Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Холловский двигатель мощностью 2 кВт в работе в рамках эксперимента Холловского двигателя в Принстонской лаборатории физики плазмы

В двигательной установке космического корабля двигатель с эффектом Холла ( HET ) представляет собой тип ионного двигателя, в котором топливо ускоряется электрическим полем . Двигатели на эффекте Холла используют магнитное поле для ограничения осевого движения электронов, а затем используют их для ионизации топлива, эффективного ускорения ионов для создания тяги и нейтрализации ионов в шлейфе. Двигатели на эффекте Холла (основанные на открытии Эдвина Холла ) иногда называют двигателями Холла или двигателями холловского тока.. Двигатель малой тяги на эффекте Холла классифицируется как космическая двигательная установка с умеренным удельным импульсом (1600  с), и с 1960-х годов в ней были проведены обширные теоретические и экспериментальные исследования. [1]

Холловский двигатель мощностью 6 кВт работает в Лаборатории реактивного движения НАСА

Двигатели Холла работают на различных топливах, наиболее распространенными из которых являются ксенон и криптон . Другие представляющие интерес пропелленты включают аргон , висмут , йод , магний и цинк .

Двигатели Холла способны разгонять свой выхлоп до скорости от 10 до 80 км / с (удельный импульс 1000–8000 с), при этом большинство моделей работают от 15 до 30 км / с (удельный импульс 1500–3000 с). Производимая тяга зависит от уровня мощности. Устройства, работающие на 1,35 кВт, создают тягу около 83 мН. Мощные модели продемонстрировали в лаборатории до 5,4 Н. [2] Уровни мощности до 100 кВт были продемонстрированы для ксеноновых двигателей Холла.

По состоянию на 2009 год двигатели с эффектом Холла имели уровни входной мощности от 1,35 до 10 киловатт и имели скорость истечения 10-50 километров в секунду, тягу 40-600 миллиньютон и эффективность в диапазоне 45-60 процентов. [3]

Применение двигателей на эффекте Холла включает в себя управление ориентацией и положением орбитальных спутников и их использование в качестве главного двигателя для роботизированных космических аппаратов среднего размера. [3]

История [ править ]

Двигатели Холла изучались независимо в США и Советском Союзе . Впервые они были публично описаны в США в начале 1960-х годов. [4] [5] [6] Однако двигатель Холла был впервые разработан в качестве эффективной двигательной установки в Советском Союзе. В США ученые сосредоточились на разработке ионных двигателей с решеткой .

В Советском Союзе были разработаны два типа двигателей Холла:

  • двигатели с широкой зоной разгона, СПД ( русский : СПД, стационарный плазменный двигатель ; английский: СПД , стационарный плазменный двигатель ) в КБ Факел
  • двигатели с узкой зоной ускорения, DAS ( русский : ДАС, двигатель с анодным слоем ; английский: TAL , Двигатель с анодным слоем) в Центральном научно-исследовательском институте машиностроения (ЦНИИМАШ).
Советские и российские двигатели СПД

Разработкой СПТ в значительной степени занимался А. И. Морозов. [7] [8] Первый СПД, работающий в космосе, СПТ-50 на борту советского космического корабля «Метеор» , был запущен в декабре 1971 года. Они в основном использовались для стабилизации спутников в направлениях север-юг и восток-запад. С тех пор и до конца 1990-х годов 118 двигателей SPT выполнили свою задачу и около 50 продолжали эксплуатироваться. Тяга двигателей СПТ первого поколения, СПТ-50 и СПТ-60 составляла 20 и 30 мН соответственно. В 1982 году были внедрены СПТ-70 и СПТ-100 с тягой 40 и 83 мН соответственно. В постсоветской России большой мощности (несколько киловатт) Были представлены СПТ-140, СПТ-160, СПТ-200, Т-160 и маломощный (менее 500 Вт) СПТ-35. [9]

Советские и российские двигатели типа ТАЛ включают Д-38, Д-55, Д-80 и Д-100. [9]

