无论是标准解决方案还是特殊解决方案，或作为更大系统的一部分还是作为完整模块， VAT 的产品和服务都可以凭借可靠的高精度阀门技术，支持突破性的全球研究工作。目前与新西兰派豪-罗宾逊研究所的合作就是一个很好的例子，其中涉及航天器的新型电力推进系统。
新型HTS磁体和磁通泵技术很快将在国际空间站（ISS）上进行测试。同样的磁体系统技术正被纳入一种称为应用场磁等离子动力（AFMPD）推进器的等离子火箭中，该推进器可用于推动大型航天器。
来源：Victoria University of Wellington
性能显着提升
派豪-罗宾逊研究所正在深入研究高温超导（HTS）技术。派豪-罗宾逊研究人员正将他们对HTS技术的深度了解置于太空应用中，因为HTS技术在显着提高所谓的应用磁场等离子动力推进器（AFMPD）的性能和灵活性方面可能是一个重要的组成部分。
为了能够详细研究HTS磁体对 AFMPD 推进性能的影响， 派豪-罗宾逊研究所与澳大利亚科学真空解决方案专家Scitek合作建立了一个空间模拟室。实验室正在开发推进器的原型，推进器的HTS磁体部分将被带到国际空间站 (ISS) ，并在真空中进行测试。
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超导体是一种无电阻导电的材料，因此比传统的电导体效率更高。大多数超导体只能在接近绝对零度的温度下工作。另一方面，高温超导体 (HTS) 可以在稍高的温度（约 –195 °C）下运行，这使得它们的运行成本要低得多。此外，HTS可以产生比低温超导更强的磁场，并因其更紧凑的设计而取胜。
突破性的HTS研究
位于新西兰惠灵顿附近的派豪-罗宾逊研究所因其对高温超导的开创性研究而闻名于世。派豪-罗宾逊研究人员对HTS的全面了解将很快使太空应用受益。事实上，实践证明，HTS技术可以为构建更强大的磁等离子体动力推进系统做出宝贵的贡献。
磁力-什么？嗯，对于航天器来说，有化学推进系统和电力推进系统。化学系统可以为航天器提供高推力，但在燃料消耗方面却非常低效。此外，由于推进剂的质量，飞行器宝贵的可用有效载荷会损失。另一方面，电力系统效率更高，但其低推力严重限制了响应能力和机动性。
MPD 发动机的高推力
磁等离子动力推进器 (MPD) 是一种特别有趣的电力推进解决方案。该推进系统基于洛伦兹力电磁加速原理。它由阳极漏斗和中心的棒状阴极组成。当施加电压时，漏斗中的气体（例如氩气或锂）被电离（等离子体），从而允许径向电流流向阴极。这个电流反过来又产生强磁场，使电离气体粒子沿轴向加速，从而为飞行器提供推力。
MPD 技术可以实现非常高的效率，但这需要非常强的磁场。人们很早就知道，如果在推力模块（外场加速器）周围放置额外的强电磁体，MPD推进器的性能和灵活性可以得到显着提高。这种强大类型推进器的技术术语是应用场磁等离子动力推进器，简称 AFMPD 。但即使是这些额外的磁铁也会消耗大量电力——而电力在太空中是真正的奢侈品！这就是派豪-罗宾逊研究所的 HTS 解决方案发挥作用的地方，因为超导技术可以大大降低 AFMPD 磁体的功耗。
AFMPD 推动太空应用
很快就为创新的 AFMPD 项目找到了一个合适的名称：Kōkako，一种原产于新西兰的鸟类，其羽毛颜色与 MPD 的氩等离子束非常相似。在技术内容方面，派豪-罗宾逊研究人员正在将他们的技能扩展到新的领域，正如派豪-罗宾逊研究所的高级科学家 本·马利特博士在报告中提到的那样：“我们都非常高兴能够领导这样一个开创性的项目！我们喜欢解决科学和工程难题，现在我们正在为太空建造HTS系统。例如，到目前为止，我们始终有机会解决我们构建的 HTS 系统中遇到的任何问题。但在这里，这并不是一个选择的性质。”
等离子束（上）和鸟的羽毛（下）的颜色几乎相同 - 这就是为什么以新西兰本土的 Kōkako 鸟来命名基于HTS的 AFMPD 推进器的原因。
资料来源：Ben Mallett，Paihau-Robinson 研究所
