VASIMR на испытательном стенде Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом (англ. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR) — электромагнитный плазменный двигатель, предназначенный для реактивного ускорения космического аппарата. Реактивный двигатель использует радиоволны для ионизации рабочего тела с последующим разгоном полученной плазмы с помощью электромагнитного поля для получения тяги.
Способ нагрева плазмы, используемый в VASIMR, был разработан в результате исследований в области термоядерного синтеза. Цель разработки VASIMR — заполнить разрыв между высокоэффективными реактивными системами малой тяги с высоким удельным импульсом и низкоэффективными системами большой тяги с низким удельным импульсом. VASIMR способен работать в режимах, близких к системам большой тяги и малой.
Концепция двигателя предложена астронавтом и учёным Франклином Чанг-Диазом из Коста-Рики в 1979 году и продолжает развиваться в настоящее время.
VASIMR, иногда рассматриваемый как электротепловой плазменный ускоритель (ЭПУ), использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для ускорения плазмы для создания тяги. Этот тип двигателя можно рассматривать как разновидность безэлектродного плазменного двигателя, отличающегося в способе ускорения плазмы. Оба типа двигателя не имеют никаких электродов. Основное преимущество такого проекта состоит в исключении эрозии электродов. Более того, так как все части VASIMR защищены магнитным полем и не приходят в прямой контакт с плазмой, потенциальная продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя.
Проект включает в себя три части:
Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, из которого создаётся плазма, VASIMR способен как производить малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.
Диаграмма VASIMR В отличие от обычных циклотронно-резонансных нагревающих процессов, ионы в VASIMR сразу же проходят через магнитное сопло быстрее времени, необходимого для достижения термодинамического равновесия. Основываясь на теоретической работе 2004 года Арефьева и Брейзмана из Техасского университета в Остине, практически вся энергия в ионной циклотронной волне будет равномерно распределена в ионизированной плазме за один проход в циклотронном абсорбционном процессе. Это позволяет ионам покинуть магнитное сопло с очень узким распределением энергии, что даёт упрощённое и более плотное распределение магнитов в двигателе.[1]
Текущие VASIMR должны обладать удельными импульсами в диапазоне от 3000 до 30 000 секунд (скорости истечения от 30 до 300 км/с). Нижний предел этого диапазона сопоставим с некоторыми существующими концепциями ионных двигателей. Регулируя получение плазмы и нагрев, VASIMR может управлять удельным импульсом и тягой. Двигатель также способен использовать гораздо более высокие уровни энергии (мегаватты) по сравнению с существующими концепциями ионных двигателей. Поэтому VASIMR может обеспечить в десятки раз большую тягу, при условии наличия подходящего источника энергии.
VASIMR не подходит для подъёма полезной нагрузки с поверхности планеты (например, Земли) на околопланетную орбиту из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости (например, для старта корабля с околопланетной орбиты). Он может быть использован в качестве последней ступени, уменьшая потребность в топливе для транспортировки в космосе, или в качестве разгонного блока. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости аналогов на основе технологий химического реактивного движения:
Другие применения VASIMR (например, доставка людей к Марсу) требуют наличия источников очень высоких энергий с небольшой массой, таких как, например, ядерные энергоблоки.
В августе 2008 г. Тим Гловер, директор по развитию фирмы «Ad Astra», заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR является «заброс грузов (не людей) с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту» и будет предназначено для поддержки программы НАСА возвращения на Луну.[2]
 | Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон. |
Основным разработчиком VASIMR является «Ad Astra Rocket Company[en]». В настоящее время основные усилия были направлены на улучшение общей эффективности двигателя, путём увеличения уровней используемой энергии. Согласно данным компании, ещё совсем недавно эффективность VASIMR составляла 67%. Опубликованные данные по двигателю VX-50 говорят о том, что двигатель способен использовать 50 кВт на излучение в радиодиапазоне, обладает КПД 59%, вычисленное следующим образом: 90% NA эффективность процесса получения ионов × 65% NB эффективность процесса ускорения ионов. Модель VX-100, как ожидается, будет иметь общую эффективность 72 %, путём улучшения параметра NB, то есть эффективности ускорения ионов, до 80 %.[3][4]
Однако имеются дополнительные меньшие потери эффективности, относящиеся к превращению энергии постоянного тока в радиоволновую энергию и потребление энергии сверхпроводящими магнитами. Для сравнения, рабочий ионный двигатель NASA HiPEP, обладает общей эффективностью ускорителя 80%.[5] Опубликованные данные испытаний двигателя VASIMR модели VX-50 показывают, что он способен производить 0,5 Н тяги. «Ad Astra Rocket Company» планировала проведение испытаний прототипа двигателя VX-200 в начале 2008 г. с мощностью излучения в радиодиапазоне 200 кВт с целью достижения требуемой эффективности, требуемой тяги и удельного импульса.
24 октября 2008 года компания заявила, что генерация плазмы двигателем VX-200 с помощью радиоволн первой ступени или твердотельным высокочастотным излучателем энергии достигла планируемых рабочих показателей. Ключевая технология, твердотельное преобразование энергии постоянного тока в радиоволны, стала крайне эффективной и достигла уровня 98%. Радиоволновый импульс использует 30 кВт для превращения аргона в плазму, оставшиеся 170 кВт расходуются на разгон и разогрев плазмы в задней части двигателя с помощью ион-циклотронного резонансного разогрева.[6]
На основании данных, опубликованных по предыдущим испытаниям VX-100[7], можно ожидать, что двигатель VF-200, который должен быть установлен на МКС, будет иметь системную эффективность 60—65% и уровень тяги 5 Н. Оптимальный удельный импульс предполагается на уровне 5000 с с использованием в качестве рабочего тела аргона. Удельная мощность оценивается в 1 кг/кВт, что означает, что масса данной версии VASIMR будет составлять только 300 кг.
Одна из оставшихся проблем — определение соотношения потенциально возможной тяги по отношению к действительному её значению. То есть, будет или нет горячая плазма находится на расстоянии от двигателя на самом деле. Это будет подтверждено в 2009 г, когда двигатель VX-200 будет установлен и испытан в достаточно большой вакуумной камере. Другая проблема — управление выделяемой побочной теплотой при работе (60% эффективности означает около 80 кВт ненужной теплоты), решение которой критически важно для продолжительной работы двигателя VASIMR.
10 декабря 2008 года «Ad Astra Rocket Company» заключила договор с NASA на определение расположения и испытание полётной версии VASIMR VF-200 на МКС. Его запуск был запланирован на 2015 г.[8]
7 июля 2009 года сотрудники «Ad Astra Rocket Company» удачно испытали плазменный двигатель на сверхпроводящих магнитах.[9]
VASIMR-двигатель на МКС будет использоваться в пакетно-монопольном режиме, с периодическими включениями. Так как производство электроэнергии на МКС недостаточно велико, система будет включать в себя набор батарей с достаточно малым потреблением тока для подзарядки, которая позволит двигателю работать в течение 10 мин. Этого будет достаточно для поддержания высоты станции, что исключит необходимость дорогостоящей операции по подъему станции с использованием химических ракетных двигательных блоков.
В 2015 году Компания Ad Astra Rocket выиграла 10-ти миллионный тендер на постройку межпланетного ионного двигателя «Vasimr», способного доставить экспедицию на Марс менее чем за сорок дней[10]. В 2016 году компания Ad Astra Rocket сообщила, что КПД двигателя вырастет с 70 до 75%, если использовать криптон вместо аргона. Тяга двигателя достигнет 2 Н. Работы на территории компании в Техасе ведутся по замене старого магнита на сверхпроводящий магнит нового типа без охлаждения жидким азотом. Остается проблема электрического заряда двигателя. При его работе струя выбрасывает заряженные ионы, но оставшиеся электроны заряжают корпус. В наземных условиях невозможно замерить этот эффект зарядки корпуса. Пока считается, что этот эффект мал и на всех электрических ракетных двигателях эта проблема была решена во время испытаний.
Космический корабль с VASIMR в представлении художника Наиболее важным в обозримом будущем применением космических аппаратов с двигателями VASIMR является перевозка грузов (особенно межпланетная). Многочисленные исследования показали, что космический корабль с маршевыми двигателями VASIMR будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с кораблями с обычными химическими ракетными двигателями. Космический буксир, ускоряемый одним VF-200, был бы способен переместить 7 т груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полёта.
NASA планирует перемещение 34 т полезного груза от Земли до Луны. Для того, чтобы совершить такое путешествие, должно быть сожжено около 60 тонн кислород/водород. Сопоставимый космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих 1 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или от ядерного реактора. Для того, чтобы проделать такую же работу, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Время полёта буксира может быть сокращено за счёт полёта с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе рабочего тела). Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 с или за 14 дней при удельном импульсе 3000 с.
Предполагается, что 200-мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществлять полёты с доставкой людей к Марсу всего за 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые требуются космическим аппаратам с обычными ракетными двигателями.[11]
wikipedia.green
VASIMR, иногда рассматриваемый как электротепловой плазменный ускоритель (ЭПУ), использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для ускорения плазмы для создания тяги. Этот тип двигателя можно рассматривать как разновидность безэлектродного плазменного двигателя, отличающегося в способе ускорения плазмы. Оба типа двигателя не имеют никаких электродов. Основное преимущество такого проекта состоит в исключении эрозии электродов. Более того, так как все части VASIMR защищены магнитным полем и не приходят в прямой контакт с плазмой, потенциальная продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя.
Проект включает в себя три части:
Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, из которого создаётся плазма, VASIMR способен как производить малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.
