Thruster s Hallovým efektem - Hall-effect thruster

6 kW Hallova tryska v provozu v NASA Jet Propulsion Laboratory

V pohonu kosmických lodí je tryska s Hallovým efektem (HET) typ iontové trysky, ve které je hnací plyn urychlován elektrickým polem . Trysky s Hallovým efektem (na základě objevu Edwina Halla ) se někdy označují jako Hallovy trysky nebo Hallovy proudové trysky . Trysky s Hallovým efektem využívají magnetické pole k omezení axiálního pohybu elektronů a poté je používají k ionizaci hnacího plynu, účinnému zrychlování iontů za vzniku tahu a neutralizaci iontů v oblaku. Tryska s Hallovým efektem je klasifikována jako technologie vesmírného pohonu s mírným specifickým impulzem (1600 s) a od 60. let těží ze značného teoretického a experimentálního výzkumu.

Hallové trysky pracují na různých pohonných látkách, nejběžnějšími jsou xenon a krypton . Mezi další zajímavé hnací látky patří argon , vizmut , jód , hořčík , zinek a adamantan .

Hallové rakety jsou schopné zrychlit výfuk na rychlosti mezi 10 a 80 km/s (specifický impuls 1 000–8 000 s), přičemž většina modelů pracuje mezi 15 a 30 km/s. Vytvořený tah závisí na úrovni výkonu. Zařízení pracující na 1,35 kW produkují asi 83 mN tahu. Vysoce výkonné modely prokázaly v laboratoři až 5,4 N. U xenonových Hallových trysek byly prokázány úrovně výkonu až 100 kW.

V roce 2009 se rakety s Hallovým efektem pohybovaly v úrovních vstupního výkonu od 1,35 do 10 kilowattů a měly výfukové rychlosti 10–50 kilometrů za sekundu, s tahem 40–600 milinewtonů a účinností v rozmezí 45–60 procent. Aplikace trysek s Hallovým efektem zahrnují řízení orientace a polohy obíhajících satelitů a použití jako hlavní pohonný motor pro středně velká robotická vesmírná vozidla.

Dějiny

Hall rakety byly studovány nezávisle ve Spojených státech a Sovětském svazu . Poprvé byly veřejně popsány v USA na počátku 60. let minulého století. Hallův propeler byl však nejprve vyvinut v Sovětském svazu na účinné pohonné zařízení. V USA se vědci zaměřili na vývoj mřížkových iontových trysek .

V Sovětském svazu byly vyvinuty dva typy Hallových trysek:

trysky se širokou zónovou akcelerací, SPT ( rusky : СПД, стационарный плазменный двигатель ; anglicky: SPT , Stacionární plazmová tryska) ve společnosti Design Bureau Fakel
trysky s úzkou akcelerační zónou, DAS ( rusky : ДАС, двигатель с анодным слоем ; anglicky: TAL , Thruster s anodovou vrstvou), v Ústředním výzkumném ústavu pro strojírenství (TsNIIMASH).

Sovětské a ruské SPT trysky

Návrh SPT byl z velké části dílem AI Morozova. První SPT působící ve vesmíru, SPT-50 na palubě sovětské kosmické lodi Meteor , byla vypuštěna v prosinci 1971. Používala se hlavně ke stabilizaci satelitů ve směru sever-jih a východ-západ. Od té doby až do konce devadesátých let svou misi dokončilo 118 motorů SPT a přibližně 50 bylo nadále provozováno. Tah první generace motorů SPT, SPT-50 a SPT-60, byl 20 respektive 30 mN. V roce 1982 byly představeny SPT-70 a SPT-100 , jejichž tahy byly 40 a 83 mN. V post-sovětském Rusku byl představen vysoce výkonný (několik kilowattů ) SPT-140, SPT-160, SPT-200, T-160 a nízkoenergetický (méně než 500 W) SPT-35.

Mezi sovětské a ruské rakety typu TAL patří D-38, D-55, D-80 a D-100.

Sovětské rakety byly představeny na Západě v roce 1992 poté, co tým specialistů na elektrický pohon z NASA Jet Propulsion Laboratory , Glenn Research Center a Air Force Research Laboratory , za podpory Organizace obrany proti balistické raketě , navštívil ruské laboratoře a experimentálně vyhodnotil SPT-100 (tj. trysku SPT o průměru 100 mm). Za posledních třicet let bylo na sovětských/ruských satelitech létáno přes 200 Hallových trysek. Na oběžné dráze nikdy nedošlo k žádnému selhání. Hallové rakety se nadále používají na ruských kosmických lodích a létaly také na evropských a amerických kosmických lodích. Space Systems/Loral , americký komerční výrobce satelitů, nyní létá na Fakel SPT-100 na své komunikační kosmické lodi GEO.

