Hall drive

Selecția unităților de săli rusești
Unitatea American Hall în funcțiune (Xenon)

O unitate Hall sau un efect de antrenare Hall ( engleză Hall-Effect Thruster , Hall Thruster ) este un ion propulsorului în care un câmp magnetic crește eficiența prin prevenirea electronilor de la a ajunge anod . Cu acest tip de sursă de ioni, sunt posibile eficiențe ridicate de împingere și o durată lungă de viață, chiar și cu puteri mari până la gama de 100 kW. Cu toate acestea, pentru propulsoarele utilizate pe nave spațiale , erau disponibile doar câteva 100 până la 1000  W , cu care rezultă forțe de împingere de 10 până la 100  mN .

Ca și în cazul altor propulsoare de ioni, xenonul este de obicei folosit ca masă de susținere , al cărui ion pozitiv este accelerat la viteze cuprinse între 10 și 80 km / s de un câmp electric .

istorie

Cercetarea și dezvoltarea unităților de ioni datează din anii 1960, în special în SUA și Uniunea Sovietică. În timp ce se făceau experimente cu surse de ioni de rețea în SUA , compania cu sediul în Kaliningrad, FAKEL, a adus unitatea de efect Hall până la punctul în care era pregătită pentru zbor. De la prima utilizare reușită în 1971 a satelitului METEOR , peste 50 de sateliți au fost echipați cu unități de la FAKEL.

În timpul Războiului Rece, dar mai ales după deschiderea Cortinei de Fier , tehnologia de acționare Hall a fost exportată în lumea occidentală și dezvoltările din Franța ( SNECMA ), Italia ( Sitael , fosta Alta) și SUA ( Busek , Aerojet , JPL , NASA și US Air Force Research Laboratories ) au ajuns parțial la aplicarea zborului și marketingul comercial. Cu SMART-1 , primul PPS 1350 european Hall a fost folosit cu succes pentru o misiune de zbor în 2003 . Primul zbor de testare a unui American Hall drive (Busek) a avut loc în 2006, prima aplicație de zbor american cu o astfel de unitate (Aerojet) în 2010. În țările vorbitoare de limbă germană, cercetările privind drive-urile Hall au fost efectuate la DLR Stuttgart în Anii 1960 și 1970, dar acestea nu sunt actuale activități de cercetare și dezvoltare cunoscute.

Și în Asia de Est, în special în Japonia, drive-urile Hall au fost cercetate și dezvoltate încă din anii 1980. În 2012, China a testat un drive pe satelitul tehnologic Shijian 9A , iar Coreea de Sud a urmat în 2013 cu un test drive pe STSAT 3 și DubaiSat 2 .

NASA a finanțat dezvoltarea de înaltă performanță propulsoarele cu efect Hall de la Aerojet Rocketdyne 2016-2019 cu 67 de milioane de dolari SUA.

Aspect și funcție

La început, diferite grupuri de cercetare au experimentat cu modele similare, pentru care s-au stabilit nume diferite:

  • Conduceți cu un canal larg de accelerație: engl. Propulsor stationar de plasmă (SPT), rusă стационарный плазменный двигатель (СПД). Denumirile alternative sunt French Propulsion Plasmique Stationaire (PPS) sau engleză. Tipul cu strat magnetic (unitate germană cu strat magnetic )
  • Conduceți cu un canal îngust de accelerație: engl. Propulsor cu strat de anod (TAL), rusă двигатель с анодным слоем (ДАС)
Secțiune transversală printr-o unitate SPT Hall

Ambele tipuri au în comun un decalaj inelar deschis pe o parte, care în TAL formează un anod gol complet metalic. În SPT, anodul este limitat la baza canalului, în timp ce pereții laterali sunt ceramici, de ex. B. din nitrură de bor . Alegerea materialului este decisivă pentru durata de viață a motorului. Gazul care servește ca masă de susținere este măsurat în partea de jos a canalului. Canalul este înconjurat concentric de un sistem magnetic, care este adesea format din bobine, dar magneții permanenți sunt, de asemenea, folosiți ocazional. Câmpul magnetic pătrunde în canal aproximativ într-o direcție radială.

Electronii sunt emiși dintr-un catod atașat extern . Datorită încărcării spațiale, ele urmăresc în mare măsură fasciculul de ioni și îl neutralizează. O parte mai mică este trasă către anod de tensiunea de accelerare. Câmpul magnetic le direcționează pe orbite circulare în fața și în canal, prin care viteza orbitală a electronilor este ajustată astfel încât forțele electrostatice și Lorentz să se compenseze reciproc (ca și în cazul efectului Hall , de unde și numele motorului) . Câmpul electric există între anod și sarcina spațială a electronilor care circulă. Prin ionizare prin impact electroni și ioni liberi suplimentari. După o scurtă cădere în direcția anodului, electronii secundari au o viteză de orbită circulară, iar pierderile de energie ale electronilor care afectează sunt, de asemenea, compensate de o derivare în direcția anodului. Faptul că curentul de derivare este relativ scăzut este important pentru eficiența energetică a motorului. Curentul inelar mult mai mare este important pentru cea mai completă ionizare posibilă a masei de susținere, deoarece atunci când funcționează în vid, densitatea gazului este prea mică pentru ca câțiva ioni să poată duce gazul neutru prin coliziuni.

Câmpul electric accelerează ionii axial din spațiu. Datorită masei lor de mii de ori mai mari, viteza lor este mult mai mică decât cea a electronilor, astfel încât acestea afectează cu greu câmpul magnetic. Cu toate acestea, viteza de ieșire de la 10 la 80 km / s este mult mai mare decât la motoarele chimice convenționale.

Mulți ani de optimizare au dus la modele de zbor cu eficiență de tracțiune de peste 50%, motiv pentru care utilizarea acestor motoare este atât de atractivă. Niveluri de eficiență de până la 75% au fost deja atinse în modele experimentale.

literatură

  • Dan M. Goebel și colab.: Fundamentele propulsiei electrice - propulsoarele Ion și Hall. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .

Link-uri web

Dovezi individuale

  1. ^ NASA lucrează la îmbunătățirea propulsiei electrice solare pentru explorarea spațiului profund. NASA, 19 aprilie 2016, accesat pe 27 aprilie 2016 .