Подруливающее устройство на эффекте Холла - Hall-effect thruster

Холловское подруливающее устройство мощностью 2 кВт в работе в рамках эксперимента Холловского двигателя на Принстонская лаборатория физики плазмы

В двигательная установка космического корабля, а Подруливающее устройство на эффекте Холла (HET) является разновидностью ионный двигатель в которой пропеллент ускоряется электрическое поле. Эффект Холла двигатели используют магнитное поле чтобы ограничить осевое движение электронов, а затем использовать их для ионизации топлива, эффективно ускорить ионы производить толкать, и нейтрализует ионы в шлейфе. Двигатели на эффекте Холла (на основе открытия Эдвин Холл ) иногда называют Подруливающие устройства холла или же Холловские двигатели. Двигатель на эффекте Холла классифицируется как умеренный удельный импульс (1,600 s) космическая двигательная установка, и с 1960-х годов в ней проводились значительные теоретические и экспериментальные исследования.[1]

Холловское подруливающее устройство мощностью 6 кВт работает на НАСА Лаборатория реактивного движения

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.

Подруливающие устройства Холла могут ускорять свой выхлоп до скорости от 10 до 80 км / с (удельный импульс 1 000–8 000 с), при этом большинство моделей работают от 15 до 30 км / с (удельный импульс 1 500–3 000 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 годПодруливающие устройства на эффекте Холла имели входную мощность от 1,35 до 10 кВт и имели скорости истечения 10–50 км / с, с тягой 40–600 миллиньютон и КПД в диапазоне 45–60 процентов.[3]

Применение двигателей на эффекте Холла включает управление ориентацией и положением орбиты. спутники и использование в качестве главного двигателя для средних роботизированных космических аппаратов.[3]

История

Двигатели Холла изучались независимо в США и США. Советский союз. Впервые они были публично описаны в США в начале 1960-х годов.[4][5][6] Тем не менее, двигатель Холла был впервые разработан в Советском Союзе в качестве эффективной двигательной установки. Вместо этого в США ученые сосредоточились на разработке сеточные ионные двигатели.

В Советском Союзе были разработаны два типа двигателей Холла:

Советские и российские двигатели СПД

Разработкой СПД в значительной степени занимался А. И. Морозов.[7][8] Первый СПТ, работавший в космосе, СПТ-50 на борту советского Космический корабль Метеор, был запущен в декабре 1971 года. В основном они 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 СПТ-70 и СПТ-100 Были введены их тяги 40 и 83 мН соответственно. На постсоветском Россия мощные (несколько киловатты ) 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 НАСА Лаборатория реактивного движения, Исследовательский центр Гленна, а Исследовательская лаборатория ВВС, при поддержке Организация противоракетной обороны, посетил российские лаборатории и провел экспериментальные испытания СПД-100 (т.е. двигателя СПД диаметром 100 мм). За последние тридцать 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. Правительство и финансируемые правительством центры включают НАСА Лаборатория реактивного движения, НАСА Исследовательский центр Гленна, то Исследовательская лаборатория ВВС (Эдвардс AFB, Калифорния) и Аэрокосмическая корпорация. Университеты включают Технологический институт ВВС США,[10] университет Мичигана, Стэндфордский Университет, Массачусетский технологический институт, Университет Принстона, Мичиганский технологический университет, и Технологический институт Джорджии. Значительный объем разработок ведется в отрасли, например: Корпорация IHI в Японии, Аэроджет и Бусек в США, SNECMA во Франции, LAJP в Украине, SITAEL в Италии и Инициатива Satrec в Южной Корее.

Первым применением двигателей Холла на лунной орбите была лунная миссия Европейского космического агентства (ЕКА). СМАРТ-1 в 2003 г.

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 Бусек BHT-200 на TacSat-2 демонстрация технологий космического корабля. Первым полетом американского подруливающего устройства Холла в оперативном режиме был Аэроджет БПТ-4000, запущенный в августе 2010 г. на вооружение Расширенный режим работы с очень высокими частотами Спутник связи 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. В X-37B использовался 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. В SpaceX Starlink constellation, самая большая спутниковая группировка в мире, использует двигатели Холла.

