Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Сверхпроводниковые магнитные системы космического применения

2015, Tом 12, выпуск 1
Тематика: ВТСП устройства

В 20 веке человечество сделало первые шаги в космос. В этом обзоре мы рассмотрим, как высокотемпературная сверхпроводимость может помочь в освоении дальнего космоса, пилотируемых межпланетных экспедициях и при создании постоянных баз на Луне и других планетах.

Плазменные двигатели

Для химических двигателей скорость истечения рабочего тела принципиально не может быть больше 4-5 км/с. На разгон до второй космической скорости, тратится топливо, в десятки раз превышающие по массе полезную нагрузку. Электрореактивные (ионные, плазменные) двигатели обладают на несколько порядков меньшей тягой, зато скорость истечения рабочего тела может достигать десятков и сотен км/с. Космические корабли с ядерными силовыми установками и электрореактивными двигателями [1]:могут быть использованы для освоения Луны, межпланетных пилотируемых экспедиций, доставки грузов в дальний космос, противодействия астероидно-кометной опасности, очистки космического пространства от техногенного мусора, захоронения особо опасных радиоактивных отходов, буксировки спутников на высокие орбиты и корректировки орбит.

На Рис. 1 показана схема космического буксира с ядерной энергетической установкой мощностью 1 МВт (а) и общий вид космического корабля для пилотируемого полета на Марс с ядерным электрореактивным двигателем на 24 МВт (б).

Капельный холодильник-излучатель определяет размер корабля (наряду с безопасным расстоянием от кабины до реактора). Его гигантские размеры связаны с необходимостью отводить излучением в космический вакуум избыток тепловой мощности реактора. Вопрос КПД для реакторов перспективных космических кораблей наиболее актуален. Россия является лидером в области космической ядерной энергетики. Еще в советское время разрабатывался ряд изотопных источников и портативных реакторов для питания космических аппаратов, некоторые из них прошли полетные испытания. В КБ Химавтоматики в Воронеже был разработан реактор для создания реактивной тяги. В США также имеются аналогичные разработки. Для питания электрореактивных двигателей предполагается использовать реакторы на быстрых нейтронах с температурой активной зоны 2000 - 3000 К. Основная проблема заключается в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Термоэмиссионные преобразователи имеют слишком низкий КПД. Турбо-генераторы обладали бы недостаточным ресурсом, так как работа турбины при 2000 К в течении нескольких тысяч часов проблематична. 

Рис. 1. (а) Космический буксир с ядерной газотурбинной установкой на 1 МВТ: 1 - реакторная установка; 2 - капельный холодильник-излучатель; 3 - приборно-агрегатный отсек; 4 - блок электрореактивных двигателей; 5 - контейнер с грузом;

(б) Межпланетный корабль для полета к Марсу: 1 - корабль доставки и возвращения экипажа; 2 - взлетно-посадочный комплекс; 3 - стыковочные агрегаты; 4 - складской модуль; 5 - межпланетный корабль; 6 - энергодвигательный комплекс на 24 МВт

 

Электрореактивные двигатели применяются в космосе уже десятки лет для коррекции орбит спутников и вывода аппаратов на высокие орбиты. Мощность таких двигателей достигает десятков кВт, питание осуществляется от радиоизотопных источников и солнечных батарей. Удельный импульс на порядок выше, чем у химических двигателей, что позволяет экономить рабочее тело и совершать многократные маневры. Удельный импульс используемых в настоящее время электрореактивных двигателей ограничен напряжением разряда, а мощность, тяга и время непрерывной работы – ресурсом работы электродов.

Альтернативой являются безэлектродные плазменные двигатели, использующие высокочастотные методы нагрева плазмы и магнитную термоизоляцию, например, реализуемая в настоящее время схема VASIMR [2], [3], [4].

