Propulsor cu efect Hall

Un propulsor cu efect Hall de 2 kW în funcțiune, parte a experimentului propulsor cu efect Hall la Laboratorul de fizică plasmatică Princeton .

Un propulsor cu efect Hall este un tip de propulsor electric în care propulsorul este accelerat de un câmp electric. Propulsoarele cu efect Hall captează electronii într-un câmp magnetic și îi folosesc pentru a ioniza propulsorul, accelerându-i eficient pentru a genera împingere și apoi neutralizându-i în evacuare. Astfel de Propulsoarele sunt uneori denumite Hall Propulsoarele sau Hall propulsoarele actuale.

Istorie

Propulsorul Hall a fost investigat independent în Statele Unite și Uniunea Sovietică în anii 1950 și 1960. Cu toate acestea, conceptul propulsorului Hall a fost dezvoltat într-un instrument de propulsie eficient în fosta Uniune Sovietică, în timp ce oamenii de știință din Statele Unite s-au concentrat în schimb pe dezvoltarea propulsoarelor de ioni cu rețele electrostatice .

Două tipuri de propulsoare Hall au fost dezvoltate de Uniunea Sovietică:

propulsoare cu zonă largă de accelerație, SPD ( rusă : СПД , с тационарный п лазменный д вигатель; în engleză : SPT , S tationary P lasma T hruster, propulsor de plasmă staționar)
propulsoare cu zonă îngustă de accelerație, DAS (rusă: ДАС , д вигатель с а нодным с лоем; engleză: TAL , T hruster cu un nod L ayer, propulsor cu strat de anod)

Propulsoarele SPD rusești

Modelul comun al SPD a fost în mare parte opera AI Morozov. ^[1] Motoarele SPD au fost utilizate din 1972 și au fost utilizate în principal pentru stabilizarea sateliților în direcțiile Nord-Sud și Est-Vest. De atunci și până la sfârșitul anilor 1990, 118 motoare SPD și-au finalizat misiunea și alte 50 au continuat să funcționeze. Propulsia motoarelor SPD de prima generație, SPD-50 și SPD-60 a fost de 20 și respectiv 30 m N. În 1982, SPD-70 și SPD-100 au fost introduse cu o tracțiune de 40 și 83 mN. În Rusia post-sovietică au fost introduse propulsoarele de mare putere (câțiva kilowați ), SPD-140, SPD-160, SPD-180 și T-160 și propulsoarele de mică putere (mai puțin de 500 W), SPD- 35. ^[2]

Motoarele de tip rusesc și sovietic DAS includ D-38 și D-55. ^[2]

Propulsoarele construite sovietic au fost introduse în Occident în 1992 după ce o echipă de specialiști în propulsie electrică, cu sprijinul Organizației de apărare a rachetelor balistice , au vizitat laboratoarele sovietice și au evaluat experimental modelul SPD-100 (un propulsor SPD de 100 mm în diametru) . Peste 200 de propulsoare Hall au zburat către sateliții sovietici / ruși în ultimii 30 de ani. Au fost utilizate în principal pentru menținerea orbitei staționare și corecții orbitale mici. În prezent, cercetarea, proiectarea și modelele teoretice pe propulsoarele Hall sunt conduse de experți la Centrul de cercetare Glenn al NASA și la Laboratorul de propulsie cu jet. O mare parte din dezvoltare este condusă de industrii precum Aerojet .

Această tehnologie a fost utilizată în misiunea lunară SMART-1 și este utilizată pe mai mulți sateliți geostaționari comerciali. ^[3]

Cercetări actuale

Cercetările actuale privind propulsoarele cu efect Hall continuă și se concentrează în principal pe:

aduceți puterea lor tipică de 1 kW la puteri mai mari (de la 50 la 100 kW) sau mai mici (de la 50 la 100 W)
Rezolvați problemele de integrare în nave spațiale cu privire la divergența mare a panoului de evacuare
Activați utilizarea impulsurilor specifice mai mari și variabile
Powertrains aprobate pentru utilizare pe vehicule occidentale
Extindeți-vă viața operațională pentru a fi utilizată în misiuni științifice spațiale profunde

Un propulsor Hall funcționează de obicei la 50-60% eficiență de împingere și oferă un impuls specific de la 1.200 la 1.800 de secunde (12 la 18 kN s / kg) și rapoarte de forță-putere de 50-70 mN / kW.

Operațiune

Principiul esențial de funcționare al propulsoarului Hall este acela că folosește un potențial electrostatic pentru a accelera ionii la viteză mare. În astfel de propulsoare, sarcina negativă atractivă este asigurată de o plasmă electronică plasată în deschiderea finală, mai degrabă decât de o rețea. Un câmp magnetic radial puternic este utilizat pentru a menține electronii la locul lor, într-o zonă în care apare combinația câmpului magnetic, atracția dintre forța anodică și curentul rapid de circulație a electronilor în jurul axei propulsorului și o mișcare axială lentă către anod.