Операция

Основным принципом работы холловского подруливающего устройства является то, что в нем используется электростатический потенциал ускорять ионы до высоких скоростей. В двигателе Холла притягивающий отрицательный заряд создается электронной плазмой на открытом конце двигателя, а не сеткой. Радиальное магнитное поле порядка 100–300грамм (0.01–0.03 Т ) используется для ограничения электронов, где комбинация радиального магнитного поля и осевого электрического поля заставляет электроны дрейфовать по азимуту, образуя холловский ток, от которого устройство и получило свое название.

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

Схема холловского двигателя малой тяги показана на соседнем изображении. An электрический потенциал напряжение между 150 и 800 вольт анод и катод.

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

Пропеллент, такой как ксенон газ подается через анод, который имеет множество маленьких отверстий, которые действуют как газораспределитель. Ксеноновое топливо используется из-за его высокой атомный вес и низкий потенциал 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 за счет электрическое поле 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 плазма шлейф без чистой зарядки.

Радиальное магнитное поле должно быть достаточно сильным, чтобы существенно отклонять электроны с малой массой, но не ионы с большой массой, которые имеют гораздо большую гирорадиус и им почти не препятствуют. Таким образом, большая часть электронов застревает на орбите в области сильного радиального магнитного поля около выходной плоскости двигателя малой тяги, захваченных в ловушку. E×B (осевое электрическое поле и радиальное магнитное поле). Это орбитальное вращение электронов является циркулирующим. Ток Холла, и именно поэтому двигатель Холла 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 как у Квартал США или 20 центов Монета евро составляет примерно 60 мН. Как и во всех формах электрическая силовая установка космического корабля, тяга ограничена доступной мощностью, КПД и удельный импульс.

Однако двигатели Холла работают на высоких оборотах. удельные импульсы типичные для электродвигателей. Одно из особых преимуществ двигателей Холла по сравнению с сеточный ионный двигатель, заключается в том, что генерация и ускорение ионов происходит в квазинейтральной плазме, поэтому нет Заряд Чайлда-Ленгмюра (объемный заряд) насыщенный ток ограничение по плотности тяги. Это позволяет использовать двигатели гораздо меньшего размера по сравнению с ионными двигателями с сеткой.

Еще одно 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 подруливающие устройства Холла

Хотя обычные (кольцевые) подруливающие устройства Холла эффективны в киловатт режима 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 применяемого магнитное поле сила. Это привело к созданию цилиндрического двигателя Холла. Цилиндрический двигатель Холла легче масштабировать до меньших размеров благодаря нетрадиционной геометрии разрядной камеры и связанным с этим магнитное поле профиль.[13][14][15] Цилиндрический двигатель Холла легче поддается миниатюризации и маломощной работе, 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]

Подруливающее устройство Холла с внешним разрядом

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, что обеспечивает работу без эрозии.

Приложения

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

Первый[неудачная проверка ] Подруливающим устройством Холла для полета на западном спутнике был российский Д-55, построенный ЦНИИМАШ на базе NRO. STEX космический корабль, запущенный 3 октября 1998 г.[23]

В солнечная электрическая тяга система Европейское космическое агентство с СМАРТ-1 космический корабль использовал Snecma ППС-1350 -G Холла.[24] SMART-1 была миссией по демонстрации технологий, которая вращалась вокруг Луна. Это использование PPS-1350-G, начавшееся 28 сентября 2003 г., было первым использованием подруливающего устройства Холла вне геосинхронная околоземная орбита (ГЕО). Подобно большинству силовых установок Холловского двигателя, используемых в коммерческих приложениях, двигатель Холла на SMART-1 можно было регулировать в диапазоне мощности, удельного импульса и тяги.[25] Имеет диапазон разрядной мощности 0,46–1,19 кВт. удельный импульс 1,100–1600 с и тягой 30–70 мН.