VASIMR (variable specific impulse magnetoplasma rocket) - электромагнитный плазменный ускоритель с изменяемым удельным импульсом. Схема такого двигателя изображена на Рис. 2. Устройство состоит из геликонной и ионно-циклотронной (ИЦР) антенн, а также магнитной системы, обеспечивающей изоляцию плазмы от стенок. Тяга создается путем ввода высокочастотной энергии в плазму и перевода тепловой энергии плазмы в кинетическую. В область геликонного резонанса впрыскивается рабочее тело, которое ионизируется, и образовавшаяся плазма нагревается в области ионно-циклотронного резонанса до температур ~1 МК и выше (100-1000 МК в перспективе). В области магнитного сопла вращательное движение ионов переходит в поступательное, создавая тягу с опорой на магнитное поле. После прохода сопла ускоренные ионы срываются с силовых линий магнитного поля. Управляя соотношением ВЧ мощностей в геликонной и ионно-циклотронной антеннах, можно менять удельный импульс рабочего тела и тягу. Чем выше доля геликонной мощности, тем больше количество плазмы и выше тяга. При повышении доли ионно-циклотронной мощности возрастает температура плазмы, скорость ионов и удельный импульс. На Рис. 2б. показана конструкция одного из первых прототипов VASIMR, мощностью в 50 кВт, а также профиль аксиального магнитного поля на его центральной оси.

Рис. 2. (а) Схема работы VASIMR (б) Лабораторный прототип VASIMR на 50 кВт и распределение магнитного поля вдоль его оси [2].

Величина магнитного поля влияет на радиус плазменного шнура, с ростом поля он сокращается вместе с ларморовским радиусом вращения ионов. Кроме того, плотность энергии плазмы серьезно возрастает с увеличением амплитуды поля в области ионно-циклотронного резонанса, поэтому в мощных VASIMR двигателях будет целесообразно максимальное поле в несколько Тесла, изменяющееся в зависимости от мощности двигателя. Магнитная система VASIMR может быть только сверхпроводниковой, из соображений удобства поддержания криогенных температур в космосе, рабочая температура не может быть ниже 20 К. На Рис. 3 изображен двигатель мощностью 200 кВт в наземном варианте внутри высоковакуумного испытательного стенда. Работа плазменных двигателей с ИЦР нагревом требует вакуума 10-6-10-9 Тор. В ходе разработок необходимо проводить наземные испытания, для чего требуются крупногабаритные вакуумные камеры с высокопроизводительными крионасосами.

Рис. 3. 200 кВт прототип VASIMR на испытательном стенде [4].

Рис. 4. (а) Схема подвески, теплового экранирования и проточного охлаждения магнитной системы VASIMR (б); Охлаждения турбинным криокулером на обратном цикле Брайтона (в); Тепловые экраны [3]

 

Магнитные системы VASIMR [4], были изготовлены из ВТСП ленты 1-го поколения, так как ко времени начала работ производство ВТСП 2-го поколения было еще недостаточно развито. Магнитная система VASIMR работает при температурах 35 К. Система охлаждения обмоток VASIMR, их подвеска и тепловое экранирование изображены на Рис. 4. [3]. Температура тепловых экранов составляет 77 К. Для охлаждения ВТСП обмоток предполагается использовать турбинные криокулеры на обратном цикле Брайтона, так как они компактны, отличаются малым весом, длительным ресурсом и низким уровнем вибрации. Охлаждение обмоток и теплового экрана - проточное, при помощи газообразного гелия. Система криогенного обеспечения успешно прошла испытания на наземном стенде. По критерию минимального веса ВТСП магнитная система вместе с криостатом и турбинным криокулером Брайтона признана оптимальной для полетного варианта VASIMR мощностью 200 кВт.

На сегодня наземные испытания 200 кВт прототипа VASIMR завершены, а испытания на МКС, ранее запланированные в 2014 г, перенесены на 2015 г. При использовании VASIMR на МКС возможны следующие проблемы:

В Курчатовском институте ведутся исследования по магнитным плазменным ловушкам, результаты которых могут быть использованы для создания безэлектродного плазменного двигателя с магнитной термоизоляцией и высокочастотным нагревом плазмы [5].

