محرك دفع الپلازما

"Plasma engine" redirects here. For the video game engine, see Plasma (engine).

محرك دفع بلازما بدائي من مركز أبحاث لويس في كليفلاند أوهايو 1961

دافع بلازما أثناء إختبار

رسسم فني لمركبة فضاء ذات محرك دفع بلازما ذو نبضات كهرومغناطيسية متغيرة إنگليزية: Vasmir Spacecraft

دافع من نوع SPT الروسي

محرك دفع البلازما إنگليزية: Plasma Propulsion Engine هو نوع من الدفع الكهربائي الذي يولد قوة دفع من بلازما متعادلة كهربائيا.على عكس محركات الدافع الأيوني (الصاروخ الأيوني) إنگليزية: ion thruster engines التي تولد قوة دفع عن طريق استخراج تيار أيوني من مصدر البلازما ثم يسرعه إلى سرعات عالية بإستخدام أقطاب كهربية (أنود كهربي). لا تستخدم صواريخ البلازما عادة شبكات الجهد العالي أو الأقطاب الموجبة/ الأقطاب السالبة لتسريع الجسيمات المشحونة في البلازما، ولكن بدلا من ذلك تستخدم التيارات والجهود الكهربية التي يتم إنشاؤها داخليا في البلازما لتسريع أيونات البلازما. في حين أن هذا النوع يؤدي إلى سرعات منخفضة لغازات العادم لانخفاض تسريع الجهود المرتفعة إلا أن هذا النوع من أنظمة الدفع له عدد من المزايا المثيرة للاهتمام.

يؤدي نقص شبكات الجهد العالي من الأقطاب الموجبة لإزالة عنصر محدد نتيجة لتآكل الشبكة الأيونية. كما يكون عادم البلازما متعادل كهربائيا، وهو ما يعني أن الأيونات و الإلكترونات الموجودة في نفس العدد الذي يسمح ببساطة بإعادة تكوين أيون أو إلكترون في العادم لمعادلة العادم كهربائيا، وإزالة الحاجة إلى بندقية الإلكترون_جهاز ينتج تيار ضيق من الإلكترونات من كاثود (القطب السالب) مسخن_(كاثود مجوف). هذا النوع من الدفع في كثير من الأحيان يولد مصدر البلازما باستخدام الترددات الراديوية من طاقة الميكرويف باستخدام هوائي خارجي.
هذه الحقيقة جنبا إلى جنب مع غياب الأقطاب السالبة المجوفة إنگليزية: hollow cathode -التي هي حساسة جدا لجميع الغازات ماعدا عدد قليل من الغازات النبيلة -يسمح بإمكانية استخدام هذا النوع من الدافع لعدد كبير من الوقود بداية من الأرجون إلى ثاني أكسيد الكربون ومخاليط الهواء إلى بول رائد الفضاء.

تتناسب محركات البلازما بشكل أفضل مع المهمات الفضائية التي تسافر لمسافات كبيرة في الفضاء. 

في السنوات الأخيرة طورت الكثير من الوكالات الفضائية العديد من محركات البلازما، وتشمل هذه الوكالات وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الإيرانية والجامعة الوطنية الأسترالية، وقد تعاونوا في تطوير نوع جديد متطور من الدافعات يُسمى الدافع مزدوج الطبقة  ، ومع ذلك، فإن هذا النوع من محرك البلازما هو نوع واحد فقط ضمن العديد من الأنواع.

 التاريخ

Plasma engines have been used on space missions. The first use of plasma engines was a Pulsed plasma thruster on the Soviet Zond 2 space probe which carried six PPTs that served as actuators of the attitude control system. The PPT propulsion system was tested for 70 minutes on 14 December 1964 when the spacecraft was 4.2 million kilometers from Earth.

In 2011, NASA partnered with Busek to launch the first hall effect thruster aboard the Tacsat-2 satellite. The thruster was the satellite's main propulsion system. The company launched another hall effect thruster that year. In 2020, research on a plasma jet was published by Wuhan University. The thrust estimates published in that work, however, were subsequently shown to be almost nine times theoretically possible levels even if 100% of the input microwave power were converted to thrust.

Ad Astra Rocket Company is developing the VASIMR. Canadian company Nautel is producing the 200 kW RF generators required to ionize the propellant. Some component tests and "Plasma Shoot" experiments are performed in a Liberia, Costa Rica laboratory. This project is led by former NASA astronaut Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-USA).

