Hall -effekt thruster - Hall-effect thruster

6 kW hallpropeller i drift ved NASA Jet Propulsion Laboratory

I romfartøyets fremdrift er en Hall-effekt-thruster (HET) en type ion-thruster der drivstoffet akselereres av et elektrisk felt . Hall-effekt-thrustere (basert på funnet av Edwin Hall ) blir noen ganger referert til som Hall-thrustere eller Hall-current thrustere . Hall-effekt- thrustere bruker et magnetfelt for å begrense elektronenes aksiale bevegelse og deretter bruke dem til å ionisere drivstoff, effektivt akselerere ionene for å produsere skyvekraft og nøytralisere ionene i fjæren. Hall-effekt-thrusteren er klassifisert som en moderat spesifikk impuls (1600 s) romfremdriftsteknologi og har hatt fordel av betydelig teoretisk og eksperimentell forskning siden 1960-tallet.

Hall -thrustere opererer på en rekke drivmidler, den vanligste er xenon og krypton . Andre drivstoff av interesse inkluderer argon , vismut , jod , magnesium , sink og adamantan .

Hall -thrustere er i stand til å akselerere eksosen til hastigheter mellom 10 og 80 km/s (1000–8 000 s spesifikk impuls), med de fleste modellene som kjører mellom 15 og 30 km/s. Kraften som produseres avhenger av effektnivået. Enheter som opererer på 1,35 kW produserer cirka 83 mN skyvekraft. Høyeffektmodeller har vist opptil 5,4 N i laboratoriet. Effektnivåer opptil 100 kW er demonstrert for xenon Hall -thrustere.

Fra og med 2009 varierte hall-effekt-thrustere i inngangseffektnivåer fra 1,35 til 10 kilowatt og hadde eksoshastigheter på 10–50 kilometer i sekundet, med et trykk på 40–600 millinewtons og effektivitet i området 45–60 prosent. Bruksområdene til Hall-effekt-thrustere inkluderer kontroll av orienteringen og posisjonen til bane rundt satellitter og bruk som hovedfremdriftsmotor for mellomstore robotbiler.

Historie

Hallthrustere ble studert uavhengig i USA og Sovjetunionen . De ble først beskrevet offentlig i USA på begynnelsen av 1960 -tallet. Imidlertid ble Hall -thrusteren først utviklet til en effektiv fremdriftsenhet i Sovjetunionen. I USA fokuserte forskere på å utvikle ristede ionthrustere .

To typer Hall -thrustere ble utviklet i Sovjetunionen:

thrustere med bred akselerasjonssone, SPT ( russisk : СПД, стационарный плазменный двигатель ; engelsk: SPT , Stationary Plasma Thruster) på Design Bureau Fakel
thrustere med smal akselerasjonssone, DAS ( russisk : ДАС, двигатель с анодным слоем ; engelsk: TAL , Thruster with Anode Layer), ved Central Research Institute for Machine Building (TsNIIMASH).

Sovjetiske og russiske SPT -thrustere

SPT -designet var stort sett arbeidet til AI Morozov. Den første SPT som opererte i verdensrommet, en SPT-50 ombord på et sovjetisk Meteor-romfartøy , ble skutt opp i desember 1971. De ble hovedsakelig brukt til satellittstabilisering i nord-sør og i øst-vest retning. Siden den gang til slutten av 1990 -tallet fullførte 118 SPT -motorer oppdraget og rundt 50 fortsatte å bli operert. Styrken til den første generasjonen SPT-motorer, SPT-50 og SPT-60 var henholdsvis 20 og 30 mN. I 1982 ble SPT-70 og SPT-100 introdusert, med et trykk på henholdsvis 40 og 83 mN. I det post-sovjetiske Russland ble SPT-140, SPT-160, SPT-200, T-160 og lav-effekt (mindre enn 500 W) SPT-35 introdusert med høy effekt (noen få kilowatt ).

Sovjetiske og russiske thrustere av TAL-type inkluderer D-38, D-55, D-80 og D-100.

Sovjet-bygde thrustere ble introdusert for Vesten i 1992 etter at et team av elektriske fremdriftsspesialister fra NASAs Jet Propulsion Laboratory , Glenn Research Center og Air Force Research Laboratory , under støtte fra Ballistic Missile Defense Organization , besøkte russiske laboratorier og eksperimentelt evaluert SPT-100 (dvs. en 100 mm diameter SPT-thruster). Over 200 hall -thrustere har blitt fløyet på sovjetiske/russiske satellitter de siste tretti årene. Ingen feil har noen gang skjedd på bane. Hallthrustere brukes fortsatt på russiske romfartøyer og har også fløyet på europeiske og amerikanske romfartøyer. Space Systems/Loral , en amerikansk kommersiell satellittprodusent, flyr nå Fakel SPT-100 på sine GEO-kommunikasjonsromfartøy.