В перспективе могут быть созданы энергодвигательные установки с электрической мощностью модулей в диапазоне 1-200 МВт, а в более далекой перспективе – термоядерные реактивные двигатели с использованием дополнительного нагрева рабочего тела за счет реакций термоядерного синтеза. Подобные двигатели смогут увеличить скорости космических кораблей на 2-3 порядка, обеспечить длительное многократное маневрирование и доставку большого количества груза.

Магнитные системы таких плазменных двигателей, создающие поле в несколько Тесла в объеме в несколько кубических метров, могут быть изготовлены из сильноточных ВТСП токонесущих элементов. Пример сильноточного токонесущего элемента из большого числа ВТСП лент 2-го поколения - разрабатываемый и производимый в Курчатовском институте геликоидальный токонесущий элемент с проточным охлаждением [6], который в различных вариантах конструкции применим и в обмотках безэлектродных плазменных двигателей. Прототипы магнитных систем для плазменных двигателей, как и другие их элементы, можно и нужно начать создавать уже сейчас.

Магнитное экранирование космических

аппаратов от заряженных частиц

Для дальних космических полетов и баз на других планетах остро встает вопрос радиационной безопасности. Основную угрозу представляют заряженные частицы - протоны галактического и солнечного происхождения. На низких околоземных орбитах от них достаточно хорошо защищает магнитное поле Земли, поэтому экспедиции на МКС возможны без дополнительной радиационной защиты. Полеты на Луну прошли для экипажа без последствий лишь в силу своей кратковременности.

Единственным надежным способом защиты экипажа от космического излучения за пределами магнитосферы является магнитное экранирование, само по себе или в сочетании с традиционными методами радиационной защиты [7]. Защита электрическим полем нецелесообразна, из-за того, что электрическое поле разгоняет или тормозит частицы, а магнитное поле только отклоняет их. Защита от радиации веществом малоэффективна по причине большой массы и вторичного излучения - наиболее энергичные частицы необходимо отклонять.

Рекомендуемые энергии отсечки протонов радиационной защитой, по различным источникам (и для различной длительности экспедиций, а также в зависимости от фазы солнечной активности), лежат в диапазоне до сотен МэВ [8], [7]. Диаметр и длина экранируемой части космического аппарата имеют порядок в несколько метров. Предлагаемые в работах [7], [8] и [9] магнитные системы создают поля в несколько Тесла вокруг защищаемого отсека. Важным требованием к магнитной системе радиационной защиты является поле внутри экранируемого объема – оно не должно превышать допустимой величины - порядка земного магнитного поля (порядка 10-4 Тл. Все это диктует требования к размерам, форме и параметрам обмоток. Возможная форма контуров с током показана на Рис. 5, или на Рис. 6а. На Рис. 6б показан тороидальный экранирующий магнит из 24 обмоток типа «рейстрэк», который предлагается изготовить из сильноточного токонесущего элемента на основе диборида магния [9].

Магнитное поле на стенках экранируемой кабины составит всего 10 мТл и снижается до 1 мТл в 0,2 м от стенки кабины. Значения силы, изгибающей траектории частиц, составляет в различных вариантах от 5,4 до 11,4 Тл·м, что соответствует энергиям отсечки 0,3-1 ГэВ. Максимальное поле на обмотке составляет 4 Тл. Предполагается, что такая магнитная система сможет работать при температуре 14 К с использованием твердого водорода для стабилизации температуры.

Рис. 5. Два варианта коаксиальной магнитной защиты [7].

а

б

 

Рис. 6. (а) Схема магнитной защиты с частичной защитой торцов кабины [8]. (б) сверхпроводниковая тороидальная магнитная система из 24 обмоток типа «рейстрэк» [9].

Однако, поддержание температуры 14 К в космосе в течение нескольких лет в большом объеме значительно сложнее в реализации и требует больших энергетических затрат чем для температуры 30 К.