Od svého zavedení na Západ na počátku 90. let 20. století byly Hallovy rakety předmětem velkého počtu výzkumných snah po celých Spojených státech, Francii, Itálii, Japonsku a Rusku (s mnoha menšími snahami rozptýlenými v různých zemích po celém světě) . Výzkum Hall thruster v USA probíhá v několika vládních laboratořích, univerzitách a soukromých společnostech. Vláda a vládou financovaná centra zahrnují NASA Jet Propulsion Laboratory , NASA Glenn Research Center , Air Force Research Laboratory (Edwards AFB, CA) a The Aerospace Corporation . Mezi univerzity patří Institut technologického letectva USA , University of Michigan , Stanford University , The Massachusetts Institute of Technology , Princeton University , Michigan Technological University a Georgia Tech . Značná část vývoje probíhá v průmyslu, jako je IHI Corporation v Japonsku, Aerojet a Busek v USA, SNECMA ve Francii, LAJP na Ukrajině, SITAEL v Itálii a Satrec Initiative v Jižní Koreji.

První použití Hallových trysek na měsíční oběžné dráze byla lunární mise Evropské vesmírné agentury (ESA) SMART-1 v roce 2003.

Hallové rakety byly poprvé předvedeny na západní družici na vesmírné lodi STEX Naval Research Laboratory (NRL), která letěla s ruskou D-55. Prvním americkým hnacím motorem, který letěl ve vesmíru, byl Busek BHT-200 na demonstrační vesmírné lodi technologie TacSat-2 . Prvním letem rakety American Hall na operační misi byl Aerojet BPT-4000, který byl spuštěn v srpnu 2010 na vojenském komunikačním satelitu Advanced Extremely High Frequency GEO. Se 4,5 kW je BPT-4000 také nejvyšší Hallův tryskový pohon, jaký kdy ve vesmíru letěl. Kromě obvyklých úkolů správy stanic poskytuje BPT-4000 kosmické lodi také schopnost zvyšování oběžné dráhy. X-37B byl použit jako testovací pro Hall deflektor pro AEHF satelitní série. Několik zemí po celém světě pokračuje v úsilí kvalifikovat technologii Hallových trysek pro komerční použití. SpaceX Starlink konstelace, největší družic na světě, používá Hall rakety. Jsou také zahrnuty v návrhu kosmické lodi Psyche pro průzkum asteroidů.

Princip činnosti

Základním principem práce Hallova propulzoru je, že využívá elektrostatický potenciál ke zrychlení iontů až do vysokých rychlostí. V Hallově propulzoru je atraktivní negativní náboj zajištěn elektronovou plazmou na otevřeném konci trysky místo mřížky. Radiální magnetické pole asi 100–300 G (0,01–0,03 T ) se používá k uzavření elektronů, kde kombinace radiálního magnetického pole a axiálního elektrického pole způsobí, že se elektrony unášejí v azimutu, čímž se vytvoří Hallův proud, ze kterého zařízení dostane svůj název.

Hall raketa. Hallové trysky jsou do značné míry osově symetrické. Toto je průřez obsahující tuto osu.

Schéma Hallova propulzoru je znázorněno na sousedním obrázku. Elektrický potenciál mezi 150 a 800 V se aplikuje mezi anodou a katodou .

Centrální bodec tvoří jeden pól elektromagnetu a je obklopen prstencovým prostorem a kolem něj je druhý pól elektromagnetu s radiálním magnetickým polem mezi nimi.

Hnací plyn, jako je xenonový plyn, je veden anodou, která má v sobě mnoho malých otvorů, které působí jako rozdělovač plynu. Vzhledem k tomu, že neutrální xenonové atomy difundují do kanálu trysky, jsou ionizovány srážkami s cirkulujícími vysokoenergetickými elektrony (typicky 10–40 eV, nebo asi 10% vybíjecího napětí). Většina atomů xenonů je ionizována na čistý náboj +1, ale znatelná frakce (~ 20%) má +2 čistý náboj.

Xenonové ionty jsou pak urychlovány elektrickým polem mezi anodou a katodou. Pro vybíjecí napětí 300 V dosahují ionty rychlosti kolem 15 km/s (9,3 mps) po specifický impuls 1 500 sekund (15 kN · s/kg). Po opuštění však ionty s sebou táhnou stejný počet elektronů a vytvoří plazmový oblak bez čistého náboje.