Двигатели советского производства были представлены на Западе в 1992 году после того, как группа специалистов по электродвигателям из Лаборатории реактивного движения НАСА , Исследовательского центра Гленна и Исследовательской лаборатории ВВС при поддержке Организации противоракетной обороны посетила российские лаборатории и провела эксперименты. оценил СПД-100 (т.е. двигатель СПД диаметром 100 мм). За последние 30 лет на советских и российских спутниках было запущено более 200 двигателей Холла. На орбите ни разу не было сбоев. Двигатели Холла продолжают использоваться на российских космических кораблях, а также на европейских и американских космических кораблях. Космические Системы / Лорал, американский производитель коммерческих спутников, теперь запускает Fakel SPT-100 на своем космическом корабле связи GEO.

С момента своего появления на Западе в начале 1990-х годов двигатели Холла были предметом большого количества исследовательских работ в США, Франции, Италии, Японии и России (причем многие меньшие усилия были разбросаны по разным странам по всему миру). . Исследования двигателей Холла в США проводятся в нескольких государственных лабораториях, университетах и ​​частных компаниях. Государственные и правительственные финансируемая центры включают в себя НАСА Лаборатория реактивного движения , НАСА Исследовательский центр Гленн , в научно - исследовательской лаборатории ВВС США (Edwards AFB, CA) и The Aerospace Corporation . Университеты включают Технологический институт ВВС США , [10] Мичиганский университет., Стэнфордский университет , Массачусетский технологический институт , Принстонский университет , Мичиганский технологический университет и Технологический университет Джорджии . Значительные разработки ведутся в таких отраслях, как IHI Corporation в Японии, Aerojet и Busek в США, SNECMA во Франции, LAJP в Украине, SITAEL в Италии и Satrec Initiative в Южной Корее.

Первым использованием двигателей Холла на лунной орбите была лунная миссия SMART-1 Европейского космического агентства (ESA) в 2003 году.

Двигатели Холла были впервые продемонстрированы на западном спутнике космического корабля STEX Морской исследовательской лаборатории (NRL), на котором летал российский Д-55. Первым американским двигателем Холла, который полетел в космос, был Busek BHT-200 на демонстрационном космическом корабле TacSat-2 . Первым полетом американского подруливающего устройства Холла в оперативной миссии стал самолет Aerojet BPT-4000, запущенный в августе 2010 года на военном спутнике связи Advanced Extremely High Frequency GEO. При мощности 4,5 кВт BPT-4000 также является самым мощным двигателем Холла, когда-либо летавшим в космос. Помимо обычных задач по удержанию на месте, BPT-4000 также обеспечивает возможность подъема на орбиту космического корабля. X-37Bиспользовался в качестве испытательного стенда для двигателя Холла для серии спутников AEHF. [11] В нескольких странах мира продолжаются попытки квалифицировать технологию подруливающих устройств Холла для коммерческого использования. SpaceX Starlink созвездие, крупнейший спутник созвездия в мире, реализует двигатели Hall.

Операция [ править ]

Основной принцип работы холловского двигателя заключается в том, что он использует электростатический потенциал для ускорения ионов до высоких скоростей. В двигателе Холла притягивающий отрицательный заряд создается электронной плазмой на открытом конце двигателя, а не сеткой. Радиальное магнитное поле примерно 100–300  Гс (0,01–0,03  Тл ) используется для ограничения электронов, где комбинация радиального магнитного поля и аксиального электрического поля заставляет электроны дрейфовать по азимуту, образуя ток Холла, от которого устройство получает свое имя.

Подруливающее устройство Холла. Двигатели Холла в основном осесимметричны. Это поперечное сечение, содержащее эту ось.

Схема холловского двигателя малой тяги показана на соседнем изображении. Электрический потенциал от 150 до 800 вольт подается между анодом и катодом .

Центральный штырь образует один полюс электромагнита и окружен кольцевым пространством, а вокруг него находится другой полюс электромагнита с радиальным магнитным полем между ними.

