Плазмените двигатели, използвани на сателитите, може да са много по-мощни, отколкото се смяташе досега


Плазмените двигатели, използвани в сателитите, могат да бъдат много по-мощни

Сиянието на плазмата от тласкача на H9 MUSCLE Hall по време на тест с криптоново гориво. Кредит: Лаборатория за плазмена динамика и електрическо задвижване

Смята се, че тласкачите на Хол, ефективен вид електрическо задвижване, широко използвано в орбита, трябва да са големи, за да произведат много тяга. Сега ново проучване от Мичиганския университет предполага, че по-малките двигатели на Хол могат да генерират много повече тяга, което потенциално ги прави кандидати за междупланетни мисии.

„Преди това хората са смятали, че можете да прокарате само определено количество ток през тласкаща зона, което от своя страна се превежда директно в колко сила или тяга можете да генерирате на единица площ“, каза Бенджамин Йорнс, доцент по UM космическо инженерство който ръководи новото изследване на тласкачите на Хол, което ще бъде представено на AIAA SciTech форум в Нешънъл Харбър, Мериленд, днес.

Неговият екип оспори това ограничение, като пусна 9-киловатов двигател на Хол до 45 киловата, поддържайки приблизително 80% от номиналната си ефективност. Това увеличи количеството сила, генерирана на единица площ, с почти фактор 10.

Независимо дали го наричаме а плазмен двигател или йонно задвижване, електрическо задвижване е най-добрият ни залог за междупланетно пътуване, но науката е на кръстопът. Докато тласкащите устройства на Хол са добре доказана технология, алтернативна концепция, известна като магнитоплазмен динамичен тласкащ двигател, обещава да опакова много повече мощност в по-малки двигатели. Те обаче все още не са доказани по много начини, включително през целия живот.

Смяташе се, че тласкачите на Хол не могат да се конкурират поради начина, по който работят. The пропелентобикновено a благороден газ подобно на ксенона, се движи през цилиндричен канал, където се ускорява от мощно електрическо поле. Той генерира тяга в посока напред, докато се отдалечава отзад. Но преди пропелантът да може да бъде ускорен, той трябва да загуби някои електрони, за да му даде положителен заряд.






Електрони, ускорени от a магнитно поле да се движи в пръстен около този канал – описан като “бръмчащ трион” от Йорнс – да избие електрони от атомите на горивото и да ги превърне в положително заредени йони. Въпреки това, изчисленията предполагат, че ако тласкащото устройство на Хол се опита да прокара повече гориво през двигателя, електроните, които свистят в пръстен, ще бъдат изхвърлени от формацията, нарушавайки тази функция на “бръмчащ трион”.

„Все едно се опитваш да отхапеш повече, отколкото можеш да дъвчеш“, каза Йорнс. „Бъз трионът не може да си проправи път през толкова много материал.“

Освен това двигателят ще стане изключително горещ. Екипът на Йорнс подложи тези вярвания на изпитание.

„Нарекохме нашия тласкащ двигател H9 MUSCLE, защото по същество взехме тласкащия двигател H9 и направихме мускулна кола от него, като го увеличихме до „11“ – наистина до сто, ако вървим с точно мащабиране“, каза Leanne Su, докторант по аерокосмическо инженерство, който ще представи изследването.

Те се справиха с проблема с топлината, като го охладиха с вода, което им позволи да видят колко голям проблем ще бъде повредата на циркулярната трионка. Оказа се, че не е било голям проблем. Работейки с ксенон, конвенционалното гориво, H9 MUSCLE работи до 37,5 киловата, с обща ефективност от около 49%, недалеч от ефективността от 62% при неговата проектна мощност от 9 киловата.

Работейки с криптон, по-лек газ, те увеличиха захранването си до 45 киловата. При обща ефективност от 51%, те постигнаха максималната си тяга от около 1,8 нютона, наравно с много по-големия 100-киловатов тласкащ двигател X3 Hall.

Плазмените двигатели, използвани в сателитите, могат да бъдат много по-мощни

Докторантът Уил Хърли напуска камерата, където се тества новият плазмен двигател на Хол в лабораторията PEPL. Кредит: Marcin Szczepanski/Michigan Engineering

„Това е някак луд резултат, защото обикновено криптонът се представя много по-лошо от ксенона на тласкачите на Хол. Така че е много готин и интересен път напред да видим, че всъщност можем да подобрим производителността на криптон спрямо ксенона чрез увеличаване на тласкача плътност на тока“, каза Су.

Вложените тласкачи на Хол като X3 – също разработени отчасти от UM – са били изследвани за междупланетен транспорт на товари, но те са много по-големи и по-тежки, което затруднява транспортирането на хора. Сега обикновените двигатели на Хол се връщат на масата за пътувания с екипаж.

Йорнс казва, че проблемът с охлаждането ще се нуждае от подходящо за пространство решение, ако двигателите на Хол трябва да работят с тези високи мощности. Все пак той е оптимист, че отделните тласкачи могат да работят с мощност от 100 до 200 киловата, подредени в масиви, които осигуряват тяга от мегават. Това може да даде възможност на мисии с екипаж да достигнат Марс дори от обратната страна на слънцето, изминавайки разстояние от 250 милиона мили.

Екипът се надява да преследва проблема с охлаждането, както и предизвикателствата при разработването на двигатели на Хол и магнитоплазмадинамични двигатели на Земята, където малко съоръжения могат да тестват двигатели на ниво мисия на Марс. Количеството гориво, което се отделя от тласкач идва твърде бързо, за да могат вакуумните помпи да запазят условията вътре в камерата за изпитване като космически.

Повече информация:
Leanne L. Su et al, Работа и производителност на магнитно екраниран хол тласкащ двигател при ултрависока плътност на тока, Форум AIAA SCITECH 2023 (2023). DOI: 10.2514/6.2023-0842

Предоставена от
Университет на Мичиган


Цитат: Плазмените тласкачи, използвани на сателити, може да са много по-мощни, отколкото се смяташе преди (2023 г., 24 януари) извлечено на 24 януари 2023 г. от https://phys.org/news/2023-01-plasma-thrusters-satellites-powerful-previously.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.