Siden introduksjonen til Vesten på begynnelsen av 1990 -tallet har Hall -thrustere vært gjenstand for et stort antall forskningsinnsatser i hele USA, Frankrike, Italia, Japan og Russland (med mange mindre innsatser spredt i forskjellige land over hele verden) . Hallpropellerforskning i USA utføres ved flere offentlige laboratorier, universiteter og private selskaper. Statlige og statlige finansierte sentre inkluderer NASAs Jet Propulsion Laboratory , NASAs Glenn Research Center , Air Force Research Laboratory (Edwards AFB, CA) og The Aerospace Corporation . Universiteter inkluderer US Air Force Institute of Technology , University of Michigan , Stanford University , Massachusetts Institute of Technology , Princeton University , Michigan Technological University og Georgia Tech . Det skjer en betydelig utvikling i industrien, for eksempel IHI Corporation i Japan, Aerojet og Busek i USA, SNECMA i Frankrike, LAJP i Ukraina, SITAEL i Italia og Satrec Initiative i Sør -Korea.

Den første bruken av Hall-thrustere på månens bane var European Space Agency (ESA) månemisjon SMART-1 i 2003.

Hallthrustere ble først demonstrert på en vestlig satellitt på STEX-romfartøyet Naval Research Laboratory (NRL), som fløy det russiske D-55. Den første American Hall-thrusteren som fløy i verdensrommet var Busek BHT-200 på TacSat-2 teknologi demonstrasjonsromfartøy. Den første flyvningen til en American Hall-thruster på et operasjonelt oppdrag, var Aerojet BPT-4000, som lanserte august 2010 på den militære Advanced Extremely High Frequency GEO-kommunikasjonssatellitten. Med 4,5 kW er BPT-4000 også den høyeste effekt Hall-thrusteren som noen gang har fløyet i verdensrommet. I tillegg til de vanlige stasjonsoppgavene, tilbyr BPT-4000 også banehevingsevne til romfartøyet. Den X-37B har vært brukt som et teststed for Hall thruster for AEHF satellitt-serien. Flere land over hele verden fortsetter arbeidet med å kvalifisere Hall -thruster -teknologi for kommersiell bruk. Den SpaceX Star konstellasjonen, den største satellittene i verden, bruker Hall thrustere. De er også inkludert i designet av Psyche -romfartøyet for leting etter asteroider.

Driftsprinsipp

Det viktigste arbeidsprinsippet for Hall -thrusteren er at den bruker et elektrostatisk potensial for å akselerere ioner opp til høye hastigheter. I en Hall -thruster leveres den attraktive negative ladningen av et elektronplasma i den åpne enden av thrusteren i stedet for et rutenett. Et radialt magnetfelt på omtrent 100–300 G (0,01–0,03 T ) brukes til å begrense elektronene, der kombinasjonen av det radielle magnetfeltet og det aksiale elektriske feltet får elektronene til å drive i asimut og dermed danne Hall -strømmen hvorfra enheten får navnet sitt.

Hallpropeller. Hall -thrustere er stort sett aksialt symmetriske. Dette er et tverrsnitt som inneholder den aksen.

En skjematisk oversikt over en Hall -thruster er vist i det tilstøtende bildet. Et elektrisk potensial mellom 150 og 800 volt påføres mellom anoden og katoden .

Den sentrale piggen danner en pol av en elektromagnet og er omgitt av et ringformet rom, og rundt det er den andre polen til elektromagneten, med et radialt magnetfelt i mellom.

Drivstoffet, for eksempel xenongass , mates gjennom anoden, som har mange små hull i den for å fungere som en gassfordeler. Etter hvert som de nøytrale xenonatomene diffunderer inn i thrusterens kanal, ioniseres de ved kollisjoner med sirkulerende elektroner med høy energi (vanligvis 10–40 eV, eller omtrent 10% av utladningsspenningen). De fleste xenonatomene ioniseres til en nettoladning på +1, men en merkbar brøkdel (~ 20%) har +2 nettoladning.

Xenonionene akselereres deretter av det elektriske feltet mellom anoden og katoden. For utladningsspenninger på 300 V når ionene hastigheter på rundt 15 km/s (9,3 mps) for en bestemt impuls på 1500 sekunder (15 kN · s/kg). Etter utgangen imidlertid ionene trekke et likt antall av elektroner med dem, noe som skaper en plasmaskyen uten netto ladning.

Det radielle magnetfeltet er utformet for å være sterkt nok til å avbøye elektronene med lav masse, men ikke ionene med høy masse, som har en mye større gyroradius og neppe er hindret. Flertallet av elektronene sitter dermed i bane rundt området med høyt radialt magnetfelt nær thrusterutgangsplanet, fanget i E × B (aksialt elektrisk felt og radialt magnetfelt). Denne orbitale rotasjonen av elektronene er en sirkulerende Hall -strøm , og det er fra dette Hall -thrusteren får navnet sitt. Kollisjoner med andre partikler og vegger, samt plasma ustabilitet, gjør at noen av elektronene kan frigjøres fra magnetfeltet, og de driver mot anoden.

