Silniki jonowe wkrótce podstawowym napędem statków kosmicznych
Firma Ad Astra Rocket Co. przeprowadziła ostatnio wewnętrzne studia dotyczące zastosowań plazmowego silnika VASIMR w różnego typu misjach. Na podstawie nieustannie prowadzonych analiz oraz demonstracji przedstawiciele firmy chcą przekonać partnerów biznesowych do zalet tego silnika jonowego.
Właściciele firmy Ad Astra Rocket Company przekonują, iż wachlarz zastosowań ich plazmowego silnika o zmiennym ciągu o nazwie VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) jest bardzo szeroki. Ta jednostka napędowa mogłaby być stosowana zarówno w głębokiej przestrzeni kosmicznej, jak i na niskiej orbicie wokółziemskiej, gdzie przebywa wiele satelitów wymagających ciągłych korekt orbity, uzupełnienia paliwa, itd.
Adresatem pierwszego z wymienionych obszarów zastosowania może być agencja NASA, której jednym z bliższych celów w ramach strategii eksploracyjnej Flexible Path może być misja do asteroidy typu NEA (Near Earth Asteroid). W ostatnim czasie uwagę skupił pomysł sprowadzenia asteroidy NEA 2008HU4 na wysoką orbitę księżycową, co mogłoby zostać przeprowadzone właśnie za pomocą stopnia napędowego wyposażonego w silnik VASIMR. Sprowadzona asteroida posłużyłaby jako "platforma-cel" dla misji załogowych realizowanych przez NASA. Studia dotyczące tej koncepcji przeprowadzone zostały przez Keck Institute for Space Studies (KISS).
Koszt przeprowadzenia 10-letniej misji, która opisana została przez KISS, oszacowany został na 2,6 mld dolarów (wg dzisiejszej wartości). Właściciele firmy Ad Astra uważają, że ten koszt mógłby zostać obniżony po rezygnacji z proponowanych w studium zasilanych ksenonem silników Halla o mocy 40 kW. Zamiennie mogłyby zostać zastosowane silniki VASIMR o mocy od 100 do 400 kW. Silniki te zasilane by były lżejszym i tańszym argonem lub kryptonem.
Według firmy Ad Astra drugim potencjalnym zastosowaniem stopnia napędowego wykorzystującego silnik VASIMR mogłoby być zaprowadzenie porządku na niskiej orbicie wokółziemskiej. Obecnie wiele podmiotów wskazuje na osiągnięcie krytycznego punktu zanieczyszczenia niskiej orbity przez tzw. śmieci kosmiczne. W związku z wizją kolejnych kolizji, generujących co raz więcej odłamków, proponowanym rozwiązaniem przez firmę Ad Astra jest wykorzystanie efektywnych stopni napędowych, dzięki którym do atmosfery sprowadzono by 19 dużych, znanych śmieci kosmicznych, w skład których wchodzą przede wszystkim górne stopnie rosyjskich rakiet Zenit.
Ad Astra do oczyszczenia niskiej orbity wokółziemskiej proponuje wykorzystać człon napędowy oparty na zasilanym argonem silniku VASIMR o mocy 200 kW. Jednostka ta miałaby możliwość wielokrotnej zmiany inklinacji i wysokości swojej orbity. W skład tej jednostki "czyszczącej" wchodziłoby także 20 mniejszych stopni napędowych, zasilanych paliwem stałym, tzw. SRMs (Solid Rocket Motors). Po dotarciu w okolice górnego stopnia rakiety Zenit ze stopnia napędowego wyposażonego w silnik VASIMR odseparowałaby się rakietowa platforma CRP (Chemical Rocket Pod), której zadaniem byłoby wykonanie manewru podejścia oraz pochwycenia górnego stopnia rakiety Zenit. Następnie CRP wraz z ładunkiem powróciłby do stopnia napędowego, gdzie dokonana by została automatyczna instalacja jednego ze stopni SRM w miejsce dyszy rakiety Zenit. Potem nastąpiłoby zejście na wysokość ok. 400 km, skąd uwolniony górny stopień rakiety Zenit przy wykorzystaniu SRM trafiłby do ziemskiej atmosfery w celu zniszczenia.
Funkcjonujące na niskiej orbicie wokółziemskiej stopnie napędowe wyposażone w silniki VASIMR byłyby zalążkiem całej rodziny, której zadaniem byłoby w późniejszym czasie także sprowadzanie do atmosfery lub dostarczanie paliwa do satelitów komunikacyjnych na wyższych orbitach.
Silnik VASIMR to elektryczno-magnetyczna jednostka napędowa należąca do rodziny silników jonowych, w której za pomocą fal radiowych czynnik roboczy (paliwo) podlega jonizacji oraz podgrzaniu. Ciąg generowany jest w wyniku przyspieszania powstałej plazmy za pomocą pól magnetycznych. VASIMR jest jednym z typów napędów elektrycznych SEP (Solar Electric Propulsion).
Dyrektor Ad Astra, Franklin Chang-Diaz, siedmiokrotny uczestnik misji amerykańskich promów kosmicznych oraz fizyk plazmowy, od ponad 30 lat pracuje nad koncepcją napędu VASIMR. W 2005 roku firma Ad Astra przejęła prowadzenie rozwoju koncepcji tego napędu od agencji NASA i Massachusetts Institute of Technology (MIT). Chang-Diaz razem ze współpracownikami zbudowali zasilany argonem prototyp silnika VASIMR o nazwie VX-200. Moc tej jednostki napędowej to 200 kW. W komorze próżniowej firmy As Astra prototyp ten odpalony został ponad 10 tys. razy, demonstrując efektywność przekraczającą poziom 70%. Obecnie trwają prace nad opracowaniem charakterystyki pracy prototypu VX-200 zasilanego kryptonem, co zapewnić powinno wyższy generowany ciąg.
W grudniu zeszłego roku Ad Astra podpisała z agencją NASA trzecie przedłużenie umowy typu SAA (Space Act Agreement) z 2005 roku. Dokument ten zakłada umieszczenie do 2016 roku na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej prototypowego silnika VASIMR o nazwie VF-200-1. W ten sposób firma chce po raz pierwszy uzyskać charakterystyki pracy takiego silnika w warunkach panujących w przestrzeni kosmicznej. Z kolei pod koniec tej dekady firma planuje przetestować w przestrzeni kosmicznej niezależny prototyp silnika VASIMR o nazwie VF-200-2.
Źródło informacji (Ad Astra)
Maciej Mickiewicz
