Hall -effekt thruster - Hall-effect thruster

6 kW hallpropeller i drift vid NASA Jet Propulsion Laboratory

I rymdskeppsdrivning är en Hall-effektpropeller (HET) en typ av jonpropeller där drivmedlet accelereras av ett elektriskt fält . Hall-effektpropellrar (baserade på upptäckten av Edwin Hall ) kallas ibland för Hall-thruster eller Hall-current thruster . Hall-effekt thrusters använder ett magnetfält för att begränsa elektronernas axiella rörelse och använder dem sedan för att jonisera drivmedel, påskynda jonerna effektivt för att producera dragkraft och neutralisera jonerna i plummen. Hall-effekt-thrusteren klassas som en måttlig specifik impuls (1600 s) rymddrivningsteknik och har gynnats av betydande teoretisk och experimentell forskning sedan 1960-talet.

Hallpropeller fungerar på en mängd olika drivmedel, den vanligaste är xenon och krypton . Andra drivmedel av intresse inkluderar argon , vismut , jod , magnesium , zink och adamantan .

Hallpropellrar kan accelerera sina avgaser till hastigheter mellan 10 och 80 km/s (1 000–8 000 s specifik impuls), där de flesta modellerna arbetar mellan 15 och 30 km/s. Kraften som produceras beror på effektnivån. Enheter som arbetar med 1,35 kW ger cirka 83 mN dragkraft. Högeffektsmodeller har visat upp till 5,4 N i laboratoriet. Effektnivåer upp till 100 kW har visats för xenon Hall -thrusterar.

Från och med 2009 varierade halleffektpropellrar i ingångseffektnivåer från 1,35 till 10 kilowatt och hade avgashastigheter på 10–50 kilometer per sekund, med dragkraft på 40–600 millinewtons och effektivitet i intervallet 45–60 procent. Tillämpningarna för Hall-effektpropellrar inkluderar kontroll av orienteringen och positionen för kretsande satelliter och användning som huvuddrivmotor för medelstora robotfarkoster.

Historia

Hallpropellrar studerades oberoende i USA och Sovjetunionen . De beskrevs först offentligt i USA i början av 1960 -talet. Hallpropellern utvecklades dock först till en effektiv framdrivningsanordning i Sovjetunionen. I USA fokuserade forskare på att utveckla gitterade jontrustare .

Två typer av hallpropeller utvecklades i Sovjetunionen:

thrusters with wide acceleration zone , SPT ( Russian : СПД, стационарный плазменный двигатель ; engelska: SPT , Stationary Plasma Thruster) på Design Bureau Fakel
thruster med smal accelerationszon, DAS ( ryska : ДАС, двигатель с анодным слоем ; engelska: TAL , Thruster with Anode Layer), vid Central Research Institute for Machine Building (TsNIIMASH).

Sovjetiska och ryska SPT -thrusterar

SPT -designen var till stor del AI Morozovs arbete. Den första SPT som opererade i rymden, en SPT-50 ombord på ett sovjetiskt Meteor-rymdfarkoster , lanserades i december 1971. De användes främst för satellitstabilisering i nord-syd och i öst-västlig riktning. Sedan dess fram till slutet av 1990 -talet slutförde 118 SPT -motorer sitt uppdrag och ett 50 -tal fortsatte att drivas. Kraften för den första generationen SPT-motorer, SPT-50 och SPT-60 var 20 respektive 30 mN. 1982 introducerades SPT-70 och SPT-100 , vars dragkraft var 40 respektive 83 mN. I det post-sovjetiska Ryssland introducerades högeffekt (några kilowatt ) SPT-140, SPT-160, SPT-200, T-160 och lågeffekt (mindre än 500 W) SPT-35.

Sovjetiska och ryska thrusterar av TAL-typ inkluderar D-38, D-55, D-80 och D-100.

Sovjetbyggda thrusterar introducerades i väst 1992 efter att ett team av elektriska framdrivningsspecialister från NASA: s Jet Propulsion Laboratory , Glenn Research Center och Air Force Research Laboratory , under stöd av Ballistic Missile Defense Organization , besökt ryska laboratorier och experimentellt utvärderade SPT-100 (dvs en 100 mm diameter SPT-thruster). Över 200 hallpropellrar har flugits på sovjetiska/ryska satelliter under de senaste trettio åren. Inga misslyckanden har någonsin inträffat i omloppsbana. Hallpropeller fortsätter att användas på ryska rymdfarkoster och har också flugit på europeiska och amerikanska rymdfarkoster. Space Systems/Loral , en amerikansk kommersiell satellittillverkare, flyger nu Fakel SPT-100 på sina GEO-kommunikationsfartyg.