Пропеллент, такой как газообразный ксенон , подается через анод, в котором есть множество небольших отверстий, которые действуют как газораспределитель. Ксеноновое топливо используется из-за его высокого атомного веса и низкого потенциала ионизации . По мере того, как нейтральные атомы ксенона диффундируют в канал двигателя малой тяги, они ионизируются за счет столкновений с циркулирующими электронами высокой энергии (обычно 10–40 эВ, или около 10% напряжения разряда). Большинство атомов ксенона ионизируются до чистого заряда +1, но заметная часть (~ 20%) имеет чистый заряд +2.

Затем ионы ксенона ускоряются электрическим полем между анодом и катодом. При разрядном напряжении 300 В ионы достигают скорости около 15 км / с (9,3 м / с) за удельный импульс 1500 секунд (15 кН · с / кг). Однако при выходе ионы увлекают за собой равное количество электронов, создавая плазменный шлейф без общего заряда.

Радиальное магнитное поле должно быть достаточно сильным, чтобы существенно отклонять электроны с малой массой, но не ионы с большой массой, которые имеют гораздо больший гирорадиус и которым практически не препятствуют. Таким образом, большинство электронов застревают на орбите в области сильного радиального магнитного поля около выходной плоскости двигателя малой тяги, захваченные в E × B (осевое электрическое поле и радиальное магнитное поле). Это орбитальное вращение электронов представляет собой циркулирующий холловский ток , и именно поэтому холловский двигатель получил свое название. Столкновения с другими частицами и стенками, а также нестабильность плазмы позволяют некоторым электронам освободиться от магнитного поля, и они дрейфуют к аноду.

Около 20–30% разрядного тока составляет электронный ток, который не создает тяги, что ограничивает энергетический КПД двигателя малой тяги; остальные 70–80% тока приходится на ионы. Поскольку большинство электронов захвачено током Холла, они имеют длительное время пребывания внутри двигателя малой тяги и способны ионизировать почти все ксеноновое топливо, что позволяет использовать 90–99% массы. Таким образом, эффективность массового использования двигателя малой тяги составляет около 90%, в то время как эффективность тока разряда составляет около 70%, при комбинированном КПД двигателя малой тяги около 63% (= 90% × 70%). Современные подруливающие устройства Холла достигли КПД 75% благодаря усовершенствованной конструкции.

По сравнению с химическими ракетами тяга очень мала, порядка 83 мН для типичного двигателя малой тяги, работающего при 300 В, 1,5 кВт. Для сравнения, вес монеты, такой как четверть доллара США или монета 20 центов евро, составляет примерно 60 мН. Как и во всех формах силовых установок космических аппаратов с электрическим приводом , тяга ограничивается доступной мощностью, эффективностью и удельным импульсом .

Однако двигатели Холла работают при высоких удельных импульсах , характерных для электрических движителей. Одно из особых преимуществ двигателей Холла по сравнению с ионным двигателем с сеткой состоит в том, что генерация и ускорение ионов происходит в квазинейтральной плазме, поэтому нет ограничения по току насыщения заряда (пространственного заряда) Чайлда-Ленгмюра на плотность тяги. Это позволяет использовать двигатели гораздо меньшего размера по сравнению с ионными двигателями с сеткой.

Другое преимущество состоит в том, что эти двигатели могут использовать более широкий спектр топлива, подаваемого на анод, даже кислород, хотя на катоде необходимо что-то легко ионизируемое. [12]

Цилиндрические двигатели Холла [ править ]