Диаграмма VASIMRВ отличие от обычных циклотронно-резонансных нагревающих процессов, ионы в VASIMR сразу же проходят через магнитное сопло быстрее времени, необходимого для достижения термодинамического равновесия. Основываясь на теоретической работе 2004 года Арефьева и Брейзмана из Техасского университета в Остине, практически вся энергия в ионной циклотронной волне будет равномерно распределена в ионизированной плазме за один проход в циклотронном абсорбционном процессе. Это позволяет ионам покинуть магнитное сопло с очень узким распределением энергии, что даёт упрощённое и более плотное распределение магнитов в двигателе.[1]
Текущие VASIMR должны обладать удельными импульсами в диапазоне от 3000 до 30 000 секунд (скорости истечения от 30 до 300 км/с). Нижний предел этого диапазона сопоставим с некоторыми существующими концепциями ионных двигателей. Регулируя получение плазмы и нагрев, VASIMR может управлять удельным импульсом и тягой. Двигатель также способен использовать гораздо более высокие уровни энергии (мегаватты) по сравнению с существующими концепциями ионных двигателей. Поэтому VASIMR может обеспечить в десятки раз большую тягу, при условии наличия подходящего источника энергии.
VASIMR не подходит для подъёма полезной нагрузки с поверхности планеты (например, Земли) на околопланетную орбиту из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости (например, для старта корабля с околопланетной орбиты). Он может быть использован в качестве последней ступени, уменьшая потребность в топливе для транспортировки в космосе, или в качестве разгонного блока. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости аналогов на основе технологий химического реактивного движения:
Другие применения VASIMR (например, доставка людей к Марсу) требуют наличия источников очень высоких энергий с небольшой массой, таких как, например, ядерные энергоблоки.
В августе 2008 г. Тим Гловер, директор по развитию фирмы «Ad Astra», заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR является «заброс грузов (не людей) с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту» и будет предназначено для поддержки программы НАСА возвращения на Луну.[2]
Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон. |
Основным разработчиком VASIMR является «Ad Astra Rocket Company[en]». В настоящее время основные усилия были направлены на улучшение общей эффективности двигателя, путём увеличения уровней используемой энергии. Согласно данным компании, ещё совсем недавно эффективность VASIMR составляла 67%. Опубликованные данные по двигателю VX-50 говорят о том, что двигатель способен использовать 50 кВт на излучение в радиодиапазоне, обладает КПД 59%, вычисленное следующим образом: 90% NA эффективность процесса получения ионов × 65% NB эффективность процесса ускорения ионов. Модель VX-100, как ожидается, будет иметь общую эффективность 72 %, путём улучшения параметра NB, то есть эффективности ускорения ионов, до 80 %.[3][4]
Однако имеются дополнительные меньшие потери эффективности, относящиеся к превращению энергии постоянного тока в радиоволновую энергию и потребление энергии сверхпроводящими магнитами. Для сравнения, рабочий ионный двигатель NASA HiPEP, обладает общей эффективностью ускорителя 80%.[5] Опубликованные данные испытаний двигателя VASIMR модели VX-50 показывают, что он способен производить 0,5 Н тяги. «Ad Astra Rocket Company» планировала проведение испытаний прототипа двигателя VX-200 в начале 2008 г. с мощностью излучения в радиодиапазоне 200 кВт с целью достижения требуемой эффективности, требуемой тяги и удельного импульса.
24 октября 2008 года компания заявила, что генерация плазмы двигателем VX-200 с помощью радиоволн первой ступени или твердотельным высокочастотным излучателем энергии достигла планируемых рабочих показателей. Ключевая технология, твердотельное преобразование энергии постоянного тока в радиоволны, стала крайне эффективной и достигла уровня 98%. Радиоволновый импульс использует 30 кВт для превращения аргона в плазму, оставшиеся 170 кВт расходуются на разгон и разогрев плазмы в задней части двигателя с помощью ион-циклотронного резонансного разогрева.[6]
На основании данных, опубликованных по предыдущим испытаниям VX-100[7], можно ожидать, что двигатель VF-200, который должен быть установлен на МКС, будет иметь системную эффективность 60—65% и уровень тяги 5 Н. Оптимальный удельный импульс предполагается на уровне 5000 с с использованием в качестве рабочего тела аргона. Удельная мощность оценивается в 1 кг/кВт, что означает, что масса данной версии VASIMR будет составлять только 300 кг.
Одна из оставшихся проблем — определение соотношения потенциально возможной тяги по отношению к действительному её значению. То есть, будет или нет горячая плазма находится на расстоянии от двигателя на самом деле. Это будет подтверждено в 2009 г, когда двигатель VX-200 будет установлен и испытан в достаточно большой вакуумной камере. Другая проблема — управление выделяемой побочной теплотой при работе (60% эффективности означает около 80 кВт ненужной теплоты), решение которой критически важно для продолжительной работы двигателя VASIMR.
10 декабря 2008 года «Ad Astra Rocket Company» заключила договор с NASA на определение расположения и испытание полётной версии VASIMR VF-200 на МКС. Его запуск был запланирован на 2015 г.[8]
7 июля 2009 года сотрудники «Ad Astra Rocket Company» удачно испытали плазменный двигатель на сверхпроводящих магнитах.[9]
VASIMR-двигатель на МКС будет использоваться в пакетно-монопольном режиме, с периодическими включениями. Так как производство электроэнергии на МКС недостаточно велико, система будет включать в себя набор батарей с достаточно малым потреблением тока для подзарядки, которая позволит двигателю работать в течение 10 мин. Этого будет достаточно для поддержания высоты станции, что исключит необходимость дорогостоящей операции по подъему станции с использованием химических ракетных двигательных блоков.
В 2015 году Компания Ad Astra Rocket выиграла 10-ти миллионный тендер на постройку межпланетного ионного двигателя «Vasimr», способного доставить экспедицию на Марс менее чем за сорок дней[10]. В 2016 году компания Ad Astra Rocket сообщила, что КПД двигателя вырастет с 70 до 75%, если использовать криптон вместо аргона. Тяга двигателя достигнет 2 Н. Работы на территории компании в Техасе ведутся по замене старого магнита на сверхпроводящий магнит нового типа без охлаждения жидким азотом. Остается проблема электрического заряда двигателя. При его работе струя выбрасывает заряженные ионы, но оставшиеся электроны заряжают корпус. В наземных условиях невозможно замерить этот эффект зарядки корпуса. Пока считается, что этот эффект мал и на всех электрических ракетных двигателях эта проблема была решена во время испытаний.
Наиболее важным в обозримом будущем применением космических аппаратов с двигателями VASIMR является перевозка грузов (особенно межпланетная). Многочисленные исследования показали, что космический корабль с маршевыми двигателями VASIMR будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с кораблями с обычными химическими ракетными двигателями. Космический буксир, ускоряемый одним VF-200, был бы способен переместить 7 т груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полёта.
NASA планирует перемещение 34 т полезного груза от Земли до Луны. Для того, чтобы совершить такое путешествие, должно быть сожжено около 60 тонн кислород/водород. Сопоставимый космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих 1 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или от ядерного реактора. Для того, чтобы проделать такую же работу, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Время полёта буксира может быть сокращено за счёт полёта с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе рабочего тела). Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 с или за 14 дней при удельном импульсе 3000 с.
Предполагается, что 200-мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществлять полёты с доставкой людей к Марсу всего за 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые требуются космическим аппаратам с обычными ракетными двигателями.[11]
http-wikipediya.ru
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом (англ. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR) — электромагнитный плазменный двигатель, предназначенный для реактивного ускорения космического аппарата. Реактивный двигатель использует радиоволны для ионизации рабочего тела с последующим разгоном полученной плазмы с помощью электромагнитного поля для получения тяги.
Способ нагрева плазмы, используемый в VASIMR, был разработан в результате исследований в области термоядерного синтеза. Цель разработки VASIMR — заполнить разрыв между высокоэффективными реактивными системами малой тяги с высоким удельным импульсом и низкоэффективными системами большой тяги с низким удельным импульсом. VASIMR способен работать в режимах, близких к системам большой тяги и малой.
Концепция двигателя предложена астронавтом и учёным Франклином Чанг-Диазом из Коста-Рики в 1979 году и продолжает развиваться в настоящее время.
VASIMR, иногда рассматриваемый как электротепловой плазменный ускоритель (ЭПУ), использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для ускорения плазмы для создания тяги. Этот тип двигателя можно рассматривать как разновидность безэлектродного плазменного двигателя, отличающегося в способе ускорения плазмы. Оба типа двигателя не имеют никаких электродов. Основное преимущество такого проекта состоит в исключении эрозии электродов. Более того, так как все части VASIMR защищены магнитным полем и не приходят в прямой контакт с плазмой, потенциальная продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя.
Проект включает в себя три части:
Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, из которого создаётся плазма, VASIMR способен как производить малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.
В отличие от обычных циклотронно-резонансных нагревающих процессов, ионы в VASIMR сразу же проходят через магнитное сопло быстрее времени, необходимого для достижения термодинамического равновесия. Основываясь на теоретической работе 2004 года Арефьева и Брейзмана из Техасского университета в Остине, практически вся энергия в ионной циклотронной волне будет равномерно распределена в ионизированной плазме за один проход в циклотронном абсорбционном процессе. Это позволяет ионам покинуть магнитное сопло с очень узким распределением энергии, что даёт упрощённое и более плотное распределение магнитов в двигателе.[1]
Текущие VASIMR должны обладать удельными импульсами в диапазоне от 3000 до 30 000 секунд (скорости истечения от 30 до 300 км/с). Нижний предел этого диапазона сопоставим с некоторыми существующими концепциями ионных двигателей. Регулируя получение плазмы и нагрев, VASIMR может управлять удельным импульсом и тягой. Двигатель также способен использовать гораздо более высокие уровни энергии (мегаватты) по сравнению с существующими концепциями ионных двигателей. Поэтому VASIMR может обеспечить в десятки раз большую тягу, при условии наличия подходящего источника энергии.
VASIMR не подходит для подъёма полезной нагрузки с поверхности планеты (например, Земли) на околопланетную орбиту из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости (например, для старта корабля с околопланетной орбиты). Он может быть использован в качестве последней ступени, уменьшая потребность в топливе для транспортировки в космосе, или в качестве разгонного блока. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости аналогов на основе технологий химического реактивного движения:
Другие применения VASIMR (например, доставка людей к Марсу) требуют наличия источников очень высоких энергий с небольшой массой, таких как, например, ядерные энергоблоки.