Sedan introduktionen till väst i början av 1990 -talet har hallpropeller varit föremål för ett stort antal forskningsinsatser i hela USA, Frankrike, Italien, Japan och Ryssland (med många mindre insatser spridda i olika länder över hela världen) . Hallpropellerforskning i USA bedrivs vid flera statliga laboratorier, universitet och privata företag. Statliga och statligt finansierade centra inkluderar NASA: s Jet Propulsion Laboratory , NASA: s Glenn Research Center , Air Force Research Laboratory (Edwards AFB, CA) och The Aerospace Corporation . Universiteten inkluderar US Air Force Institute of Technology , University of Michigan , Stanford University , Massachusetts Institute of Technology , Princeton University , Michigan Technological University och Georgia Tech . En betydande utveckling sker inom industrin, såsom IHI Corporation i Japan, Aerojet och Busek i USA, SNECMA i Frankrike, LAJP i Ukraina, SITAEL i Italien och Satrec Initiative i Sydkorea.

Den första användningen av Hall-thrusterar på månbana var European Space Agency (ESA) månuppdrag SMART-1 2003.

Hallpropellrar demonstrerades först på en västra satellit på rymdfarkosten STEX Naval Research Laboratory (NRL), som flög den ryska D-55. Den första amerikanska hallpropellern som flydde i rymden var Busek BHT-200 på TacSat-2- teknikdemonstrationsfartyg. Den första flygningen av en American Hall-thruster på ett operativt uppdrag var Aerojet BPT-4000, som lanserade augusti 2010 på den militära avancerade extremt högfrekventa GEO-kommunikationssatelliten. Med 4,5 kW är BPT-4000 också den högsta effekt Hallpropeller som någonsin flugits i rymden. Förutom de vanliga stationeringsuppgifterna erbjuder BPT-4000 också rymdskeppsförmåga. Den X-37B har använts som en testbädd för Hall propeller för AEHF satellit serien. Flera länder världen över fortsätter sina ansträngningar för att kvalificera Hall thruster -teknik för kommersiellt bruk. Den SpaceX Starlink konstellation, den största satellitkonstellationen i världen använder Hall propellrar. De ingår också i utformningen av rymdfarkosten Psyche för utforskning av asteroider.

Funktionsprincip

Den grundläggande arbetsprincipen för hallpropellern är att den använder en elektrostatisk potential för att accelerera joner upp till höga hastigheter. I en Hall -thruster tillhandahålls den attraktiva negativa laddningen av en elektronplasma vid thrusterns öppna ände istället för ett rutnät. Ett radiellt magnetfält på cirka 100–300 G (0,01–0,03 T ) används för att begränsa elektronerna, där kombinationen av det radiella magnetfältet och det axiella elektriska fältet får elektronerna att driva i azimut och därmed bilda Hallströmmen från vilken enheten får sitt namn.

Hallpropeller. Hallpropeller är i stort sett axiellt symmetriska. Detta är ett tvärsnitt som innehåller den axeln.

En schematisk bild av en hallpropeller visas i den intilliggande bilden. En elektrisk potential mellan 150 och 800 volt appliceras mellan anoden och katoden .

Den centrala spetsen bildar en pol av en elektromagnet och är omgiven av ett ringformat utrymme, och runt det är elektromagnetens andra pol, med ett radiellt magnetfält emellan.

Drivmedlet, såsom xenongas , matas genom anoden, som har många små hål i den för att fungera som en gasfördelare. När de neutrala xenonatomerna diffunderar in i thrusterns kanal, joniseras de genom kollisioner med cirkulerande högenergi-elektroner (vanligtvis 10–40 eV, eller cirka 10% av urladdningsspänningen). De flesta xenonatomerna joniseras till en nettoladdning på +1, men en märkbar fraktion (~ 20%) har +2 nettoladdning.

Xenonjonerna accelereras sedan av det elektriska fältet mellan anoden och katoden. För urladdningsspänningar på 300 V når jonerna hastigheter på cirka 15 km/s (9,3 mps) under en specifik impuls på 1500 sekunder (15 kN · s/kg). Vid utträde emellertid jonerna drar ett lika stort antal elektroner med dem, vilket skapar en plasmaplym med någon nettoladdning.