Многие малые спутники SpaceX Starlink кластерное использование двигателей Холла для удержания позиции и спуска с орбиты.[26]

В развитии

Самый большой планируемый двигатель на эффекте Холла - 40 кВт НАСА. Усовершенствованная электрическая силовая установка (AEPS), предназначенный для выполнения крупномасштабных научных миссий и перевозки грузов в глубоком космосе.[27]

Рекомендации

  1. ^ Хофер, Ричард Р. "Разработка и определение характеристик высокоэффективных ксеноновых двигателей Холла с высокой удельной импульсной способностью". NASA / CR - 2004-21309. Программа НАСА STI. HDL:2060/20040084644.
  2. ^ «Прототип ионного двигателя побил рекорды испытаний, он может отправить людей на Марс». space.com. В архиве с оригинала 20 марта 2018 г.. Получено 27 апреля 2018.
  3. ^ а б Choueiri, Эдгар Ю. (2009). «Новая заря электрических ракет». Scientific American. 300 (2): 58–65. Bibcode:2009SciAm.300b..58C. Дои: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. ^ Сейкель, гр. (1962). Генерация тяги - электромагнитные двигатели. Материалы конференции НАСА-Университета по науке и технологиям исследования космоса. 2. Чикаго, Иллинойс, США. С. 171–176.
  7. ^ "Холловые двигатели". 2004-01-14. Архивировано из оригинал 28 февраля 2004 г.
  8. ^ Морозов, А. (Март 2003 г.). «Концептуальная разработка стационарных плазменных двигателей». Отчеты по физике плазмы. Наука / Интерпериодика. 29 (3): 235–250. Bibcode:2003ПиФР..29..235М. Дои:10.1134/1.1561119. S2CID  122072987.
  9. ^ а б «Собственные электродвигатели сегодня» (на русском). Новости Космонавтики. 1999. Архивировано с оригинал 6 июня 2011 г.
  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 г. В архиве из оригинала от 9 июля 2015 г.. Получено 11 октября 2016.
  12. ^ "Стационарные плазменные двигатели на эффекте Холла". Электродвигатель для межорбитальных аппаратов. В архиве из оригинала от 17.07.2013. Получено 2014-06-16.[1] В архиве 2007-10-10 на Wayback Machine
  13. ^ Ю. Райцес; N. J. Fisch. "Параметрические исследования нетрадиционного двигателя Холла" (PDF). Физика плазмы, 8, 2579 (2001). В архиве (PDF) из оригинала 27.05.2010.
  14. ^ А. Смирнов; Ю. Райцес; N.J. Fisch. «Экспериментальные и теоретические исследования цилиндрических двигателей Холла» (PDF). Физика плазмы 14, 057106 (2007). В архиве (PDF) из оригинала 27.05.2010.
  15. ^ Пользин, К. А .; Raitses, Y .; Gayoso, J.C .; Фиш, Н. Дж. "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, Н. Дж. "Предварительные результаты измерений характеристик цилиндрического двигателя на эффекте Холла с магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами". Сервер технических отчетов НАСА. Принстонская лаборатория физики плазмы. HDL:2060/20090014067.
  17. ^ Goebel, Dan M .; 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. Дои: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 конференция по совместным двигательным установкам AIAA / SAE / ASEE. Дои:10.2514/6.2016-4951. ISBN  978-1-62410-406-0.
  19. ^ «Численное исследование конструкции двигателя Холла с внешним разрядом с использованием магнитного поля плазменной линзы» (PDF). В архиве (PDF) из оригинала от 14.08.2017.
  20. ^ «Диагностика низковольтного плазменного двигателя с внешним разрядом и плазменного шлейфа с полыми катодами с использованием электростатических зондов и анализатора тормозящего потенциала». В архиве из оригинала от 29.08.2017.
  21. ^ Тернер, Мартин Дж. Л. (5 ноября 2008 г.). Движение ракет и космических аппаратов: принципы, практика и новые разработки, стр. 197. Springer Science & Business Media. ISBN  9783540692034. Получено 28 октября 2015.
  22. ^ Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства документ: Мейер, Майк. ""Дорожная карта космических двигательных установок "(апрель 2012 г.)" (PDF).
  23. ^ "Успешно запущен спутник Национальной разведки" (PDF). Лаборатория военно-морских исследований (пресс-релиз). 3 октября 1998 г. В архиве (PDF) с оригинала 13 ноября 2011 г.
  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. Дои:10.2514/6.2007-5197.
  25. ^ «Ионный двигатель отправляет SMART-1 на Луну: подсистема электрического движения». ЕКА. 31 августа 2006 г. В архиве из оригинала 29 января 2011 г.. Получено 2011-07-25.
  26. ^ "Пресс-кит Starlink" (PDF). SpaceX. 15 мая 2019. Получено 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.

внешняя ссылка