В августе 2008 г. Тим Гловер, директор по развитию фирмы «Ad Astra», заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR является «заброс грузов (не людей) с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту» и будет предназначено для поддержки программы НАСА возвращения на Луну.[2]
 | Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела.Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон. |
Основным разработчиком VASIMR является «Ad Astra Rocket Company[en]». В настоящее время основные усилия были направлены на улучшение общей эффективности двигателя, путём увеличения уровней используемой энергии. Согласно данным компании, ещё совсем недавно эффективность VASIMR составляла 67%. Опубликованные данные по двигателю VX-50 говорят о том, что двигатель способен использовать 50 кВт на излучение в радиодиапазоне, обладает КПД 59%, вычисленное следующим образом: 90% NA эффективность процесса получения ионов × 65% NB эффективность процесса ускорения ионов. Модель VX-100, как ожидается, будет иметь общую эффективность 72 %, путём улучшения параметра NB, то есть эффективности ускорения ионов, до 80 %.[3][4]
Однако имеются дополнительные меньшие потери эффективности, относящиеся к превращению энергии постоянного тока в радиоволновую энергию и потребление энергии сверхпроводящими магнитами. Для сравнения, рабочий ионный двигатель NASA HiPEP, обладает общей эффективностью ускорителя 80%.[5] Опубликованные данные испытаний двигателя VASIMR модели VX-50 показывают, что он способен производить 0,5 Н тяги. «Ad Astra Rocket Company» планировала проведение испытаний прототипа двигателя VX-200 в начале 2008 г. с мощностью излучения в радиодиапазоне 200 кВт с целью достижения требуемой эффективности, требуемой тяги и удельного импульса.
24 октября 2008 года компания заявила, что генерация плазмы двигателем VX-200 с помощью радиоволн первой ступени или твердотельным высокочастотным излучателем энергии достигла планируемых рабочих показателей. Ключевая технология, твердотельное преобразование энергии постоянного тока в радиоволны, стала крайне эффективной и достигла уровня 98%. Радиоволновый импульс использует 30 кВт для превращения аргона в плазму, оставшиеся 170 кВт расходуются на разгон и разогрев плазмы в задней части двигателя с помощью ион-циклотронного резонансного разогрева.[6]
На основании данных, опубликованных по предыдущим испытаниям VX-100[7], можно ожидать, что двигатель VF-200, который должен быть установлен на МКС, будет иметь системную эффективность 60—65% и уровень тяги 5 Н. Оптимальный удельный импульс предполагается на уровне 5000 с с использованием в качестве рабочего тела аргона. Удельная мощность оценивается в 1 кг/кВт, что означает, что вес данной версии VASIMR будет составлять только 300 кг.
Одна из оставшихся проблем — определение соотношения потенциально возможной тяги по отношению к действительному её значению. То есть, будет или нет горячая плазма находится на расстоянии от двигателя на самом деле. Это будет подтверждено в 2009 г, когда двигатель VX-200 будет установлен и испытан в достаточно большой вакуумной камере. Другая проблема — управление выделяемой побочной теплотой при работе (60% эффективности означает около 80 кВт ненужной теплоты), решение которой критически важно для продолжительной работы двигателя VASIMR.
10 декабря 2008 года «Ad Astra Rocket Company» заключила договор с NASA на определение расположения и испытание полётной версии VASIMR VF-200 на МКС. Его запуск был запланирован на 2015 г.[8]
7 июля 2009 года сотрудники «Ad Astra Rocket Company» удачно испытали плазменный двигатель на сверхпроводящих магнитах.[9]
VASIMR-двигатель на МКС будет использоваться в пакетно-монопольном режиме, с периодическими включениями. Так как производство электроэнергии на МКС недостаточно велико, система будет включать в себя набор батарей с достаточно малым потреблением тока для подзарядки, которая позволит двигателю работать в течение 10 мин. Этого будет достаточно для поддержания высоты станции, что исключит необходимость дорогостоящей операции по подъему станции с использованием химических ракетных двигательных блоков.
В 2015 году Компания Ad Astra Rocket выиграла 10-ти миллионный тендер на постройку межпланетного ионного двигателя «Vasimr», способного доставить экспедицию на Марс менее чем за сорок дней[10]. В 2016 год Компания Ad Astra Rocket сообщила, что КПД двигателя вырастет с 70 до 75%, если использовать криптон вместо аргона. Тяга двигателя достигнет 2 Н. Работы на территории компании в Техасе ведутся по замене старого магнита на сверхпроводящий магнит нового типа без охлаждения жидким азотом. Остается проблема электрического заряда двигателя. При его работе струя выбрасывает заряженные ионы, но оставшиеся электроны заряжают корпус. В наземных условиях невозможно замерить этот эффект зарядки корпуса. Пока считается, что этот эффект мал и на всех электрических ракетных двигателях эта проблема была решена во время испытаний.
Наиболее важным в обозримом будущем применением космических аппаратов с двигателями VASIMR является перевозка грузов (особенно межпланетная). Многочисленные исследования показали, что космический корабль с маршевыми двигателями VASIMR будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с кораблями с обычными химическими ракетными двигателями. Космический буксир, ускоряемый одним VF-200, был бы способен переместить 7 т груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полёта.
NASA планирует перемещение 34 т полезного груза от Земли до Луны. Для того, чтобы совершить такое путешествие, должно быть сожжено около 60 тонн кислород/водород. Сопоставимый космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих 1 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или от ядерного реактора. Для того, чтобы проделать такую же работу, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Время полёта буксира может быть сокращено за счёт полёта с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе рабочего тела). Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 с или за 14 дней при удельном импульсе 3000 с.
Предполагается, что 200-мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществлять полёты с доставкой людей к Марсу всего за 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые требуются космическим аппаратам с обычными ракетными двигателями.[11]
Княжна Марья и Наташа, как и всегда, сошлись в спальне. Они поговорили о том, что рассказывал Пьер. Княжна Марья не говорила своего мнения о Пьере. Наташа тоже не говорила о нем. – Ну, прощай, Мари, – сказала Наташа. – Знаешь, я часто боюсь, что мы не говорим о нем (князе Андрее), как будто мы боимся унизить наше чувство, и забываем. Княжна Марья тяжело вздохнула и этим вздохом признала справедливость слов Наташи; но словами она не согласилась с ней. – Разве можно забыть? – сказала она. – Мне так хорошо было нынче рассказать все; и тяжело, и больно, и хорошо. Очень хорошо, – сказала Наташа, – я уверена, что он точно любил его. От этого я рассказала ему… ничего, что я рассказала ему? – вдруг покраснев, спросила она. – Пьеру? О нет! Какой он прекрасный, – сказала княжна Марья. – Знаешь, Мари, – вдруг сказала Наташа с шаловливой улыбкой, которой давно не видала княжна Марья на ее лице. – Он сделался какой то чистый, гладкий, свежий; точно из бани, ты понимаешь? – морально из бани. Правда? – Да, – сказала княжна Марья, – он много выиграл. – И сюртучок коротенький, и стриженые волосы; точно, ну точно из бани… папа, бывало… – Я понимаю, что он (князь Андрей) никого так не любил, как его, – сказала княжна Марья. – Да, и он особенный от него. Говорят, что дружны мужчины, когда совсем особенные. Должно быть, это правда. Правда, он совсем на него не похож ничем? – Да, и чудесный. – Ну, прощай, – отвечала Наташа. И та же шаловливая улыбка, как бы забывшись, долго оставалась на ее лице.