Хотя обычные (кольцевые) двигатели Холла эффективны в режиме киловаттной мощности, они становятся неэффективными при масштабировании до небольших размеров. Это связано с трудностями, связанными с поддержанием постоянных параметров масштабирования производительности при уменьшении размера канала и увеличении приложенной напряженности магнитного поля . Это привело к созданию цилиндрического двигателя Холла. Цилиндрический двигатель Холла легче масштабировать до меньших размеров благодаря нетрадиционной геометрии разрядной камеры и соответствующему профилю магнитного поля . [13] [14] [15]Цилиндрический двигатель Холла легче поддается миниатюризации и работает с низким энергопотреблением, чем обычный (кольцевой) двигатель Холла. Основная причина использования цилиндрических двигателей Холла заключается в том, что трудно получить обычный двигатель Холла, который работает в широком диапазоне от ~ 1 кВт до ~ 100 Вт, сохраняя при этом КПД 45-55%. [16]

Двигатель Холла с внешней разрядкой [ править ]

Распылительная эрозия стенок разрядного канала и полюсных наконечников, защищающих магнитную цепь, вызывает сбои в работе двигателя. Следовательно, кольцевые и цилиндрические двигатели Холла имеют ограниченный срок службы. Хотя было показано, что магнитное экранирование значительно снижает эрозию стенки разрядного канала, эрозия полюсного наконечника все еще вызывает беспокойство. [17] В качестве альтернативы была представлена ​​нетрадиционная конструкция холловского двигателя, называемого холловским двигателем с внешним разрядом или плазменным двигателем с внешним разрядом (XPT). [18] [19] [20] Двигатель Холла с внешним разрядом не имеет стенок разрядного канала или полюсных наконечников. Плазменный разряд создается и поддерживается полностью в открытом пространстве за пределами конструкции двигателя, и, таким образом, достигается работа без эрозии.

Приложения [ править ]

Двигатели Холла летают в космос с декабря 1971 года, когда Советский Союз запустил СПТ-50 на спутнике «Метеор». [21] С тех пор более 240 двигателей совершили полеты в космос со 100% -ным успехом. [22] Подруливающие устройства Холла в настоящее время обычно используются на коммерческих спутниках связи LEO и GEO, где они используются для вывода на орбиту и стабилизации .

Первым [ проверенным ] двигателем Холла, который полетел на западном спутнике, был российский Д-55, построенный в ЦНИИМАШ на космическом корабле NRO STEX , запущенном 3 октября 1998 года [23].

Солнечная электрическая двигательная система Европейского космического агентства «s SMART-1 космических аппаратов использовали Snecma PPS-1350 -G Hall подруливающее устройство. [24] SMART-1 была миссией по демонстрации технологий, которая вращалась вокруг Луны . Это использование PPS-1350-G, начавшееся 28 сентября 2003 г., было первым использованием холловского двигателя за пределами геосинхронной околоземной орбиты (GEO). Подобно большинству силовых установок холловских двигателей, используемых в коммерческих приложениях, холловские двигатели на SMART-1 могли регулироваться в диапазоне мощности, удельного импульса и тяги. [25] Он имеет диапазон мощности разряда 0,46–1,19 кВт, удельный импульс 1,100–1600 с и тягой 30–70 мН.

Многие небольшие спутники кластера SpaceX Starlink используют двигатели Холла, работающие на криптоне, для удержания позиции и спуска с орбиты. [26]

В разработке [ править ]

Самым крупным планируемым двигателем на эффекте Холла является усовершенствованная электрическая двигательная установка НАСА мощностью 40 кВт (AEPS), предназначенная для выполнения крупномасштабных научных миссий и перевозки грузов в глубоком космосе. [27]

Развитие частного сектора [ править ]