Omtrent 20–30% av utladningsstrømmen er en elektronstrøm, som ikke produserer skyvekraft, og dermed begrenser thrusterens energiske effektivitet; de andre 70–80% av strømmen er i ionene. Fordi flertallet av elektronene er fanget i Hall -strømmen, har de lang oppholdstid inne i thrusteren og er i stand til å ionisere nesten hele xenon -drivstoffet, slik at massen kan brukes på 90–99%. Thrusterens massebrukseffektivitet er dermed rundt 90%, mens utladningsstrømseffektiviteten er rundt 70%, for en kombinert thrustereffektivitet på rundt 63%(= 90%× 70%). Moderne Hall -thrustere har oppnådd effektivitet så høyt som 75% gjennom avanserte design.

Sammenlignet med kjemiske raketter er skyvekraften veldig liten, i størrelsesorden 83 mN for en typisk thruster som opererer ved 300 V, 1,5 kW. Til sammenligning er vekten av en mynt som det amerikanske kvartalet eller en 20 cent euromynt omtrent 60 mN. Som med alle former for elektrisk drevet romfartsfremdrift , er skyvekraften begrenset av tilgjengelig kraft, effektivitet og spesifikk impuls .

Imidlertid opererer Hall -thrustere ved de høye spesifikke impulsene som er typiske for elektrisk fremdrift. En spesiell fordel med Hall-thrustere, sammenlignet med en gitteret ion-thruster , er at generering og akselerasjon av ionene finner sted i et kvasi-nøytralt plasma, så det er ingen Child-Langmuir-ladning (romladning) mettet strømbegrensning på trykk tetthet. Dette tillater mye mindre thrustere sammenlignet med grindede ionthrustere.

En annen fordel er at disse thrustere kan bruke et større utvalg av drivmidler som leveres til anoden, til og med oksygen, selv om det er nødvendig med noe lett ionisert ved katoden.

Drivmidler

Xenon

Xenon har vært det typiske valget av drivmiddel for mange elektriske fremdriftssystemer, inkludert Hall -thrustere. Xenon drivmiddel brukes på grunn av sin høye atomvekt og lave ioniseringspotensial . Xenon er relativt lett å lagre, og som en gass ved romfartøyer trenger driftstemperaturer ikke å fordampes før bruk, i motsetning til metalliske drivmidler som vismut. Xenons høye atomvekt betyr at forholdet mellom energi brukt til ionisering per masseenhet er lavt, noe som fører til en mer effektiv thruster.

Krypton

Krypton er et annet valg av drivmiddel for Hall -thrustere. Xenon har et ioniseringspotensial på 12,1298 eV, mens krypton har et ioniseringspotensial på 13,996 eV. Dette betyr at thrustere som bruker krypton trenger å bruke litt høyere energi per molekyl for å ionisere, noe som reduserer effektiviteten. I tillegg er krypton et lettere molekyl, så enhetsmassen per ioniseringsenergi reduseres ytterligere sammenlignet med xenon. Imidlertid kan xenon være mer enn ti ganger så dyrt som krypton per kilo , noe som gjør krypton et mer økonomisk valg for å bygge ut satellitt konstellasjoner som det av SpaceX 's Star , hvis Hall thrustere er drevet med krypton.

Varianter

Sylindriske hall -thrustere

Selv om konvensjonelle (ringformede) hall -thrustere er effektive i kilowatt -effektregimet, blir de ineffektive når de skaleres til små størrelser. Dette skyldes vanskeligheter knyttet til å holde ytelsen skaleringsparametere konstant mens du reduserer kanalstørrelsen og øker den påførte magnetfeltstyrken . Dette førte til utformingen av den sylindriske Hall -thrusteren. Den sylindriske Hall-thrusteren kan lettere skaleres til mindre størrelser på grunn av sin ukonvensjonelle utladningskammergeometri og tilhørende magnetfeltprofil . Den sylindriske Hall-thrusteren egner seg lettere for miniatyrisering og laveffektdrift enn en konvensjonell (ringformet) Hall-thruster. Den primære årsaken til sylindriske Hall-thrustere er at det er vanskelig å oppnå en vanlig Hall-thruster som opererer over en bred konvolutt fra ~ 1 kW ned til ~ 100 W samtidig som den opprettholder en effektivitet på 45-55%.