Пьер долго не мог заснуть в этот день; он взад и вперед ходил по комнате, то нахмурившись, вдумываясь во что то трудное, вдруг пожимая плечами и вздрагивая, то счастливо улыбаясь. Он думал о князе Андрее, о Наташе, об их любви, и то ревновал ее к прошедшему, то упрекал, то прощал себя за это. Было уже шесть часов утра, а он все ходил по комнате. «Ну что ж делать. Уж если нельзя без этого! Что ж делать! Значит, так надо», – сказал он себе и, поспешно раздевшись, лег в постель, счастливый и взволнованный, но без сомнений и нерешительностей. «Надо, как ни странно, как ни невозможно это счастье, – надо сделать все для того, чтобы быть с ней мужем и женой», – сказал он себе. Пьер еще за несколько дней перед этим назначил в пятницу день своего отъезда в Петербург. Когда он проснулся, в четверг, Савельич пришел к нему за приказаниями об укладке вещей в дорогу. «Как в Петербург? Что такое Петербург? Кто в Петербурге? – невольно, хотя и про себя, спросил он. – Да, что то такое давно, давно, еще прежде, чем это случилось, я зачем то собирался ехать в Петербург, – вспомнил он. – Отчего же? я и поеду, может быть. Какой он добрый, внимательный, как все помнит! – подумал он, глядя на старое лицо Савельича. – И какая улыбка приятная!» – подумал он. – Что ж, все не хочешь на волю, Савельич? – спросил Пьер. – Зачем мне, ваше сиятельство, воля? При покойном графе, царство небесное, жили и при вас обиды не видим. – Ну, а дети? – И дети проживут, ваше сиятельство: за такими господами жить можно. – Ну, а наследники мои? – сказал Пьер. – Вдруг я женюсь… Ведь может случиться, – прибавил он с невольной улыбкой. – И осмеливаюсь доложить: хорошее дело, ваше сиятельство. «Как он думает это легко, – подумал Пьер. – Он не знает, как это страшно, как опасно. Слишком рано или слишком поздно… Страшно!» – Как же изволите приказать? Завтра изволите ехать? – спросил Савельич. – Нет; я немножко отложу. Я тогда скажу. Ты меня извини за хлопоты, – сказал Пьер и, глядя на улыбку Савельича, подумал: «Как странно, однако, что он не знает, что теперь нет никакого Петербурга и что прежде всего надо, чтоб решилось то. Впрочем, он, верно, знает, но только притворяется. Поговорить с ним? Как он думает? – подумал Пьер. – Нет, после когда нибудь». За завтраком Пьер сообщил княжне, что он был вчера у княжны Марьи и застал там, – можете себе представить кого? – Натали Ростову. Княжна сделала вид, что она в этом известии не видит ничего более необыкновенного, как в том, что Пьер видел Анну Семеновну. – Вы ее знаете? – спросил Пьер. – Я видела княжну, – отвечала она. – Я слышала, что ее сватали за молодого Ростова. Это было бы очень хорошо для Ростовых; говорят, они совсем разорились. – Нет, Ростову вы знаете? – Слышала тогда только про эту историю. Очень жалко. «Нет, она не понимает или притворяется, – подумал Пьер. – Лучше тоже не говорить ей». Княжна также приготавливала провизию на дорогу Пьеру. «Как они добры все, – думал Пьер, – что они теперь, когда уж наверное им это не может быть более интересно, занимаются всем этим. И все для меня; вот что удивительно». В этот же день к Пьеру приехал полицеймейстер с предложением прислать доверенного в Грановитую палату для приема вещей, раздаваемых нынче владельцам. «Вот и этот тоже, – думал Пьер, глядя в лицо полицеймейстера, – какой славный, красивый офицер и как добр! Теперь занимается такими пустяками. А еще говорят, что он не честен и пользуется. Какой вздор! А впрочем, отчего же ему и не пользоваться? Он так и воспитан. И все так делают. А такое приятное, доброе лицо, и улыбается, глядя на меня». Пьер поехал обедать к княжне Марье. Проезжая по улицам между пожарищами домов, он удивлялся красоте этих развалин. Печные трубы домов, отвалившиеся стены, живописно напоминая Рейн и Колизей, тянулись, скрывая друг друга, по обгорелым кварталам. Встречавшиеся извозчики и ездоки, плотники, рубившие срубы, торговки и лавочники, все с веселыми, сияющими лицами, взглядывали на Пьера и говорили как будто: «А, вот он! Посмотрим, что выйдет из этого». При входе в дом княжны Марьи на Пьера нашло сомнение в справедливости того, что он был здесь вчера, виделся с Наташей и говорил с ней. «Может быть, это я выдумал. Может быть, я войду и никого не увижу». Но не успел он вступить в комнату, как уже во всем существе своем, по мгновенному лишению своей свободы, он почувствовал ее присутствие. Она была в том же черном платье с мягкими складками и так же причесана, как и вчера, но она была совсем другая. Если б она была такою вчера, когда он вошел в комнату, он бы не мог ни на мгновение не узнать ее. Она была такою же, какою он знал ее почти ребенком и потом невестой князя Андрея. Веселый вопросительный блеск светился в ее глазах; на лице было ласковое и странно шаловливое выражение. Пьер обедал и просидел бы весь вечер; но княжна Марья ехала ко всенощной, и Пьер уехал с ними вместе. На другой день Пьер приехал рано, обедал и просидел весь вечер. Несмотря на то, что княжна Марья и Наташа были очевидно рады гостю; несмотря на то, что весь интерес жизни Пьера сосредоточивался теперь в этом доме, к вечеру они всё переговорили, и разговор переходил беспрестанно с одного ничтожного предмета на другой и часто прерывался. Пьер засиделся в этот вечер так поздно, что княжна Марья и Наташа переглядывались между собою, очевидно ожидая, скоро ли он уйдет. Пьер видел это и не мог уйти. Ему становилось тяжело, неловко, но он все сидел, потому что не мог подняться и уйти. Княжна Марья, не предвидя этому конца, первая встала и, жалуясь на мигрень, стала прощаться. – Так вы завтра едете в Петербург? – сказала ока. – Нет, я не еду, – с удивлением и как будто обидясь, поспешно сказал Пьер. – Да нет, в Петербург? Завтра; только я не прощаюсь. Я заеду за комиссиями, – сказал он, стоя перед княжной Марьей, краснея и не уходя. Наташа подала ему руку и вышла. Княжна Марья, напротив, вместо того чтобы уйти, опустилась в кресло и своим лучистым, глубоким взглядом строго и внимательно посмотрела на Пьера. Усталость, которую она очевидно выказывала перед этим, теперь совсем прошла. Она тяжело и продолжительно вздохнула, как будто приготавливаясь к длинному разговору. Все смущение и неловкость Пьера, при удалении Наташи, мгновенно исчезли и заменились взволнованным оживлением. Он быстро придвинул кресло совсем близко к княжне Марье. – Да, я и хотел сказать вам, – сказал он, отвечая, как на слова, на ее взгляд. – Княжна, помогите мне. Что мне делать? Могу я надеяться? Княжна, друг мой, выслушайте меня. Я все знаю. Я знаю, что я не стою ее; я знаю, что теперь невозможно говорить об этом. Но я хочу быть братом ей. Нет, я не хочу.. я не могу… Он остановился и потер себе лицо и глаза руками. – Ну, вот, – продолжал он, видимо сделав усилие над собой, чтобы говорить связно. – Я не знаю, с каких пор я люблю ее. Но я одну только ее, одну любил во всю мою жизнь и люблю так, что без нее не могу себе представить жизни. Просить руки ее теперь я не решаюсь; но мысль о том, что, может быть, она могла бы быть моею и что я упущу эту возможность… возможность… ужасна. Скажите, могу я надеяться? Скажите, что мне делать? Милая княжна, – сказал он, помолчав немного и тронув ее за руку, так как она не отвечала. – Я думаю о том, что вы мне сказали, – отвечала княжна Марья. – Вот что я скажу вам. Вы правы, что теперь говорить ей об любви… – Княжна остановилась. Она хотела сказать: говорить ей о любви теперь невозможно; но она остановилась, потому что она третий день видела по вдруг переменившейся Наташе, что не только Наташа не оскорбилась бы, если б ей Пьер высказал свою любовь, но что она одного только этого и желала. – Говорить ей теперь… нельзя, – все таки сказала княжна Марья. – Но что же мне делать? – Поручите это мне, – сказала княжна Марья. – Я знаю… Пьер смотрел в глаза княжне Марье. – Ну, ну… – говорил он. – Я знаю, что она любит… полюбит вас, – поправилась княжна Марья. Не успела она сказать эти слова, как Пьер вскочил и с испуганным лицом схватил за руку княжну Марью.
wiki-org.ru
VASIMR, иногда рассматриваемый как электротепловой плазменный ускоритель (ЭПУ), использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для ускорения плазмы для создания тяги. Этот тип двигателя можно рассматривать как разновидность безэлектродного плазменного двигателя, отличающегося в способе ускорения плазмы. Оба типа двигателя не имеют никаких электродов. Основное преимущество такого проекта состоит в исключении эрозии электродов. Более того, так как все части VASIMR защищены магнитным полем и не приходят в прямой контакт с плазмой, потенциальная продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя.
Проект включает в себя три части:
Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, из которого создаётся плазма, VASIMR способен как производить малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.
Диаграмма VASIMRВ отличие от обычных циклотронно-резонансных нагревающих процессов, ионы в VASIMR сразу же проходят через магнитное сопло быстрее времени, необходимого для достижения термодинамического равновесия. Основываясь на теоретической работе 2004 года Арефьева и Брейзмана из Техасского университета в Остине, практически вся энергия в ионной циклотронной волне будет равномерно распределена в ионизированной плазме за один проход в циклотронном абсорбционном процессе. Это позволяет ионам покинуть магнитное сопло с очень узким распределением энергии, что даёт упрощённое и более плотное распределение магнитов в двигателе.[1]
Текущие VASIMR должны обладать удельными импульсами в диапазоне от 3000 до 30 000 секунд (скорости истечения от 30 до 300 км/с). Нижний предел этого диапазона сопоставим с некоторыми существующими концепциями ионных двигателей. Регулируя получение плазмы и нагрев, VASIMR может управлять удельным импульсом и тягой. Двигатель также способен использовать гораздо более высокие уровни энергии (мегаватты) по сравнению с существующими концепциями ионных двигателей. Поэтому VASIMR может обеспечить в десятки раз большую тягу, при условии наличия подходящего источника энергии.
VASIMR не подходит для подъёма полезной нагрузки с поверхности планеты (например, Земли) на околопланетную орбиту из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости (например, для старта корабля с околопланетной орбиты). Он может быть использован в качестве последней ступени, уменьшая потребность в топливе для транспортировки в космосе, или в качестве разгонного блока. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости аналогов на основе технологий химического реактивного движения:
Другие применения VASIMR (например, доставка людей к Марсу) требуют наличия источников очень высоких энергий с небольшой массой, таких как, например, ядерные энергоблоки.
В августе 2008 г. Тим Гловер, директор по развитию фирмы «Ad Astra», заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR является «заброс грузов (не людей) с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту» и будет предназначено для поддержки программы НАСА возвращения на Луну.[2]
Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон. |
Основным разработчиком VASIMR является «Ad Astra Rocket Company[en]». В настоящее время основные усилия были направлены на улучшение общей эффективности двигателя, путём увеличения уровней используемой энергии. Согласно данным компании, ещё совсем недавно эффективность VASIMR составляла 67%. Опубликованные данные по двигателю VX-50 говорят о том, что двигатель способен использовать 50 кВт на излучение в радиодиапазоне, обладает КПД 59%, вычисленное следующим образом: 90% NA эффективность процесса получения ионов × 65% NB эффективность процесса ускорения ионов. Модель VX-100, как ожидается, будет иметь общую эффективность 72 %, путём улучшения параметра NB, то есть эффективности ускорения ионов, до 80 %.[3][4]
Однако имеются дополнительные меньшие потери эффективности, относящиеся к превращению энергии постоянного тока в радиоволновую энергию и потребление энергии сверхпроводящими магнитами. Для сравнения, рабочий ионный двигатель NASA HiPEP, обладает общей эффективностью ускорителя 80%.[5] Опубликованные данные испытаний двигателя VASIMR модели VX-50 показывают, что он способен производить 0,5 Н тяги. «Ad Astra Rocket Company» планировала проведение испытаний прототипа двигателя VX-200 в начале 2008 г. с мощностью излучения в радиодиапазоне 200 кВт с целью достижения требуемой эффективности, требуемой тяги и удельного импульса.