与所有太空应用一样，当谈到推进器对商业应用的吸引力时，磁性组件的质量和功率要求至关重要。在这里，派豪-罗宾逊研究人员将他们在HTS磁技术方面的所有专业知识用于开发最轻、最高效的推进器。如果研究人员的希望得以实现，推进器将被用于推动未来的重型航天器——降低和提高它们的轨道，或者将它们送到月球、火星和小行星带等遥远的地方。
AFMPD 技术测试设施
为了详细探索应用磁场的强度和形状如何影响 AFMPD 推进器的性能，派豪-罗宾逊研究人员与澳大利亚公司Scitek合作，该公司是真空技术和高端薄膜设备专家。 Kelvin Ho 是Scitek的空间、工业和涂层产品经理，负责管理高度专业化的空间模拟室：“我的职责是支持我们的客户进行实验，提供真空优化方面的定制解决方案，并充当真空泵系统中使用的不同类型技术的主题专家。”
Scitek与派豪-罗宾逊研究所合作的最终目标很明确：委托建造世界一流的电动推进器测试设施，并利用它推动 AFMPD 技术走向太空应用。作为后续目标的一部分，罗宾逊和他们的新西兰合作者将通过演示其在太空中的操作来降低新的应用领域模块技术的风险！密切相关的项目称为Heki——新西兰母语中“蛋”的意思，因为它将会让 Kokako 起飞。
在ISS上的实际测试
美国托管有效载荷提供商Nanoracks将通过Heki将磁通泵浦超导磁体带到国际空间站，并在所谓的Nanoracks外部平台上进行测试运行。如果一切按计划进行，该任务将展示HTS技术的成熟度，以及在航天器可能预期的电磁干扰要求范围内操作这些磁体的能力，这将是令人印象深刻的。
将 AFMPD 送入太空的下一步是利用新的 HTS 技术准确表征其性能。本·马利特表示：“在Scitek真空室中，可以复制太空条件，以便我们可以在新西兰的地面上进行调查，在HTS磁铁产生的极高磁场中，AFMPD是如何增强的。”
令人印象深刻的真空室
派豪-罗宾逊与 Scitek在惠灵顿的合作成果值得赞赏：推进器模块和真空室都已经投入运行，所有相关的真空泵和阀门都已实现自动化。
使用的真空室长度为 3 m，直径为 1 m，确实很特别。Kelvin Ho 在描述棘手的初始情况时表示：“为了模拟推进器日后在太空中运行的条件， 10 -7到10 -8 毫巴温度范围的真空室是首选。但是对于100 标准立方厘米的氩气流量，这是有问题的。为了保持电力推进领域通常希望的 10 -5 毫巴真空环境，以防止推进剂从推进器流入，系统需要约 50,000 L/s 的超高抽气速率。”
因此，该室使用涡轮分子泵、多级罗茨真空泵和用于氩气的4,200 升/秒 大型低温泵(DN400)。具体而言，在使用涡轮分子泵和大型低温泵之前，罗茨泵在可接受的基压下提供真空，对腔室进行粗化。
迈斯纳陷阱带来的不同
单靠这一点并不能达到理想的抽速。出于这个原因，派豪-罗宾逊研究人员一直在开发另外两个所谓的迈斯纳陷阱（捕集器）——大型冷却板，其温度可以降低到足以冷凝运行期间从 AFMPD 释放的氩气。如果它们能够完美地适应工厂设置，这些捕集器可以产生巨大的吸力效果。 Kelvin Ho 表示：“单个系统可为真空室提供 32,000 L/s 的抽气速度！而如此大的数值对于能够产生推进器平稳运行所需的抽气速度是绝对必要的。”
听起来很棒，但有一个问题：为了有效捕获氩气，迈斯纳陷阱必须在 –253°C 的温度下运行，仅比绝对零温度高20 度！而且由于抽速和吸收的热辐射都与陷阱表面直接相关，因此研究人员必须仔细考虑哪个板表面积可以在抽速和辐射热负荷之间提供最佳的折中方案。
室内残留水分
但这还不是唯一的障碍！ Kelvin Ho 提出了另一个挑战：“为了发挥最佳效果，迈斯纳疏水阀必须尽可能干燥。因此，在迈斯纳疏水阀开始冷却之前，我们要尽可能减少室内的残留水量，这一点极其重要。” 更复杂的是，这一限制适用于测试火箭推进系统的房间，其中要处理的氩气含有相关水的痕迹……
在这种微妙的平衡过程中，派豪-罗宾逊研究人员依赖于可持续的 VAT 阀门技术，因为正如 Kelvin Ho 提出的那样：“决定性因素是所有相关真空阀的可靠相互作用！”各个真空泵的阀门断开和连接遵循非常精确的编排，这确保了室内的条件始终与太空中的条件相对应 - 即使火箭发动机在室内打开和关闭时也是如此。Kelvin Ho高兴地告诉我们： “ VAT 阀门的高精度和功能可靠性对于应对此类挑战至关重要。此外，在设计此类系统时，我们始终与 VAT 同事密切合作。这是充分利用双方经验的唯一方法。”