Пытаясь приватизировать технологию подруливающего устройства на эффекте Холла, Apollo Fusion, возглавляемая Майком Кэссиди , получила эксклюзивную коммерческую лицензию через JPL на свою магнитно-экранированную миниатюрную технологию подруливающего устройства MaSMi Hall. [28] Их цель - предоставить эффективные двигатели меньшего размера для спутниковых группировок и малых космических аппаратов. В январе 2021 года Apollo Fusion объявили, что они заключили контракт с York Space Systems на заказ своей последней версии под названием «Apollo Constellation Engine». [29]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хофер, Ричард Р. "Разработка и характеристика высокоэффективных ксеноновых двигателей Холла с высокой удельной импульсной способностью". NASA / CR - 2004–21309 . Программа НАСА STI. ЛВП : 2060/20040084644 .
  2. ^ «Прототип ионного двигателя бьет рекорды в тестах, может отправить людей на Марс» . space.com . Архивировано 20 марта 2018 года . Проверено 27 апреля 2018 года .
  3. ^ a b Choueiri, Эдгар Ю. (2009). «Новая заря электрических ракет». Scientific American . 300 (2): 58–65. Bibcode : 2009SciAm.300b..58C . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0209-58 . PMID 19186707 . 
  4. ^ Джейнс, G .; Dotson, J .; Уилсон, Т. (1962). Передача импульса через магнитные поля . Материалы третьего симпозиума по перспективным концепциям силовых установок. 2 . Цинциннати, Огайо, США. С. 153–175.
  5. ^ Meyerand, RG. (1962). Передача импульса через электрические поля . Труды Третьего симпозиума по передовым концепциям движения. 1 . Цинциннати, Огайо, США. С. 177–190.
  6. ^ Seikel, GR. (1962). Генерация тяги - электромагнитные двигатели . Материалы конференции НАСА-Университета по науке и технологиям исследования космоса. 2 . Чикаго, Иллинойс, США. С. 171–176.
  7. ^ "Двигатели Холла" . 2004-01-14. Архивировано из оригинального 28 февраля 2004 года.
  8. ^ Морозов, AI (март 2003). «Концептуальная разработка стационарных плазменных двигателей». Отчеты по физике плазмы . Наука / Интерпериодика. 29 (3): 235–250. Bibcode : 2003PlPhR..29..235M . DOI : 10.1134 / 1.1561119 . S2CID 122072987 . 
  9. ^ a b «Родные электродвигатели сегодня» . Новости Космонавтики. 1999. Архивировано из оригинала 6 июня 2011 года.
  10. ^ http://www.afit.edu/PA/news.cfm?article=101&a=news
  11. ^ «Модифицированный подруливающий двигатель XR-5 от Aerojet Rocketdyne демонстрирует успешную работу на орбите» (пресс-релиз). Aerojet Rocketdyne. 1 июля 2015 года. Архивировано 9 июля 2015 года . Проверено 11 октября +2016 .
  12. ^ "Стационарные плазменные двигатели на эффекте Холла" . Электродвигатель для межорбитальных аппаратов . Архивировано 17 июля 2013 года . Проверено 16 июня 2014 .[1] Архивировано 10 октября 2007 г. в Wayback Machine.
  13. ^ Ю. Райтсес; NJ Fisch. "Параметрические исследования нетрадиционного двигателя Холла" (PDF) . Физика плазмы, 8, 2579 (2001). Архивировано (PDF) из оригинала 27 мая 2010 года.
  14. ^ А. Смирнов; Ю. Райцес; NJ Fisch. «Экспериментальные и теоретические исследования цилиндрических двигателей Холла» (PDF) . Физика плазмы 14, 057106 (2007). Архивировано (PDF) из оригинала 27 мая 2010 года.
  15. ^ Пользин, К.А.; Raitses, Y .; Gayoso, JC; Фиш, штат Нью-Джерси "Сравнение характеристик электромагнитных и постоянных магнитных цилиндрических двигателей Холла". Сервер технических отчетов НАСА . Центр космических полетов Маршала. hdl : 2060/20100035731 .
  16. ^ Пользин, К.А.; Raitses, Y .; Merino, E .; Фиш, штат Нью-Джерси "Предварительные результаты измерений характеристик цилиндрического двигателя на эффекте Холла с магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами". Сервер технических отчетов НАСА . Принстонская лаборатория физики плазмы. ЛВП : 2060/20090014067 .