24 октября 2008 года компания заявила, что генерация плазмы двигателем VX-200 с помощью радиоволн первой ступени или твердотельным высокочастотным излучателем энергии достигла планируемых рабочих показателей. Ключевая технология, твердотельное преобразование энергии постоянного тока в радиоволны, стала крайне эффективной и достигла уровня 98%. Радиоволновый импульс использует 30 кВт для превращения аргона в плазму, оставшиеся 170 кВт расходуются на разгон и разогрев плазмы в задней части двигателя с помощью ион-циклотронного резонансного разогрева.[6]
На основании данных, опубликованных по предыдущим испытаниям VX-100[7], можно ожидать, что двигатель VF-200, который должен быть установлен на МКС, будет иметь системную эффективность 60—65% и уровень тяги 5 Н. Оптимальный удельный импульс предполагается на уровне 5000 с с использованием в качестве рабочего тела аргона. Удельная мощность оценивается в 1 кг/кВт, что означает, что масса данной версии VASIMR будет составлять только 300 кг.
Одна из оставшихся проблем — определение соотношения потенциально возможной тяги по отношению к действительному её значению. То есть, будет или нет горячая плазма находится на расстоянии от двигателя на самом деле. Это будет подтверждено в 2009 г, когда двигатель VX-200 будет установлен и испытан в достаточно большой вакуумной камере. Другая проблема — управление выделяемой побочной теплотой при работе (60% эффективности означает около 80 кВт ненужной теплоты), решение которой критически важно для продолжительной работы двигателя VASIMR.
10 декабря 2008 года «Ad Astra Rocket Company» заключила договор с NASA на определение расположения и испытание полётной версии VASIMR VF-200 на МКС. Его запуск был запланирован на 2015 г.[8]
7 июля 2009 года сотрудники «Ad Astra Rocket Company» удачно испытали плазменный двигатель на сверхпроводящих магнитах.[9]
VASIMR-двигатель на МКС будет использоваться в пакетно-монопольном режиме, с периодическими включениями. Так как производство электроэнергии на МКС недостаточно велико, система будет включать в себя набор батарей с достаточно малым потреблением тока для подзарядки, которая позволит двигателю работать в течение 10 мин. Этого будет достаточно для поддержания высоты станции, что исключит необходимость дорогостоящей операции по подъему станции с использованием химических ракетных двигательных блоков.
В 2015 году Компания Ad Astra Rocket выиграла 10-ти миллионный тендер на постройку межпланетного ионного двигателя «Vasimr», способного доставить экспедицию на Марс менее чем за сорок дней[10]. В 2016 году компания Ad Astra Rocket сообщила, что КПД двигателя вырастет с 70 до 75%, если использовать криптон вместо аргона. Тяга двигателя достигнет 2 Н. Работы на территории компании в Техасе ведутся по замене старого магнита на сверхпроводящий магнит нового типа без охлаждения жидким азотом. Остается проблема электрического заряда двигателя. При его работе струя выбрасывает заряженные ионы, но оставшиеся электроны заряжают корпус. В наземных условиях невозможно замерить этот эффект зарядки корпуса. Пока считается, что этот эффект мал и на всех электрических ракетных двигателях эта проблема была решена во время испытаний.
Наиболее важным в обозримом будущем применением космических аппаратов с двигателями VASIMR является перевозка грузов (особенно межпланетная). Многочисленные исследования показали, что космический корабль с маршевыми двигателями VASIMR будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с кораблями с обычными химическими ракетными двигателями. Космический буксир, ускоряемый одним VF-200, был бы способен переместить 7 т груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полёта.
NASA планирует перемещение 34 т полезного груза от Земли до Луны. Для того, чтобы совершить такое путешествие, должно быть сожжено около 60 тонн кислород/водород. Сопоставимый космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих 1 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или от ядерного реактора. Для того, чтобы проделать такую же работу, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Время полёта буксира может быть сокращено за счёт полёта с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе рабочего тела). Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 с или за 14 дней при удельном импульсе 3000 с.
Предполагается, что 200-мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществлять полёты с доставкой людей к Марсу всего за 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые требуются космическим аппаратам с обычными ракетными двигателями.[11]
www-wikipediya.ru
Изобретение относится к области электротехники, а точнее - к синхронным реактивным двигателям, применяемым в качестве тихоходных силовых электродвигателей. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в улучшении пусковых свойств синхронного реактивного двигателя с электромагнитной редукцией, повышении коэффициента использования его объема и уменьшении трудоемкости изготовления предлагаемого двигателя при большом числе пазов статора. Указанный технический результат достигается тем, что синхронный реактивный двигатель с электромагнитной редукцией содержит зубчатый ротор с числом зубцов zp, зубчатый статор с равномерно распределенными зубцами zc, число которых связано с числом зубцов ротора zp соотношением zp=zc ±р, где р=1, 2, 3
- число пар полюсов расположенной в пазах статора m-фазной обмотки, каждая фаза которой состоит из параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз с согласно включенными относительно начала этих полуфаз диодами, эти полуфазы смещены относительно друг друга на 180 электрических градусов и каждая полуфаза состоит из р согласно соединенных между собой катушечных групп. При этом, согласно данному изобретению, катушечные группы каждой полуфазы соединены между собой параллельно, число пазов статора z п, в которых размещена m-фазная обмотка, равно zп =zc/k, где k=1, 2, 3 , при этом к m-фазной обмотке присоединены m соединенных между собой конденсаторов, которые при m, равном 3, соединены между собой по схеме звезда или треугольник, как и фазные обмотки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. 
Изобретение относится к области электротехники, а точнее к синхронным реактивным двигателям с электромагнитной редукцией.
Известны синхронные реактивные двигатели с электромагнитной редукцией, содержащие зубчатый ротор, статор с полюсами, на внутренней поверхности которых выполнены зубцы, и многофазную обмотку, каждая фаза которой содержит параллельно соединенные между собой полуфазы, смещенные относительно друг друга на 180 электрических градусов и содержат согласно включенные относительно начала этих полуфаз диоды, причем каждая полуфаза состоит из последовательно и согласно соединенных между собой катушек, размещенных на диаметрально расположенных зубчатых полюсах (см. патент Франции № 2272519 от 1975 г.).
В таком синхронном реактивном двигателе за один электрический период питающего напряжения осуществляется поворот ротора только на одно зубцовое деление, что значительно облегчает его запуск по сравнению с известными синхронными реактивными двигателями с поворотом ротора на два зубцовых деления за один электрический период.
Однако, такой двигатель имеет ограниченное применение, т.к. из-за сосредоточенной фазной обмотки он не обеспечивает плавное вращение ротора и поэтому является самозапускающимся только при очень низкой частоте вращения ротора - не превышающей 20-30 об/мин.
Частично указанные недостатки устранены в синхронном реактивном двигателе с электромагнитной редукцией, содержащем зубчатый ротор с числом зубцов zp , зубчатый статор, выполненный с равномерно распределенными по окружности зубцами, число которых zc связано с числом зубцов ротора соотношением zp=zc±p, где p=1, 2, 3 число пар полюсов расположенной в статоре m - фазной обмотки, каждая фаза которой состоит из параллельно соединенных между собой полуфаз, смещенных относительно друг друга на 180 электрических градусов и содержащих согласно включенные относительно начала этих полуфаз диоды, при этом полуфазы в каждой фазе включены относительно друг друга встречно, т.е. конец первой полуфазы соединен с началом второй полуфазы, а конец второй полуфазы соединен с началом первой полуфазы, причем каждая полуфаза состоит из p согласно и последовательно соединенных между собой катушечных групп (см. патент России № 2066912 от 1994 г.).
В этом реактивном двигателе, благодаря равномерно распределенным по окружности статора пазам и распределенной фазной обмотке, обеспечивается более плавное вращение ротора, а соответственно более высокие энергетические показатели.
Однако, при выполнении этого реактивного двигателя с частотой вращения ротора превышающей 30-40 об/мин, его запуск от сети остается нестабильным, т.е. зависит от исходного положения зубцов ротора относительно зубцов статора и нагрузки на валу. Кроме того, существенным недостатком такого двигателя при его выполнении с числом зубцов статора более 48 является повышенная трудоемкость при изготовлении обмотки и ее укладке в пазы статора, а также малый коэффициент заполнения объема пазов медью из-за большого числа этих пазов. А из-за низкого Cos 
такой реактивный двигатель уменьшает Cos трехфазной сети.
Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. улучшение пусковых свойств синхронного реактивного двигателя с электромагнитной редукцией, повышение коэффициента использования его объема и уменьшение трудоемкости изготовления при большом числе пазов статора.
Указанная цель достигается тем, что в синхронном реактивном двигателе с электромагнитной редукцией, содержащем зубчатый ротор с числом зубцов zp, зубчатый статор с равномерно распределенными зубцами zc, число которых связано с числом зубцов ротора zp соотношением zp=zc±р, где p=1, 2, 3 - число пар полюсов расположенной в статоре m - фазной обмотки, каждая фаза которой состоит из параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз с согласно включенными относительно начала этих полуфаз диодами, причем эти полуфазы смещены относительно друг друга на 180 электрических градусов, а каждая полуфаза состоит из p согласно соединенных между собой катушечных групп, катушечные группы каждой полуфазы соединены между собой параллельно, число пазов статора zп, в которых размещена m - фазная обмотка, равно zп=zc/k, где k=1, 2, 3 , а к m - фазной обмотке присоединены соответственно m соединенных между собой конденсаторов, при этом при m равном 3, конденсаторы, как и фазные обмотки, соединены между собой по схеме звезда или треугольник.
Для упрощения технологии изготовления синхронного реактивного двигателя с большим числом зубцов статора, например, равным или большим 48, k принимается большим 1 и каждый из участков статора, расположенный между соседними пазами с обмоткой, представляет собой зубец с гребенчатой зоной, число зубцов которого равно k, а безобмоточные пазы гребенчатой зоны выполнены с меньшим объемом, чем пазы с обмоткой.
На фиг.1 представлен общий вид реактивного синхронного двигателя с электромагнитной редукцией в разрезе.
Па фиг.2 представлена развернутая схема трехфазной обмотки синхронного реактивного двигателя с электромагнитной редукцией.