关于Paihau-Robinson研究所测试室的部分视图。左上方是涡轮分子泵，它通过 VAT 系列 11.1 闸阀连接到腔室。
资料来源：Ben Mallett（Paihau-Robinson 研究所）
引领潮流的技术
本·马利特相信 AFMPD 推进器将在未来十年内推动航天器往返月球：“我们在这里所做的工作将见证 AFMPD 技术的重大发展。这不仅是为了展示在太空中工作的新型超导磁体系统，也是为了利用出色的测试设施，让其以足以令人信服的方式展示 AFMPD 如何与这些新型强大磁体一起工作。这些是将这些非常酷的等离子火箭送入太空的关键步骤！”那么，VAT祝愿宇宙之旅一路平安！
突破性的HTS研究
位于新西兰惠灵顿附近的派豪-罗宾逊研究所因其对高温超导的开创性研究而闻名于世。派豪-罗宾逊研究人员对HTS的全面了解将很快使太空应用受益。事实上，实践证明，HTS技术可以为构建更强大的磁等离子体动力推进系统做出宝贵的贡献。
磁力-什么？嗯，对于航天器来说，有化学推进系统和电力推进系统。化学系统可以为航天器提供高推力，但在燃料消耗方面却非常低效。此外，由于推进剂的质量，飞行器宝贵的可用有效载荷会损失。另一方面，电力系统效率更高，但其低推力严重限制了响应能力和机动性。
MPD 发动机的高推力
磁等离子动力推进器 (MPD) 是一种特别有趣的电力推进解决方案。该推进系统基于洛伦兹力电磁加速原理。它由阳极漏斗和中心的棒状阴极组成。当施加电压时，漏斗中的气体（例如氩气或锂）被电离（等离子体），从而允许径向电流流向阴极。这个电流反过来又产生强磁场，使电离气体粒子沿轴向加速，从而为飞行器提供推力。
MPD 技术可以实现非常高的效率，但这需要非常强的磁场。人们很早就知道，如果在推力模块（外场加速器）周围放置额外的强电磁体，MPD推进器的性能和灵活性可以得到显着提高。这种强大类型推进器的技术术语是应用场磁等离子动力推进器，简称 AFMPD 。但即使是这些额外的磁铁也会消耗大量电力——而电力在太空中是真正的奢侈品！这就是派豪-罗宾逊研究所的 HTS 解决方案发挥作用的地方，因为超导技术可以大大降低 AFMPD 磁体的功耗。
AFMPD 推动太空应用
很快就为创新的 AFMPD 项目找到了一个合适的名称：Kōkako，一种原产于新西兰的鸟类，其羽毛颜色与 MPD 的氩等离子束非常相似。在技术内容方面，派豪-罗宾逊研究人员正在将他们的技能扩展到新的领域，正如派豪-罗宾逊研究所的高级科学家 本·马利特博士在报告中提到的那样：“我们都非常高兴能够领导这样一个开创性的项目！我们喜欢解决科学和工程难题，现在我们正在为太空建造HTS系统。例如，到目前为止，我们始终有机会解决我们构建的 HTS 系统中遇到的任何问题。但在这里，这并不是一个选择的性质。”
等离子束（上）和鸟的羽毛（下）的颜色几乎相同 - 这就是为什么以新西兰本土的 Kōkako 鸟来命名基于HTS的 AFMPD 推进器的原因。
资料来源：Ben Mallett，Paihau-Robinson 研究所
与所有太空应用一样，当谈到推进器对商业应用的吸引力时，磁性组件的质量和功率要求至关重要。在这里，派豪-罗宾逊研究人员将他们在HTS磁技术方面的所有专业知识用于开发最轻、最高效的推进器。如果研究人员的希望得以实现，推进器将被用于推动未来的重型航天器——降低和提高它们的轨道，或者将它们送到月球、火星和小行星带等遥远的地方。
AFMPD 技术测试设施
为了详细探索应用磁场的强度和形状如何影响 AFMPD 推进器的性能，派豪-罗宾逊研究人员与澳大利亚公司Scitek合作，该公司是真空技术和高端薄膜设备专家。 Kelvin Ho 是Scitek的空间、工业和涂层产品经理，负责管理高度专业化的空间模拟室：“我的职责是支持我们的客户进行实验，提供真空优化方面的定制解决方案，并充当真空泵系统中使用的不同类型技术的主题专家。”