The Costa Rican Aerospace Alliance announced the development of exterior support for the VASIMR to be fitted outside the International Space Station. This phase of the plan to test the VASIMR in space was expected to be conducted in 2016.

 مزايا

Plasma engines have a much higher specific impulse (I_sp) value than most other types of rocket technology. The VASIMR thruster can be throttled for an impulse greater than 12000 s, and hall thrusters have attained ~2000 s. This is a significant improvement over the bipropellant fuels of conventional chemical rockets, which feature specific impulses ~450 s. With high impulse, plasma thrusters are capable of reaching relatively high speeds over extended periods of acceleration. Ex-astronaut Franklin Chang-Diaz claims the VASIMR thruster could send a payload to Mars in as little as 39 days while reaching a maximum velocity of 34 miles per second (55 km/s).^{[بحاجة لمصدر]}

Certain plasma thrusters, such as the mini-helicon, are hailed for their simplicity and efficiency. Their theory of operation is relatively simple and can use a variety of gases, or combinations.

These qualities suggest that plasma thrusters have value for many mission profiles.

 عيوب

Possibly the most significant challenge to the viability of plasma thrusters is the energy requirement. The VX-200 engine, for example, requires 200 kW electrical power to produce 5 N of thrust, or 40 kW/N. This power requirement may be met by fission reactors, but the reactor mass (including heat rejection systems) may prove prohibitive.

Another challenge is plasma erosion. While in operation the plasma can thermally ablate the walls of the thruster cavity and support structure, which can eventually lead to system failure.

Due to their extremely low thrust, plasma engines are not suitable for launch-to-Earth-orbit. On average, these rockets provide about 2 pounds of thrust maximum. Plasma thrusters are highly efficient in open space, but do nothing to offset the orbit expense of chemical rockets.

 أنواع المحركات

 دافع الهيليكون مزدوج الطبقة

يستخدم دافع الهيليكون مزدوج الطبقة إنگليزية: Helicon Double Layer Thruster موجات الراديو لإنشاء البلازما ويستخدم فوهة مغناطيسية لتركيز وتسريع البلازما من محرك الصاروخ. كما يكون دافع الهيليكون المصغر مناسب بشكل مثالي للمركبات الفضائية التي تتطلب حركتها مناورات كثيرة في الفضاء، ويستخدم المحرك النيتروجين كوقود وتبلغ سرعة خروج العادم -يكون على شكل نبضات- 10 مرات ضعف سرعة خروج العادم من محركات الصواريخ الكيميائية.

 دافعات ديناميكية ذات مولد مغناطيسي  للبلازما

يستخدم الدافع الديناميكي ذو المولد المغناطيسي لبلازما إنگليزية: Magnetoplasmadynamic قوة لورنتز (القوة الناتجة من التفاعل بين المجال المغناطيسي والتيار الكهربائي) لتوليد قوة الدفع . كما تؤدي الشحنة الكهربائية التي تتدفق من خلال البلازما في وجود حقل مغناطيسي إلى تسريع البلازما بسبب القوة المغناطيسية المولدة. كما تعتبر قوة لورنتز أيضا مهمة لتشغيل معظم المحركات ذات دافع البلازما النبضي.

 الدافع النابض الحثي

يستخدم الدافع النابض الحثي إنگليزية: Pulsed Inductive Thruster قوة لورنتز أيضا لتوليد قوة الدفع،  لكن على عكس الدافع الديناميكي ذو المولد المغناطيسي للبلازما لا يستخدم أي قطب كهربائي، وبالتالي يتجنب التأثيرات الناتجة عن تآكلها. و يتسبب المجال المغناطيسي المتغير عشوائيا في حدوث التأين وتولد التيارات الكهربية في البلازما.  

 دافعات البلازما عديمة الأقطاب الكهربية

تستخدم دافعات إنگليزية: Thrusters البلازما عديمة الاقطاب الكهربية قوة بونديرو الحثية التي تؤثر على البلازما أو الجسيمات المشحونة عندما تكون تحت تأثير قوي لمعدل تغير كثافة الطاقة الكهرومغناطيسية لتسريع كل من الإلكترونات والأيونات من البلازما في نفس الاتجاه، وبالتالي تصبح قادرة على العمل دون الحاجة لمعادل كهربي للبلازما.