Па фиг.3 приведена принципиальная схема трехфазной обмотки двигателя, соединенная по схеме звезда с подключенными к фазам тремя конденсаторами, соединенными между собой по схеме треугольник.
На фиг.4 приведена принципиальная схема трехфазной обмотки двигателя, соединенная по схеме треугольник с подключенными к ней конденсаторами, соединенными между собой также по схеме треугольник.
Предложенный синхронный реактивный двигатель с электромагнитной редукцией содержит: зубчатый статор 1 (см. фиг.1), выполненный из листовой электротехнической стали с равномерно распределенными по окружности зубцами 2, число которых zc равно 48; зубчатый ротор 3, выполненный также из листовой электротехнической стали с равномерно распределенными по окружности зубцами 4, число которых zp определяется из соотношения zp =zc±p=48-2=46, где p - число пар полюсов, расположенной в пазах статора 1 трехфазной обмотки 5, принятое равным 2. Число пазов статора zn в которых размещена трехфазная обмотка, определяется коэффициентом k. Так, при k=2, т.е. числе зубцов в гребенчатой зоне равным 2 (см. фиг.1), число пазов статора, занятых обмоткой zп=zc/2=48/2=24, при этом расположенные между соседними пазами статора с обмоткой участки представляют собой зубцы 6, каждый из которых представляет собой зубец с гребенчатой зоной, содержащей по k=2 зубца, причем пазы гребенчатой зоны выполнены с меньшим объемом паза, чем пазы с обмоткой. Трехфазная обмотка (см. фиг.2) выполнена распределенной, двухслойной, фазы соединены между собой но схеме звезда, число пар полюсов р равно 2 (см. фиг.2). Каждая фаза трехфазной обмотки, например, фаза A-X состоит из двух параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз A1-X1 и A2 -X2, т.е. конец первой полуфазы X1 соединен с началом второй полуфазы A2, а конец второй полуфазы X2 соединен с началом первой полуфазы A1 , причем эти полуфазы смещены относительно друг друга на 180 электрических градусов или 6 зубцовых делений и каждая из полуфаз содержит согласно включенные относительно начала этих полуфаз диоды (см. фиг.2). При этом, каждая из полуфаз состоит из двух параллельно и согласно соединенных между собой катушечных групп (т.к. p - число пар полюсов обмотки равно 2), а каждая катушечная группа содержит две катушки, выполненные с шагом равным полюсному делению 
, которое равно zn/2p=24/4=6 зубцовым делениям статора. Аналогично выполнены фазы B-Y и C-Z, а концы фаз X, Y, Z соединены между собой согласно схеме звезда. Чтобы не загромождать электрическую схему обмотки двигателя, присоединенные к ней конденсаторы изображены на принципиальной электрической схеме обмотки, представленной на фиг.3.
Работает предложенный синхронный реактивный двигатель с электромагнитной редукцией следующим образом. При подключении выводных концов A, B, C обмотки 5 к трехфазному напряжению в статоре 1 создается вращающееся магнитное поле, которое взаимодействуя через зубцы 2 статора 1 с зубцами 4 ротора 3, приводит последний во вращение. Частота вращения ротора 3 в об/мин определяется по формуле n=60×f/zp=60×50/46=65,2 об/мин, где: f - частота напряжения трехфазной сети в Гц. На фиг.2 стрелками указано направление тока в полуфазах A1-X1 и C2-Z2 в момент времени, когда амплитуды тока в фазах A и C равны по величине, а в фазе B ток отсутствует. Полуфазы A1-X1 и C2-Z2 смещены относительно друг друга на 60 электрических градусов, что соответствует 30 угловым градусам или двум зубцовым делениям статора 1, поэтому своими катушечными группами они создают результирующую намагничивающую силу в зубцах, расположенных между пазами 3 и 8, а также между пазами 15 и 20. Эти зубцы взаимодействуя с зубцами 4 ротора 3, создают вращающий момент, направление которого указано на фиг.1 стрелкой.
Благодаря параллельному соединению между собой катушечных групп каждой полуфазы, каждая катушка полуфазы выполняется примерно с вдвое большим числом витков, в результате чего индуктивность каждой катушечной группы возрастает в четыре раза, а индуктивность всей полуфазы соответственно в два раза. С увеличением же индуктивности обмотки двигателя уменьшается скорость нарастания в ней тока, в результате чего ток в полуфазе достигает своего номинального значения за большее число электрических полупериодов, что обеспечивает значительное улучшение запуска реактивного двигателя.
Благодаря выполнению статора с числом зубцов в гребенчатой зоне равным например, двум (как изображено на фиг.1), значительно упрощается технология изготовления двигателя с числом зубцов статора равным или большим 48 за счет уменьшения в два раза числа катушек трехфазной обмотки. При этом, не менее, чем на 20% возрастает коэффициент использования объема пазов и появляется возможность увеличить число ампер-витков обмотки статора, а соответственно величину вращающего момента на валу двигателя.
Для уменьшения потребляемого от трехфазной сети реактивного тока синхронный реактивный двигатель выполнен, как изображено на фиг.3, 4 с тремя конденсаторами, соединенными между собой по схеме треугольник (или звезда) и подключенными к фазной обмотке в местах ее подключения к трехфазной сети.
Синхронный реактивный двигатель может быть выполнен с шагом обмотки большим или меньшим полюсного деления, например, обмотка, представленная на фиг.2, может быть выполнена с шагом 5 или 7 зубцовых делений, а при k равном 1 и zc равном 48 с шагом 11 или 13 зубцовых делений.
Реактивный двигатель средней и большой мощности может быть выполнен с диодом в каждой катушечной группе полуфазы, подключенным аналогично диоду полуфазы.
При двухфазном выполнении реактивного двигателя он может быть подключен к однофазной сети путем последовательно подключенного к одной из его фаз конденсатора.
Предложенный синхронный реактивный двигатель с электромагнитной редукцией предполагается патентовать за границей, а также намечается его серийный выпуск.
1. Синхронный реактивный двигатель с электромагнитной редукцией, содержащий зубчатый ротор с числом зубцов zp, зубчатый статор с равномерно распределенными зубцами zc, число которых связано с числом зубцов ротора zp соотношением zp=zc±р, где р=1, 2, 3 число пар полюсов расположенной в статоре m-фазной обмотки, каждая фаза которой состоит из параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз с согласно включенными относительно начала этих полуфаз диодами, причем эти полуфазы смещены относительно друг друга на 180 электрических градусов, а каждая полуфаза состоит из р согласно соединенных между собой катушечных групп, отличающийся тем, что катушечные группы каждой полуфазы соединены между собой параллельно, число пазов статора zп, в которых размещена m-фазная обмотка, равно zп=zc/k, где k=1, 2, 3 , а к m-фазной обмотке присоединены соединенные между собой соответственно m конденсаторов, при этом при m, равном 3, конденсаторы, как и фазные обмотки, соединены между собой по схеме звезда или треугольник.
2. Синхронный реактивный двигатель с электромагнитной редукцией по п.1, отличающийся тем, что при k, большем 1, каждый участок статора, расположенный между соседними пазами с обмоткой, представляет собой зубец с гребенчатой зоной, число зубцов которого равно k, а безобмоточные пазы гребенчатой зоны выполнены с меньшим объемом, чем пазы с обмоткой.
www.freepatent.ru
Изобретение относится к области электротехники, а точнее - к синхронным реактивным двигателям, применяемым в качестве тихоходных силовых электродвигателей. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в улучшении пусковых свойств синхронного реактивного двигателя с электромагнитной редукцией, повышении коэффициента использования его объема и уменьшении трудоемкости изготовления предлагаемого двигателя при большом числе пазов статора. Указанный технический результат достигается тем, что синхронный реактивный двигатель с электромагнитной редукцией содержит зубчатый ротор с числом зубцов zp, зубчатый статор с равномерно распределенными зубцами zc, число которых связано с числом зубцов ротора zp соотношением zp=zc±р, где р=1, 2, 3… - число пар полюсов расположенной в пазах статора m-фазной обмотки, каждая фаза которой состоит из параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз с согласно включенными относительно начала этих полуфаз диодами, эти полуфазы смещены относительно друг друга на 180 электрических градусов и каждая полуфаза состоит из р согласно соединенных между собой катушечных групп. При этом, согласно данному изобретению, катушечные группы каждой полуфазы соединены между собой параллельно, число пазов статора zп, в которых размещена m-фазная обмотка, равно zп=zc/k, где k=1, 2, 3…, при этом к m-фазной обмотке присоединены m соединенных между собой конденсаторов, которые при m, равном 3, соединены между собой по схеме звезда или треугольник, как и фазные обмотки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области электротехники, а точнее к синхронным реактивным двигателям с электромагнитной редукцией.
Известны синхронные реактивные двигатели с электромагнитной редукцией, содержащие зубчатый ротор, статор с полюсами, на внутренней поверхности которых выполнены зубцы, и многофазную обмотку, каждая фаза которой содержит параллельно соединенные между собой полуфазы, смещенные относительно друг друга на 180 электрических градусов и содержат согласно включенные относительно начала этих полуфаз диоды, причем каждая полуфаза состоит из последовательно и согласно соединенных между собой катушек, размещенных на диаметрально расположенных зубчатых полюсах (см. патент Франции №2272519 от 1975 г.).
В таком синхронном реактивном двигателе за один электрический период питающего напряжения осуществляется поворот ротора только на одно зубцовое деление, что значительно облегчает его запуск по сравнению с известными синхронными реактивными двигателями с поворотом ротора на два зубцовых деления за один электрический период.
Однако, такой двигатель имеет ограниченное применение, т.к. из-за сосредоточенной фазной обмотки он не обеспечивает плавное вращение ротора и поэтому является самозапускающимся только при очень низкой частоте вращения ротора - не превышающей 20-30 об/мин.