  17. ^ Goebel, Дэн М .; Йорнс, Бенджамин; Хофер, Ричард Р .; Mikellides, Ioannis G .; Кац, Ира (2014). "Взаимодействие полюсов с плазмой в магнитно-экранированном двигателе Холла". 50-я Конференция по совместным двигательным установкам AIAA / ASME / SAE / ASEE . DOI : 10.2514 / 6.2014-3899 . ISBN 978-1-62410-303-2.
  18. ↑ Карадаг, Бурак; Чо, Шинатора; Осио, Юя; Хамада, Юши; Фунаки, Икко; Комурасаки, Кимия (2016). "Предварительные исследования плазменного двигателя внешнего разряда". 52-я Совместная конференция по двигательным установкам AIAA / SAE / ASEE . DOI : 10.2514 / 6.2016-4951 . ISBN 978-1-62410-406-0.
  19. ^ "Численное исследование конструкции двигателя Холла с внешним разрядом, использующего магнитное поле плазменной линзы" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала на 2017-08-14.
  20. ^ "Низковольтный внешний разрядный плазменный двигатель и диагностика плазменного шлейфа с полыми катодами с использованием электростатических зондов и анализатора тормозящего потенциала" . Архивировано 29 августа 2017 года.
  21. ^ Тернер, Мартин JL (5 ноября 2008 г.). Движение ракет и космических аппаратов: принципы, практика и новые разработки, стр.197 . Springer Science & Business Media . ISBN 9783540692034. Проверено 28 октября 2015 года .
  22. ↑  Эта статья включает материалы, являющиеся  общественным достоянием, из документа Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства : Майер, Майк. « « Дорожная карта космических силовых установок »(апрель 2012 г.)» (PDF) .
  23. ^ «Успешно запущен спутник Национального разведывательного управления» (PDF) . Лаборатория военно-морских исследований (пресс-релиз). 3 октября 1998 г. Архивировано 13 ноября 2011 г. (PDF) .
  24. ^ Корню, Николас; Маршандайз, Фредерик; Дарнон, Франк; Estublier, Денис (2007). Квалификационная демонстрация PPS®1350: 10500 часов на земле и 5000 часов в полете . 43-я Совместная конференция и выставка по двигательным установкам AIAA / ASME / SAE / ASEE. Цинциннати, Огайо, США. DOI : 10.2514 / 6.2007-5197 .
  25. ^ "Ионный двигатель отправляет SMART-1 на Луну: подсистема электрического движения" . ЕКА . 31 августа 2006 года. Архивировано 29 января 2011 года . Проверено 25 июля 2011 .
  26. ^ "Starlink Press Kit" (PDF) . SpaceX . 15 мая 2019 . Дата обращения 12 ноября 2019 .
  27. ^ Обзор разработки и применения усовершенствованной электрической двигательной установки (AEPS) . (PDF). Дэниел А. Херман, Тодд А. Тофил, Уолтер Сантьяго, Хани Камхави, Джеймс Э. Полк, Джон С. Снайдер, Ричард Р. Хофер, Фрэнк К. Пича, Джерри Джексон и Мэй Аллен. НАСА; NASA / TM - 2018-219761. 35-я Международная конференция по электродвигателям. Атланта, Джорджия, 8–12 октября 2017 г. Дата обращения: 27 июля 2018 г.
  28. ^ Фауст, Джефф (7 мая 2019). «Apollo Fusion получает технологию двигателя Холла от JPL» . Spacenews.com . Проверено 27 января 2021 года .
  29. ^ Фауст, Джефф (27 января 2021). «Apollo Fusion выигрывает заказ на электрические двигатели от York Space Systems» . spacenews.com . Проверено 27 января 2021 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Эдгар Ю. (2009). Новая заря электрической ракеты. Двигатель Холла
  • SITAEL SpA (Италия) - страница, на которой представлена ​​продукция и спецификации подруливающих устройств на эффекте Холла.
  • Страница Snecma SA (Франция) о подруливающем устройстве Холла PPS-1350
  • Подсистемы электродвигателя (PDF)
  • Стационарные плазменные двигатели (PDF)
  • Страница ESA о подруливающих устройствах Холла
  • Аполлон Фьюжн