Ekstern utladning Hall -thruster

Sputtering av erosjon av utslippskanalvegger og polstykker som beskytter den magnetiske kretsen forårsaker svikt i thruster -operasjonen. Derfor har ringformede og sylindriske Hall -thrustere begrenset levetid. Selv om magnetisk skjerming har vist å dramatisk redusere utslippskanalvegg erosjon, er erosjon av polstykker fortsatt en bekymring. Som et alternativ har det blitt introdusert en ukonvensjonell Hall -thruster -konstruksjon kalt ekstern utladningshallpropell eller ekstern utladningsplasmastruster (XPT). Ekstern utslippshallpropell har ingen utslippskanalvegger eller stolpestykker. Plasmautladning produseres og opprettholdes fullstendig i åpent rom utenfor thrusterstrukturen, og dermed oppnås erosjonsfri drift.

applikasjoner

Hall-thrustere har flydd i verdensrommet siden desember 1971 da Sovjetunionen lanserte en SPT-50 på en Meteor-satellitt. Over 240 thrustere har fløy i verdensrommet siden den gang med en suksessrate på 100%. Hallthrustere flyr nå rutinemessig på kommersielle LEO- og GEO -kommunikasjonssatellitter der de brukes til innsetting av baner og stasjonshold .

Den første Hall-thrusteren som fløy på en vestlig satellitt var en russisk D-55 bygget av TsNIIMASH, på NROs STEX- romfartøy, som ble skutt opp 3. oktober 1998.

Det solenergiske elektriske fremdriftssystemet til European Space Agency 's SMART-1 romfartøy brukte en Snecma PPS-1350 -G Hall-thruster. SMART-1 var et teknologidemonstrasjonsoppdrag som kretset rundt månen . Denne bruken av PPS-1350-G, som startet 28. september 2003, var den første bruken av en Hall-thruster utenfor geosynkron jordbane (GEO). Som de fleste fremdrivningssystemer for Hall-thruster som brukes i kommersielle applikasjoner, kan Hall-thrusteren på SMART-1 bli strupet over en rekke effekter, spesifikk impuls og kraft. Den har et utladningseffektområde på 0,46–1,19 kW, en spesifikk impuls på 1 100–1 600 s og en kraft på 30–70 mN.

Mange små satellitter i SpaceX Starlink- klyngen bruker krypton-drevne Hall-thrustere for posisjonering og deorbiting.

Romstasjonen Tiangong er utstyrt med hall-effekt-thrustere. Tianhe kjernemodul drives av både kjemiske thrustere og fire ionthrustere , som brukes til å justere og vedlikeholde stasjonens bane. Utviklingen av Hall-effekt-thrustere regnes som et sensitivt tema i Kina, og forskere "jobber med å forbedre teknologien uten å tiltrekke seg oppmerksomhet". Hall-effekt-thrustere er opprettet med tanke på bemannet oppdragssikkerhet med tanke på å forhindre erosjon og skade forårsaket av de akselererte ionpartiklene. Et magnetfelt og spesialdesignet keramisk skjold ble laget for å avvise skadelige partikler og opprettholde thrusterens integritet. I følge det kinesiske vitenskapsakademiet har ionedriften som ble brukt på Tiangong brent kontinuerlig i 8 240 timer uten feil, noe som indikerer deres egnethet for den kinesiske romstasjonens utpekte 15-års levetid. Dette er verdens første Hall-thrustere på et oppdrag av mennesker.

The Jet Propulsion Laboratory (JPL) gitt eksklusive kommersielle lisensiering til Apollo Fusion- ledet av Mike Cassidy , for sin Magnetisk skjermet Miniature, eller MaSMi Hall thruster teknologi. I januar 2021 kunngjorde Apollo Fusion at de hadde sikret seg en kontrakt med York Space Systems for en ordre med den siste iterasjonen, kalt "Apollo Constellation Engine".

En illustrasjon av Gateway i bane rundt månen. Banens bane vil opprettholdes med Hall -thrustere.

NASAs første Hall-thrustere på et menneskelig oppdrag vil være en kombinasjon av 6kW Hall-thrustere levert av Busek og NASA Advanced Electric Propulsion System (AEPS) Hall thrustere. De vil fungere som den primære framdrifts på Maxar 's makt og Propulsion Element (PPE) for Lunar Gateway henhold NASAs Artemis program . Den høye spesifikke impulsen til Hall-thrustere vil tillate effektiv baneheving og stasjonsoppbevaring for Lunar Gateways polare nær-rettlinjede halo-bane .

Under utvikling

Den høyeste effekt Hall-effekt-thrusteren i utvikling er University of Michigan 's 100 kW X3 Nested Channel Hall Thruster. Thrusteren er omtrent 80 cm i diameter og veier 230 kg, og har vist et trykk på 5,4 N.

Andre thrustere med høy effekt inkluderer NASAs 40 kW Advanced Electric Propulsion System (AEPS), ment å drive store vitenskapelige oppdrag og godstransport i dyp plass.

Languages

In other projects