Radiální magnetické pole je navrženo tak, aby bylo dostatečně silné na to, aby podstatně vychýlilo elektrony s nízkou hmotností, nikoli však ionty s vysokou hmotností, které mají mnohem větší gyroradius a jsou stěží narušeny. Většina elektronů se tedy zasekla obíhající v oblasti vysokého radiálního magnetického pole poblíž výstupní roviny trysek, uvězněná v E × B (axiální elektrické pole a radiální magnetické pole). Tato orbitální rotace elektronů je cirkulujícím Hallovým proudem , a od toho se odvíjí Hallův trysek. Srážky s jinými částicemi a stěnami, stejně jako nestabilita plazmatu, umožňují uvolnění některých elektronů z magnetického pole a unášejí se směrem k anodě.

Asi 20–30% vybíjecího proudu je elektronový proud, který nevytváří tah, což omezuje energetickou účinnost trysky; zbylých 70–80% proudu je v iontech. Vzhledem k tomu, že většina elektronů je zachycena v Hallově proudu, mají dlouhou dobu pobytu uvnitř rakety a jsou schopny ionizovat téměř veškerý xenonový pohon, což umožňuje hromadné využití 90–99%. Hromadná účinnost trysky je tedy přibližně 90%, zatímco účinnost vybíjecího proudu je přibližně 70%, pro kombinovanou účinnost trysky přibližně 63%(= 90%× 70%). Moderní Hallovy rakety dosáhly účinnosti až 75% díky pokročilému designu.

Ve srovnání s chemickými raketami je tah velmi malý, řádově 83 mN pro typickou trysku pracující při 300 V, 1,5 kW. Pro srovnání, hmotnost mince, jako je americká čtvrtina nebo 20 centová euromince, je přibližně 60 mN. Stejně jako u všech forem elektrického pohonu kosmických lodí je tah omezen dostupným výkonem, účinností a specifickým impulzem .

Hallovy rakety však pracují na vysokých specifických impulzech, které jsou typické pro elektrický pohon. Jedna zvláštní výhoda Hallových trysek ve srovnání s mřížkovou iontovou tryskou je, že generování a zrychlování iontů probíhá v kvazi-neutrálním plazmatu, takže neexistuje žádné nasycené proudové omezení Child-Langmuirova náboje (prostorový náboj) na hustota tahu. To umožňuje mnohem menší trysky ve srovnání s mřížkovými iontovými tryskami.

Další výhodou je, že tyto trysky mohou používat širší škálu pohonných hmot dodávaných na anodu, dokonce i kyslík, i když je na katodě potřeba něco snadno ionizovatelného.

Propelenty

Xenon

Xenon je typickou volbou pohonné hmoty pro mnoho elektrických pohonných systémů, včetně Hallových trysek. Xenonový pohon se používá kvůli jeho vysoké atomové hmotnosti a nízkému ionizačnímu potenciálu . Xenon je relativně snadno skladovatelný a protože plyn při provozních teplotách kosmických lodí nemusí být před použitím odpařován, na rozdíl od kovových pohonných hmot, jako je vizmut. Vysoká atomová hmotnost xenonu znamená, že poměr energie vynaložené na ionizaci na hmotnostní jednotku je nízký, což vede k efektivnějšímu pohonu.

Krypton

Krypton je další volbou hnacího plynu pro Hallovy rakety. Xenon má ionizační potenciál 12,1298 eV, zatímco krypton má ionizační potenciál 13,996 eV. To znamená, že rakety využívající krypton potřebují na ionizaci vynaložit o něco vyšší energii na molekulu, což snižuje účinnost. Krypton je navíc lehčí molekula, takže jednotková hmotnost na ionizační energii se ve srovnání s xenonem dále snižuje. Xenon však může být více než desetkrát dražší než krypton na kilogram , což z kryptonu činí ekonomičtější volbu pro budování satelitních konstelací, jako je hvězdný odkaz SpaceX , jehož rakety Hall jsou poháněny kryptonem.

Varianty

Válcové Hallovy trysky

Ačkoli konvenční (prstencové) Hallovy trysky jsou účinné v energetickém režimu kilowattů , při zmenšení na malé velikosti se stávají neefektivními. To je způsobeno obtížemi spojenými s udržováním konstantních parametrů škálování výkonu při zmenšování velikosti kanálu a zvyšování aplikované síly magnetického pole . To vedlo k návrhu válcového Hallova propulzoru. Válcová Hallova tryska může být díky své nekonvenční geometrii výbojové komory a souvisejícímu profilu magnetického pole snadněji škálovatelná na menší velikosti . Válcová Hallova tryska se snáze hodí k miniaturizaci a provozu s malým výkonem než konvenční (prstencová) Hallova tryska. Hlavním důvodem válcových Hallových trysek je, že je obtížné dosáhnout pravidelného Hallova propulzoru, který pracuje v širokém obalu od ~ 1 kW do ~ 100 W při zachování účinnosti 45-55%.