 دافع تأثير هال

دافع تأثير هال ذي قدرة 2 كيلو وات، في تجربة في مختبر برنستون لفيزياء البلازما

تجمع دافعات تأثير هال  بين مجال مغناطيسي ساكن وعمودي على مجال كهربي أُنشئ بين قطب كهربي موجب عند منبع السريان وقطب كهربي سالب عند المصب يٌسمى المعادل إنگليزية: Neutralizer، من أجل  إنشاء "قطب سالب ظاهري" (منطقة ذات كثافة إلكترونات مرتفعة) عند مخرج الجهاز. يعمل القطب السالب الظاهري على جذب الأيونات المتكونة داخل الدافع ليقربها إلى القطب الموجب. و أخيرا يتم معادلة شعاع الأيونات المسرعة  بواسطة بعض الإلكترونات المنبعثة من المعادل.

بدأ الإنتاج التسلسلي لمحركات دافع تأثير هال في الاتحاد السوفياتي في عام 1970. وينتج الآن واحد من الأنواع المبكرة يٌسمي Spt_100  بموجب ترخيص من شركات سنيكما للمحركات الأوروبية، تحت اسم PPs-1350، كذلك يتم إنتاج أنواع أخرى مثل BPT-4000 و PPS-5000 المشابهين للنوع  SPT-140. و كمثال لمواصفات الدافعات، نذكر  SPT-290، حيث تبلغ قوة الدفع له 1.5 نيوتن، كما تتراوح قدرته من 5-30 كيلو وات، والنبض النوعي 30 كم/ث، وتبلغ كفاءته 65% ووزن 23 كغم.

 صاروخ ذو نبضات كهرومغناطيسية بلازمية متغيرة

يعمل الصاروخ  ذو النبضات الكهرومغناطيسية البلازمية المتغيرة إنگليزية: Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket -يطلق عليه اختصارا فاسيمر إنگليزية: Vasimr- باستخدام موجات الراديو بغرض تأيين الوقود داخل البلازما ثم استخدامالمجال المغناطيسي لتسريع البلازما من الجزء الخلفي من محرك الصاروخ لتوليد قوة الدفع.

صاروخ ذو نبضات كهرومغناطيسية بلازمية متغيرة أثناء تجربة إنگليزية: Vasmir، حيث:
(1): نظام حقن الوقود الغازي (تنظم تدفق غاز الهيدروجين أو الهيليوم).
(2): أنبوبة كورتز (تحجز الغاز الطبيعي قبل أن يتأين.
(3):هوائي إستشعار من الهيليكون (تأين الغاز لتكوين البلازما).
(4): ملفات مغناطيسية (تولد مجال مغناطيسي يحتجز البلازما المتأينة).
(5):هوائي تدفئة (يُسخن البلازما لملايين الدرجات الكلفينية).
(6):فوهة مغناطيسية (توجه تدفق البلازما مباشرة)

يتم حاليا تطوير هذا النوع  من قبل شركة خاصة تُدعى (Ad astra rocket company) ومقرها في هيوستن، تكساس مع مساعدة من NS كندا  القائمة على أساس شركة Nautel، لإنتاج مولدات لوقود الصاروخ تبلغ قدرتها 200 كيلو وات لتأيين الوقود الدافع. يتم إجراء التجارب على بعض مكونات المحرك وشحنات البلازما المولدة  في معمل أنشئ في ليبريا، كوستاريكا . يتولى قيادة هذا المشروع فرانكلين تشانج دياز رائد الفضاء السابق بوكالة ناسا. كما أعلن التحالف الكوستاريكي للفضاء -اتحاد مكون من 6 شركات متخصصة في التصميم والتصنيع وعمليات محاكاة الفضاء وعلوم الطيران والسيارات والتحكم والإلكترونيات والصناعات الطبية- تطوير جهاز دعم خارجي لهذا الصاروخ، يتم تركيبه في الجزء الخارجي من محطة الفضاء الدولية، كجزء من خطة لاختبار الفاسيمر في الفضاء ومن المتوقع  أن يُجرى هذا الاختبار في عام 2016. و يتوقع من المحرك البالغة قدرته 200 ميجا وات أن يقلل مدة الطيران من الأرض إلى المشتري أو زحل من 6 سنوات إلى 14 شهر، وإلى المريخ من 6 أشهر إلى 39 يوم.

 انظر أيضا

• الدفع الأيوني
• ورحلات الفضاء
• المركبة الفضائية الدفع

 المصادر

{