Schema de funcționare a unui propulsor Hall

O imagine a propulsorului efectului Hall este prezentată în imaginea din dreapta. Rețineți că aceasta este o secțiune laterală a unui instrument simetric axial. Un potențial electric de ordinul a 300 de volți este aplicat între anod și catod .

Vârful central formează un pol al electromagnetului și este înconjurat de un spațiu inelar în jurul căruia se află celălalt pol al electromagnetului, cu un câmp magnetic radial în mijloc.

Propulsorul, de exemplu, xenon , este injectat prin anod, care are multe găuri mici pentru a funcționa ca distribuitor de gaz. Xenonul este utilizat pentru greutatea moleculară ridicată și energia scăzută de ionizare . Pe măsură ce atomii de xenon neutri se difuzează în canalul propulsorului, aceștia sunt ionizați prin coliziuni cu electroni circulanți de mare energie (10-20 eV sau 100.000 până la 250.000 ° C). Odată ionizați, ionii de xenon au de obicei o încărcare +1, deși o fracție mică (~ 10%) au o sarcină +2.

Ionii xenon sunt apoi accelerați de câmpul electric dintre anod și catod, atingând rapid viteze de ordinul a 15 000 m / s cu un impuls specific de 1 500 secunde (15 kN / kg ). Odată ieșiți, cu toate acestea, ionii atrag un număr egal de electroni cu ei, creând un panou de descărcare cu sarcină netă zero.

Câmpul magnetic radial este conceput pentru a fi suficient de puternic pentru a devia în esență electronii (care au o masă redusă), dar nu și ioni (care au o masă mult mai mare), care au o rază de ciclotron mult mai mare și cu greu sunt deviați. Majoritatea electronilor sunt apoi forțați să orbiteze în regiune cu un câmp magnetic radial ridicat în apropierea planului de ieșire al propulsorului, prins în câmp. $E\times B$ ${\ displaystyle E \ times B}$ $E \ ori B$ (unde E este câmpul electric axial și B câmpul magnetic radial). Această rotație orbitală a electronilor este un curent Hall circulant și de la acesta își ia numele acest tip de propulsor. Coliziunile și instabilitățile permit ca unii dintre electroni să fie eliberați de câmpul magnetic și să se îndrepte spre anod.

Aproximativ 30% din curentul de descărcare este un curent de electroni care nu produce împingere, limitând eficiența energetică a propulsorului; celelalte 70% din curent se află în ioni. Deoarece majoritatea electronilor sunt prinși în curentul Hall, aceștia au o perioadă lungă de staționare în interiorul propulsorului și sunt capabili să ionizeze aproximativ (~ 90%) din propulsorul de xenon. Eficiența de ionizare a propulsorului este, prin urmare, de aproximativ 90%, în timp ce eficiența de descărcare este de aproximativ 70%, pentru o eficiență combinată a propulsorului de aproximativ 63% (90% pentru 70% = 63%).

Câmpul magnetic asigură astfel că puterea descărcată merge predominant în accelerația combustibilului xenon și nu în electroni, rezultând un propulsor rezonabil de eficient.

Comparativ cu cel al rachetelor chimice, forța este foarte mică, de ordinul a 80 mN pentru un propulsor tipic. Pentru comparație, greutatea unei monede, cum ar fi trimestrul SUA sau o monedă de 20 eurocenți , este de aproximativ 60 mN.

Cu toate acestea, propulsoarele cu efect Hall funcționează la cele mai mari impulsuri specifice obținute cu propulsoarele ionice. Un avantaj deosebit al acestor propulsoare, în comparație cu celelalte propulsoare de ioni, este că generarea și accelerarea ionilor au loc într-o plasmă aproape neutră, pentru a nu avea limitări în curentul de saturație al sarcinii Child-Langmuir (spațiu de încărcare) pe densitatea de presiune și, prin urmare, au o presiune ridicată în comparație cu alte propulsoare electrice.

Un alt avantaj este că aceste propulsoare pot utiliza o varietate mai mare de propulsori furnizați anodului, chiar și oxigen, deși este necesar un propulsor ușor ionizabil la catod. ^[4] Un propulsor utilizat este bismutul lichid, datorită costului redus, a masei mari și a presiunii parțiale scăzute.

Aplicații

Sistemul de propulsie electrică solară al navei spațiale SMART-1 a Agenției Spațiale Europene a folosit un propulsor cu efect Hall (Snecma PPS-1350- G1). Pe parcursul a 13 luni și 289 impulsuri de la motor, a consumat aproximativ 58,8 kg de xenon, producând un delta-v de 2737 m / s (46,5 m / s pe kg de xenon). Este planificată exploatarea unui propulsor similar în următoarea misiune BepiColombo și în misiunea Psyche către un asteroid metalic (decolare 2022).