К тому же, создание подобных систем радиационной защиты произойдет не раньше 30-х или даже 40-х годов, а на тот момент токонесущие элементы на основе ВТСП-2, скорее всего, будут производиться массово по ценам, намного меньшим, чем сейчас. Поэтому, целесообразно рассматривать такие магнитные системы, исходя из сильноточных ВТСП-2 токонесущих элементов.

Имитация магнитного поля Земли

Длительное пребывание вне земной магнитосферы может вызвать нарушения здоровья и работоспособности [7]. Создание искусственной магнитосферы может оказаться необходимым для межпланетных экспедиций и жизнеобеспечения баз на Луне и планетах со слабым магнитным полем (Марс, астероиды и др.). На космических кораблях, из-за их сравнительно небольших объемов, создание магнитных полей, на уровне земного, может быть осуществлено при помощи обычных проводников, с расходом электроэнергии в десятки ватт, поэтому необходимости в применении сверхпроводника нет. В случае создания искусственной магнитосферы на всей территории планетарной базы целесообразно применение систем Максвелла, Гельмгольца, Гаррета и др., с вертикальной или горизонтальной укладкой витков [7]. В зависимости от размеров территории, может быть целесообразным использование токонесущего элемента из ВТСП с проточным охлаждением жидким азотом. Поле может быть стабилизированным или с зависящей от времени амплитудой.

 

1. Лопота В.А., Синявский В.В., Легостаев В.П. Перспективы и эффективность применения космических ядерно-энергетических установок и ядерных электроракетных двигательных установок // Космическая техника и технологии. — Выпуск 1. — 2013. — c. 4-15.

2. F.R. Chang-Diaz et. al. Electromagnetic ion cyclotron resonance heating in the VASIMR // Advances in Space Research. — Выпуск 42. — 2008. — c. 192-205.

3. Dietz et. al., Flow Cooling Of Superconducting Magnets For Spacecraft Applications // Advances in Cryogenic Engineering: Transactions of the Cryogenic Engineering Conference - CEC. — Выпуск 53. — 2008. — c. 291-298.

4. Chris S. Olsen, Franklin R. Chang Díaz, Leonard D. Cassady, Benjamin W. Longmier, Maxwell G. Ballenger, Mark D. Carter, Tim W. Glover, Greg E. McCaskill Jared P. Squire The 32nd International Electric Propulsion Conference // VASIMR® VX-200 Operation at 200 kW and Plume Measurements: Future Plans and an ISS EP Test Platform. — Wiesbaden, Germany, 2011.

5. Е.Ю. Брагин, В.А. Жильцов, В.М. Кулыгин, С.В. Янченков, А.В. Березкин Экспериментальные исследования плазменных потоков в открытой ловушке с тороидальным дивертором при эцр-разряде // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. — №37, — Выпуск 1. — 2014. — c. 47-55.

6. Иванов Д.П., Новиков С.И., Шуваев С.А., Новиков М.С. Токонесущий элемент на основе ВТСП 2-го поколения для магнитной системы термоядерного источника нейтронов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. — №37, — Выпуск 4. — 2014. — c. 22-29.

7. Радиационная и электромагнитная безопасность длительных и дальних космических полетов. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Труханов К.А. Москва 2006.

8. Piero Spillantini Superconducting magnets and mission strategies for protection from ionizing radiation in interplanetary manned missions and interplanetary habitats // Acta Astronautica. — Выпуск 68. — 2011. — c. 1430-1439.

9. Valerio Calvelli, Stefania Farinon, Roberto Battiston, William J. Burger, Piero Spillantini, Riccardo Musenich A Magnesium Diboride Superconducting Toroid for Astroparticle Shielding // IEEE Transactions On Applied Superconductivity, VOL. 24, NO. 3, JUNE 2014. — №24, — Выпуск 3. — June 2014. 

 

 

 

 

М.С. Новиков

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.