Externí Hallova tryska

Rozprašovací eroze stěn vypouštěcího kanálu a pólových nástavců, které chrání magnetický obvod, způsobí selhání provozu trysek. Proto mají prstencové a válcové Hallovy trysky omezenou životnost. Přestože bylo prokázáno, že magnetické stínění dramaticky snižuje erozi stěny výbojového kanálu, eroze pólového nástavce je stále problémem. Jako alternativa byla zavedena netradiční konstrukce Hallova propulzoru zvaná externí vypouštěcí Hallova tryska nebo externí vypouštěcí plazmová tryska (XPT). Externí vypouštěcí Hallova tryska nemá žádné stěny vypouštěcího kanálu ani pólové nástavce. Plazmový výboj je produkován a udržován zcela v otevřeném prostoru mimo konstrukci trysek, a tím je dosaženo provozu bez eroze.

Aplikace

Hallové rakety létají ve vesmíru od prosince 1971, kdy Sovětský svaz vypustil SPT-50 na satelit Meteor. Od té doby ve vesmíru letělo přes 240 trysek se 100% úspěšností. Hallové rakety se nyní běžně létají na komerčních komunikačních satelitech LEO a GEO, kde se používají pro orbitální vkládání a správu stanic .

První Hall raketa letět na západní satelit byl ruský D-55 postavený TsNIIMASH na NRO je STEX kosmické lodi, která byla zahájena dne 3. října 1998.

Solární elektrický pohon systém European Space Agency ‚s SMART-1 kosmická loď používal Snecma PPS-1350 -G Hall vrtule. SMART-1 byla technologická ukázková mise, která obíhala kolem Měsíce . Toto použití PPS-1350-G, počínaje 28. zářím 2003, bylo prvním použitím Hallova pohonu mimo geosynchronní oběžnou dráhu Země (GEO). Jako většina halových propulzních systémů používaných v komerčních aplikacích, i Hallova tryska na SMART-1 mohla být škrcena v rozsahu výkonu, specifického impulsu a tahu. Má rozsah vybíjecího výkonu 0,46–1,19 kW, specifický impuls 1 100–1 600 s a tah 30–70 mN.

Mnoho malých satelitů hvězdokupy SpaceX Starlink využívá k udržování polohy a deorbitaci kryptoměnové Hallovy trysky.

Vesmírná stanice Tiangong je vybavena tryskami s Hallovým efektem. Modul jádra Tianhe je poháněn jak chemickými tryskami, tak čtyřmi iontovými tryskami , které slouží k úpravě a udržování oběžné dráhy stanice. Vývoj trysek s Hallovým efektem je v Číně považován za citlivé téma, přičemž vědci „pracují na vylepšení technologie, aniž by přitahovali pozornost“. Trysky s Hallovým efektem jsou vytvořeny s ohledem na bezpečnost mise s posádkou se snahou zabránit erozi a poškození způsobenému částicemi zrychleného iontu. Bylo vytvořeno magnetické pole a speciálně navržený keramický štít, který odpuzuje škodlivé částice a udržuje integritu trysek. Podle Čínské akademie věd iontový pohon používaný na Tiangongu nepřetržitě hořel 8 240 hodin bez závady, což naznačuje jejich vhodnost pro určenou 15letou životnost čínské vesmírné stanice. Jedná se o první Hall rakety na světě na misi hodnocené lidmi.

Jet Propulsion Laboratory (JPL) udělil výhradní obchodní licenční Apollo Fusion- vedená Mike Cassidy , pro jeho magneticky odstíněné miniaturách nebo MaSMi Hall raketa technologie. V lednu 2021 společnost Apollo Fusion oznámila, že zajistila smlouvu s York Space Systems na objednávku její nejnovější iterace s názvem „Apollo Constellation Engine“.

Ilustrace brány na oběžné dráze kolem Měsíce. Oběžná dráha brány bude udržována pomocí Hallových trysek.

První Hallovy trysky NASA na misi hodnocené lidmi budou kombinací 6kW Hallových trysek od Busek a Hallových trysek NASA Advanced Electric Propulsion System (AEPS). Budou sloužit jako primární pohon na Maxar ‚s Power a Propulsion Element (PPE) pro Lunární brána rámci NASA programu Artemis . Vysoký specifický impuls Hallových trysek umožní efektivní zvedání oběžné dráhy a udržování stanice pro polární téměř přímočarou oběžnou dráhu Lunární brány .

Ve vývoji

Nejvyšším výkonem Hallova efektu ve vývoji je University of Michigan 100 kW X3 Nested Channel Hall Thruster. Hnací motor má průměr přibližně 80 cm a váží 230 kg a prokázal tah 5,4 N.

Mezi další vysoce výkonné rakety patří pokročilý elektrický pohonný systém (AEPS) NASA o výkonu 40 kW , který má pohánět rozsáhlé vědecké mise a přepravu nákladu v hlubokém vesmíru.

Languages

In other projects