth," he says.

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