Частично указанные недостатки устранены в синхронном реактивном двигателе с электромагнитной редукцией, содержащем зубчатый ротор с числом зубцов zp, зубчатый статор, выполненный с равномерно распределенными по окружности зубцами, число которых zc связано с числом зубцов ротора соотношением zp=zc±p, где p=1, 2, 3… число пар полюсов расположенной в статоре m - фазной обмотки, каждая фаза которой состоит из параллельно соединенных между собой полуфаз, смещенных относительно друг друга на 180 электрических градусов и содержащих согласно включенные относительно начала этих полуфаз диоды, при этом полуфазы в каждой фазе включены относительно друг друга встречно, т.е. конец первой полуфазы соединен с началом второй полуфазы, а конец второй полуфазы соединен с началом первой полуфазы, причем каждая полуфаза состоит из p согласно и последовательно соединенных между собой катушечных групп (см. патент России №2066912 от 1994 г.).
В этом реактивном двигателе, благодаря равномерно распределенным по окружности статора пазам и распределенной фазной обмотке, обеспечивается более плавное вращение ротора, а соответственно более высокие энергетические показатели.
Однако, при выполнении этого реактивного двигателя с частотой вращения ротора превышающей 30-40 об/мин, его запуск от сети остается нестабильным, т.е. зависит от исходного положения зубцов ротора относительно зубцов статора и нагрузки на валу. Кроме того, существенным недостатком такого двигателя при его выполнении с числом зубцов статора более 48 является повышенная трудоемкость при изготовлении обмотки и ее укладке в пазы статора, а также малый коэффициент заполнения объема пазов медью из-за большого числа этих пазов. А из-за низкого Cos φ такой реактивный двигатель уменьшает Cos φ трехфазной сети.
Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. улучшение пусковых свойств синхронного реактивного двигателя с электромагнитной редукцией, повышение коэффициента использования его объема и уменьшение трудоемкости изготовления при большом числе пазов статора.
Указанная цель достигается тем, что в синхронном реактивном двигателе с электромагнитной редукцией, содержащем зубчатый ротор с числом зубцов zp, зубчатый статор с равномерно распределенными зубцами zc, число которых связано с числом зубцов ротора zp соотношением zp=zc±р, где p=1, 2, 3… - число пар полюсов расположенной в статоре m - фазной обмотки, каждая фаза которой состоит из параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз с согласно включенными относительно начала этих полуфаз диодами, причем эти полуфазы смещены относительно друг друга на 180 электрических градусов, а каждая полуфаза состоит из p согласно соединенных между собой катушечных групп, катушечные группы каждой полуфазы соединены между собой параллельно, число пазов статора zп, в которых размещена m - фазная обмотка, равно zп=zc/k, где k=1, 2, 3…, а к m - фазной обмотке присоединены соответственно m соединенных между собой конденсаторов, при этом при m равном 3, конденсаторы, как и фазные обмотки, соединены между собой по схеме звезда или треугольник.
Для упрощения технологии изготовления синхронного реактивного двигателя с большим числом зубцов статора, например, равным или большим 48, k принимается большим 1 и каждый из участков статора, расположенный между соседними пазами с обмоткой, представляет собой зубец с гребенчатой зоной, число зубцов которого равно k, а безобмоточные пазы гребенчатой зоны выполнены с меньшим объемом, чем пазы с обмоткой.
На фиг.1 представлен общий вид реактивного синхронного двигателя с электромагнитной редукцией в разрезе.
Па фиг.2 представлена развернутая схема трехфазной обмотки синхронного реактивного двигателя с электромагнитной редукцией.
Па фиг.3 приведена принципиальная схема трехфазной обмотки двигателя, соединенная по схеме звезда с подключенными к фазам тремя конденсаторами, соединенными между собой по схеме треугольник.
На фиг.4 приведена принципиальная схема трехфазной обмотки двигателя, соединенная по схеме треугольник с подключенными к ней конденсаторами, соединенными между собой также по схеме треугольник.
Предложенный синхронный реактивный двигатель с электромагнитной редукцией содержит: зубчатый статор 1 (см. фиг.1), выполненный из листовой электротехнической стали с равномерно распределенными по окружности зубцами 2, число которых zc равно 48; зубчатый ротор 3, выполненный также из листовой электротехнической стали с равномерно распределенными по окружности зубцами 4, число которых zp определяется из соотношения zp=zc±p=48-2=46, где p - число пар полюсов, расположенной в пазах статора 1 трехфазной обмотки 5, принятое равным 2. Число пазов статора zn в которых размещена трехфазная обмотка, определяется коэффициентом k. Так, при k=2, т.е. числе зубцов в гребенчатой зоне равным 2 (см. фиг.1), число пазов статора, занятых обмоткой zп=zc/2=48/2=24, при этом расположенные между соседними пазами статора с обмоткой участки представляют собой зубцы 6, каждый из которых представляет собой зубец с гребенчатой зоной, содержащей по k=2 зубца, причем пазы гребенчатой зоны выполнены с меньшим объемом паза, чем пазы с обмоткой. Трехфазная обмотка (см. фиг.2) выполнена распределенной, двухслойной, фазы соединены между собой но схеме звезда, число пар полюсов р равно 2 (см. фиг.2). Каждая фаза трехфазной обмотки, например, фаза A-X состоит из двух параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз A1-X1 и A2-X2, т.е. конец первой полуфазы X1 соединен с началом второй полуфазы A2, а конец второй полуфазы X2 соединен с началом первой полуфазы A1, причем эти полуфазы смещены относительно друг друга на 180 электрических градусов или 6 зубцовых делений и каждая из полуфаз содержит согласно включенные относительно начала этих полуфаз диоды (см. фиг.2). При этом, каждая из полуфаз состоит из двух параллельно и согласно соединенных между собой катушечных групп (т.к. p - число пар полюсов обмотки равно 2), а каждая катушечная группа содержит две катушки, выполненные с шагом равным полюсному делению τ, которое равно zn/2p=24/4=6 зубцовым делениям статора. Аналогично выполнены фазы B-Y и C-Z, а концы фаз X, Y, Z соединены между собой согласно схеме звезда. Чтобы не загромождать электрическую схему обмотки двигателя, присоединенные к ней конденсаторы изображены на принципиальной электрической схеме обмотки, представленной на фиг.3.
Работает предложенный синхронный реактивный двигатель с электромагнитной редукцией следующим образом. При подключении выводных концов A, B, C обмотки 5 к трехфазному напряжению в статоре 1 создается вращающееся магнитное поле, которое взаимодействуя через зубцы 2 статора 1 с зубцами 4 ротора 3, приводит последний во вращение. Частота вращения ротора 3 в об/мин определяется по формуле n=60×f/zp=60×50/46=65,2 об/мин, где: f - частота напряжения трехфазной сети в Гц. На фиг.2 стрелками указано направление тока в полуфазах A1-X1 и C2-Z2 в момент времени, когда амплитуды тока в фазах A и C равны по величине, а в фазе B ток отсутствует. Полуфазы A1-X1 и C2-Z2 смещены относительно друг друга на 60 электрических градусов, что соответствует 30 угловым градусам или двум зубцовым делениям статора 1, поэтому своими катушечными группами они создают результирующую намагничивающую силу в зубцах, расположенных между пазами 3 и 8, а также между пазами 15 и 20. Эти зубцы взаимодействуя с зубцами 4 ротора 3, создают вращающий момент, направление которого указано на фиг.1 стрелкой.
Благодаря параллельному соединению между собой катушечных групп каждой полуфазы, каждая катушка полуфазы выполняется примерно с вдвое большим числом витков, в результате чего индуктивность каждой катушечной группы возрастает в четыре раза, а индуктивность всей полуфазы соответственно в два раза. С увеличением же индуктивности обмотки двигателя уменьшается скорость нарастания в ней тока, в результате чего ток в полуфазе достигает своего номинального значения за большее число электрических полупериодов, что обеспечивает значительное улучшение запуска реактивного двигателя.
Благодаря выполнению статора с числом зубцов в гребенчатой зоне равным например, двум (как изображено на фиг.1), значительно упрощается технология изготовления двигателя с числом зубцов статора равным или большим 48 за счет уменьшения в два раза числа катушек трехфазной обмотки. При этом, не менее, чем на 20% возрастает коэффициент использования объема пазов и появляется возможность увеличить число ампер-витков обмотки статора, а соответственно величину вращающего момента на валу двигателя.
Для уменьшения потребляемого от трехфазной сети реактивного тока синхронный реактивный двигатель выполнен, как изображено на фиг.3, 4 с тремя конденсаторами, соединенными между собой по схеме треугольник (или звезда) и подключенными к фазной обмотке в местах ее подключения к трехфазной сети.
Синхронный реактивный двигатель может быть выполнен с шагом обмотки большим или меньшим полюсного деления, например, обмотка, представленная на фиг.2, может быть выполнена с шагом 5 или 7 зубцовых делений, а при k равном 1 и zc равном 48 с шагом 11 или 13 зубцовых делений.
Реактивный двигатель средней и большой мощности может быть выполнен с диодом в каждой катушечной группе полуфазы, подключенным аналогично диоду полуфазы.
При двухфазном выполнении реактивного двигателя он может быть подключен к однофазной сети путем последовательно подключенного к одной из его фаз конденсатора.
Предложенный синхронный реактивный двигатель с электромагнитной редукцией предполагается патентовать за границей, а также намечается его серийный выпуск.
1. Синхронный реактивный двигатель с электромагнитной редукцией, содержащий зубчатый ротор с числом зубцов zp, зубчатый статор с равномерно распределенными зубцами zc, число которых связано с числом зубцов ротора zp соотношением zp=zc±р, где р=1, 2, 3… число пар полюсов расположенной в статоре m-фазной обмотки, каждая фаза которой состоит из параллельно и встречно соединенных между собой полуфаз с согласно включенными относительно начала этих полуфаз диодами, причем эти полуфазы смещены относительно друг друга на 180 электрических градусов, а каждая полуфаза состоит из р согласно соединенных между собой катушечных групп, отличающийся тем, что катушечные группы каждой полуфазы соединены между собой параллельно, число пазов статора zп, в которых размещена m-фазная обмотка, равно zп=zc/k, где k=1, 2, 3…, а к m-фазной обмотке присоединены соединенные между собой соответственно m конденсаторов, при этом при m, равном 3, конденсаторы, как и фазные обмотки, соединены между собой по схеме звезда или треугольник.