Scitek与派豪-罗宾逊研究所合作的最终目标很明确：委托建造世界一流的电动推进器测试设施，并利用它推动 AFMPD 技术走向太空应用。作为后续目标的一部分，罗宾逊和他们的新西兰合作者将通过演示其在太空中的操作来降低新的应用领域模块技术的风险！密切相关的项目称为Heki——新西兰母语中“蛋”的意思，因为它将会让 Kokako 起飞。
在ISS上的实际测试
美国托管有效载荷提供商Nanoracks将通过Heki将磁通泵浦超导磁体带到国际空间站，并在所谓的Nanoracks外部平台上进行测试运行。如果一切按计划进行，该任务将展示HTS技术的成熟度，以及在航天器可能预期的电磁干扰要求范围内操作这些磁体的能力，这将是令人印象深刻的。
将 AFMPD 送入太空的下一步是利用新的 HTS 技术准确表征其性能。本·马利特表示：“在Scitek真空室中，可以复制太空条件，以便我们可以在新西兰的地面上进行调查，在HTS磁铁产生的极高磁场中，AFMPD是如何增强的。”
令人印象深刻的真空室
派豪-罗宾逊与 Scitek在惠灵顿的合作成果值得赞赏：推进器模块和真空室都已经投入运行，所有相关的真空泵和阀门都已实现自动化。
使用的真空室长度为 3 m，直径为 1 m，确实很特别。Kelvin Ho 在描述棘手的初始情况时表示：“为了模拟推进器日后在太空中运行的条件， 10 -7到10 -8 毫巴温度范围的真空室是首选。但是对于100 标准立方厘米的氩气流量，这是有问题的。为了保持电力推进领域通常希望的 10 -5 毫巴真空环境，以防止推进剂从推进器流入，系统需要约 50,000 L/s 的超高抽气速率。”
因此，该室使用涡轮分子泵、多级罗茨真空泵和用于氩气的4,200 升/秒 大型低温泵(DN400)。具体而言，在使用涡轮分子泵和大型低温泵之前，罗茨泵在可接受的基压下提供真空，对腔室进行粗化。
迈斯纳陷阱带来的不同
单靠这一点并不能达到理想的抽速。出于这个原因，派豪-罗宾逊研究人员一直在开发另外两个所谓的迈斯纳陷阱（捕集器）——大型冷却板，其温度可以降低到足以冷凝运行期间从 AFMPD 释放的氩气。如果它们能够完美地适应工厂设置，这些捕集器可以产生巨大的吸力效果。 Kelvin Ho 表示：“单个系统可为真空室提供 32,000 L/s 的抽气速度！而如此大的数值对于能够产生推进器平稳运行所需的抽气速度是绝对必要的。”
听起来很棒，但有一个问题：为了有效捕获氩气，迈斯纳陷阱必须在 –253°C 的温度下运行，仅比绝对零温度高20 度！而且由于抽速和吸收的热辐射都与陷阱表面直接相关，因此研究人员必须仔细考虑哪个板表面积可以在抽速和辐射热负荷之间提供最佳的折中方案。
室内残留水分
但这还不是唯一的障碍！ Kelvin Ho 提出了另一个挑战：“为了发挥最佳效果，迈斯纳疏水阀必须尽可能干燥。因此，在迈斯纳疏水阀开始冷却之前，我们要尽可能减少室内的残留水量，这一点极其重要。” 更复杂的是，这一限制适用于测试火箭推进系统的房间，其中要处理的氩气含有相关水的痕迹……
在这种微妙的平衡过程中，派豪-罗宾逊研究人员依赖于可持续的 VAT 阀门技术，因为正如 Kelvin Ho 提出的那样：“决定性因素是所有相关真空阀的可靠相互作用！”各个真空泵的阀门断开和连接遵循非常精确的编排，这确保了室内的条件始终与太空中的条件相对应 - 即使火箭发动机在室内打开和关闭时也是如此。Kelvin Ho高兴地告诉我们： “ VAT 阀门的高精度和功能可靠性对于应对此类挑战至关重要。此外，在设计此类系统时，我们始终与 VAT 同事密切合作。这是充分利用双方经验的唯一方法。”
关于Paihau-Robinson研究所测试室的部分视图。左上方是涡轮分子泵，它通过 VAT 系列 11.1 闸阀连接到腔室。
资料来源：Ben Mallett（Paihau-Robinson 研究所）
引领潮流的技术
本·马利特相信 AFMPD 推进器将在未来十年内推动航天器往返月球：“我们在这里所做的工作将见证 AFMPD 技术的重大发展。这不仅是为了展示在太空中工作的新型超导磁体系统，也是为了利用出色的测试设施，让其以足以令人信服的方式展示 AFMPD 如何与这些新型强大磁体一起工作。这些是将这些非常酷的等离子火箭送入太空的关键步骤！”那么，VAT祝愿宇宙之旅一路平安！