2. Синхронный реактивный двигатель с электромагнитной редукцией по п.1, отличающийся тем, что при k, большем 1, каждый участок статора, расположенный между соседними пазами с обмоткой, представляет собой зубец с гребенчатой зоной, число зубцов которого равно k, а безобмоточные пазы гребенчатой зоны выполнены с меньшим объемом, чем пазы с обмоткой.
bankpatentov.ru
Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом (англ. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR) — электромагнитный плазменный двигатель, предназначенный для реактивного ускорения космического аппарата. Реактивный двигатель использует радиоволны для ионизации рабочего тела с последующим разгоном полученной плазмы с помощью электромагнитного поля для получения тяги.
Способ нагрева плазмы, используемый в VASIMR, был разработан в результате исследований в области термоядерного синтеза. Цель разработки VASIMR — заполнить разрыв между высокоэффективными реактивными системами малой тяги с высоким удельным импульсом и низкоэффективными системами большой тяги с низким удельным импульсом. VASIMR способен работать в режимах, близких к системам большой тяги и малой.
Концепция двигателя предложена астронавтом и учёным Франклином Чанг-Диазом из Коста-Рики в 1979 году и продолжает развиваться в настоящее время.
VASIMR, иногда рассматриваемый как электротепловой плазменный ускоритель (ЭПУ), использует радиоволны для ионизации и нагрева рабочего тела и электромагнитные поля для ускорения плазмы для создания тяги. Этот тип двигателя можно рассматривать как разновидность безэлектродного плазменного двигателя, отличающегося в способе ускорения плазмы. Оба типа двигателя не имеют никаких электродов. Основное преимущество такого проекта состоит в исключении эрозии электродов. Более того, так как все части VASIMR защищены магнитным полем и не приходят в прямой контакт с плазмой, потенциальная продолжительность эксплуатации двигателя, построенного по такому проекту, гораздо выше ионного двигателя.
Проект включает в себя три части:
Изменяя количество энергии на радиоволновый разогрев и количество рабочего тела, из которого создаётся плазма, VASIMR способен как производить малую тягу с высоким удельным импульсом, так и относительно высокую тягу с низким удельным импульсом.
Диаграмма VASIMRВ отличие от обычных циклотронно-резонансных нагревающих процессов, ионы в VASIMR сразу же проходят через магнитное сопло быстрее времени, необходимого для достижения термодинамического равновесия. Основываясь на теоретической работе 2004 года Арефьева и Брейзмана из Техасского университета в Остине, практически вся энергия в ионной циклотронной волне будет равномерно распределена в ионизированной плазме за один проход в циклотронном абсорбционном процессе. Это позволяет ионам покинуть магнитное сопло с очень узким распределением энергии, что даёт упрощённое и более плотное распределение магнитов в двигателе.[1]
Текущие VASIMR должны обладать удельными импульсами в диапазоне от 3000 до 30 000 секунд (скорости истечения от 30 до 300 км/с). Нижний предел этого диапазона сопоставим с некоторыми существующими концепциями ионных двигателей. Регулируя получение плазмы и нагрев, VASIMR может управлять удельным импульсом и тягой. Двигатель также способен использовать гораздо более высокие уровни энергии (мегаватты) по сравнению с существующими концепциями ионных двигателей. Поэтому VASIMR может обеспечить в десятки раз большую тягу, при условии наличия подходящего источника энергии.
VASIMR не подходит для подъёма полезной нагрузки с поверхности планеты (например, Земли) на околопланетную орбиту из-за его низкого соотношения тяги к массе и может быть использован только в невесомости (например, для старта корабля с околопланетной орбиты). Он может быть использован в качестве последней ступени, уменьшая потребность в топливе для транспортировки в космосе, или в качестве разгонного блока. Ожидается, что двигатель должен выполнять эти операции за доли стоимости от стоимости аналогов на основе технологий химического реактивного движения:
Другие применения VASIMR (например, доставка людей к Марсу) требуют наличия источников очень высоких энергий с небольшой массой, таких как, например, ядерные энергоблоки.
В августе 2008 г. Тим Гловер, директор по развитию фирмы «Ad Astra», заявил, что первым ожидаемым применением двигателя VASIMR является «заброс грузов (не людей) с низкой околоземной орбиты на низкую лунную орбиту» и будет предназначено для поддержки программы НАСА возвращения на Луну.[2]
| Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон. |
Основным разработчиком VASIMR является «[en]». В настоящее время основные усилия были направлены на улучшение общей эффективности двигателя, путём увеличения уровней используемой энергии. Согласно данным компании, ещё совсем недавно эффективность VASIMR составляла 67%. Опубликованные данные по двигателю VX-50 говорят о том, что двигатель способен использовать 50 кВт на излучение в радиодиапазоне, обладает КПД 59%, вычисленное следующим образом: 90% NA эффективность процесса получения ионов × 65% NB эффективность процесса ускорения ионов. Модель VX-100, как ожидается, будет иметь общую эффективность 72 %, путём улучшения параметра NB, то есть эффективности ускорения ионов, до 80 %.[3][4]
Однако имеются дополнительные меньшие потери эффективности, относящиеся к превращению энергии постоянного тока в радиоволновую энергию и потребление энергии сверхпроводящими магнитами. Для сравнения, рабочий ионный двигатель NASA HiPEP, обладает общей эффективностью ускорителя 80%.[5] Опубликованные данные испытаний двигателя VASIMR модели VX-50 показывают, что он способен производить 0,5 Н тяги. «Ad Astra Rocket Company» планировала проведение испытаний прототипа двигателя VX-200 в начале 2008 г. с мощностью излучения в радиодиапазоне 200 кВт с целью достижения требуемой эффективности, требуемой тяги и удельного импульса.
24 октября 2008 года компания заявила, что генерация плазмы двигателем VX-200 с помощью радиоволн первой ступени или твердотельным высокочастотным излучателем энергии достигла планируемых рабочих показателей. Ключевая технология, твердотельное преобразование энергии постоянного тока в радиоволны, стала крайне эффективной и достигла уровня 98%. Радиоволновый импульс использует 30 кВт для превращения аргона в плазму, оставшиеся 170 кВт расходуются на разгон и разогрев плазмы в задней части двигателя с помощью ион-циклотронного резонансного разогрева.[6]
На основании данных, опубликованных по предыдущим испытаниям VX-100[7], можно ожидать, что двигатель VF-200, который должен быть установлен на МКС, будет иметь системную эффективность 60—65% и уровень тяги 5 Н. Оптимальный удельный импульс предполагается на уровне 5000 с с использованием в качестве рабочего тела аргона. Удельная мощность оценивается в 1 кг/кВт, что означает, что масса данной версии VASIMR будет составлять только 300 кг.
Одна из оставшихся проблем — определение соотношения потенциально возможной тяги по отношению к действительному её значению. То есть, будет или нет горячая плазма находится на расстоянии от двигателя на самом деле. Это будет подтверждено в 2009 г, когда двигатель VX-200 будет установлен и испытан в достаточно большой вакуумной камере. Другая проблема — управление выделяемой побочной теплотой при работе (60% эффективности означает около 80 кВт ненужной теплоты), решение которой критически важно для продолжительной работы двигателя VASIMR.
10 декабря 2008 года «Ad Astra Rocket Company» заключила договор с NASA на определение расположения и испытание полётной версии VASIMR VF-200 на МКС. Его запуск был запланирован на 2015 г.[8]
7 июля 2009 года сотрудники «Ad Astra Rocket Company» удачно испытали плазменный двигатель на сверхпроводящих магнитах.[9]
VASIMR-двигатель на МКС будет использоваться в пакетно-монопольном режиме, с периодическими включениями. Так как производство электроэнергии на МКС недостаточно велико, система будет включать в себя набор батарей с достаточно малым потреблением тока для подзарядки, которая позволит двигателю работать в течение 10 мин. Этого будет достаточно для поддержания высоты станции, что исключит необходимость дорогостоящей операции по подъему станции с использованием химических ракетных двигательных блоков.
В 2015 году Компания Ad Astra Rocket выиграла 10-ти миллионный тендер на постройку межпланетного ионного двигателя «Vasimr», способного доставить экспедицию на Марс менее чем за сорок дней[10]. В 2016 году компания Ad Astra Rocket сообщила, что КПД двигателя вырастет с 70 до 75%, если использовать криптон вместо аргона. Тяга двигателя достигнет 2 Н. Работы на территории компании в Техасе ведутся по замене старого магнита на сверхпроводящий магнит нового типа без охлаждения жидким азотом. Остается проблема электрического заряда двигателя. При его работе струя выбрасывает заряженные ионы, но оставшиеся электроны заряжают корпус. В наземных условиях невозможно замерить этот эффект зарядки корпуса. Пока считается, что этот эффект мал и на всех электрических ракетных двигателях эта проблема была решена во время испытаний.
Наиболее важным в обозримом будущем применением космических аппаратов с двигателями VASIMR является перевозка грузов (особенно межпланетная). Многочисленные исследования показали, что космический корабль с маршевыми двигателями VASIMR будет более эффективным при движении в космосе по сравнению с кораблями с обычными химическими ракетными двигателями. Космический буксир, ускоряемый одним VF-200, был бы способен переместить 7 т груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полёта.
NASA планирует перемещение 34 т полезного груза от Земли до Луны. Для того, чтобы совершить такое путешествие, должно быть сожжено около 60 тонн кислород/водород. Сопоставимый космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих 1 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или от ядерного реактора. Для того, чтобы проделать такую же работу, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Время полёта буксира может быть сокращено за счёт полёта с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе (большем расходе рабочего тела). Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 с или за 14 дней при удельном импульсе 3000 с.
Предполагается, что 200-мегаваттный двигатель класса VASIMR сможет осуществлять полёты с доставкой людей к Марсу всего за 39 дней, по сравнению с шестью месяцами, которые требуются космическим аппаратам с обычными ракетными двигателями.[11]
encyclopaedia.bid