Det radiella magnetfältet är utformat för att vara tillräckligt starkt för att väsentligen avleda elektronerna med låg massa, men inte högmassjonerna, som har en mycket större gyroradius och knappast hindras. Majoriteten av elektronerna fastnar således i en krets i området med högt radiellt magnetfält nära thrusterns utgångsplan, fångat i E × B (axiellt elektriskt fält och radiellt magnetfält). Denna orbitalrotation av elektronerna är en cirkulerande Hall -ström , och det är från detta som Hall -thrusteren får sitt namn. Kollisioner med andra partiklar och väggar, liksom plasmainstabilitet, gör att några av elektronerna kan frigöras från magnetfältet, och de driver mot anoden.

Ungefär 20–30% av urladdningsströmmen är en elektronström, som inte producerar dragkraft, vilket begränsar thrusterens energiska effektivitet; de andra 70–80% av strömmen finns i jonerna. Eftersom majoriteten av elektronerna är instängda i Hall -strömmen har de en lång uppehållstid inne i thrusteren och kan jonisera nästan hela xenon -drivmedlet, vilket möjliggör massanvändning på 90–99%. Thrusterens massanvändningseffektivitet är således cirka 90%, medan utmatningsströmseffektiviteten är cirka 70%, för en kombinerad thrustereffektivitet på cirka 63%(= 90%× 70%). Moderna hallpropellrar har uppnått effektivitet upp till 75% genom avancerad design.

Jämfört med kemiska raketer är dragkraften mycket liten, i storleksordningen 83 mN för en typisk thruster som arbetar vid 300 V, 1,5 kW. Som jämförelse är vikten av ett mynt som det amerikanska kvartalet eller ett 20 cent euromynt cirka 60 mN. Som med alla former av elektriskt drivande rymdfarkostdrivning begränsas kraften av tillgänglig effekt, effektivitet och specifik impuls .

Hallpropeller fungerar dock vid de höga specifika impulserna som är typiska för elektrisk framdrivning. En särskild fördel med Hall-thrusterar, jämfört med en gitterad jonpropeller , är att generering och acceleration av jonerna sker i en kvasi-neutral plasma, så det finns ingen Child-Langmuir-laddning (rymdladdning) mättad strömbegränsning på dragdensitet. Detta möjliggör mycket mindre thrusterar jämfört med gallrade jontrustare.

En annan fördel är att dessa thrusterar kan använda ett större antal drivmedel som tillförs anoden, till och med syre, även om det behövs något lätt joniserat vid katoden.

Drivmedel

Xenon

Xenon har varit det typiska valet av drivmedel för många elektriska framdrivningssystem, inklusive hallpropellrar. Xenon -drivmedel används på grund av dess höga atomvikt och låga joniseringspotential . Xenon är relativt lätt att lagra, och som en gas vid rymdfarkoster behöver driftstemperaturer inte förångas före användning, till skillnad från metalliska drivmedel som vismut. Xenons höga atomvikt innebär att förhållandet mellan energi som förbrukas för jonisering per massaenhet är lågt, vilket leder till en effektivare thruster.

Krypton

Krypton är ett annat val av drivmedel för hallpropellrar. Xenon har en joniseringspotential på 12,1298 eV, medan krypton har en joniseringspotential på 13,996 eV. Detta innebär att thrusterar som använder krypton behöver spendera lite högre energi per molekyl för att jonisera, vilket minskar effektiviteten. Dessutom är krypton en lättare molekyl, så enhetsmassan per joniseringsenergi reduceras ytterligare jämfört med xenon. Men xenon kan vara mer än tio gånger så dyrt som krypton per kilogram , vilket gör krypton till ett mer ekonomiskt val för att bygga ut satellitkonstellationer som SpaceX : s Starlink , vars hallpropellrar drivs med krypton.

Varianter

Cylindriska hallpropellrar

Även om konventionella (ringformade) hallpropellrar är effektiva i kilowatt -effektregimen, blir de ineffektiva när de skalas till små storlekar. Detta beror på svårigheterna med att hålla prestandaskalningsparametrarna konstanta samtidigt som kanalstorleken minskas och den applicerade magnetfältstyrkan ökar . Detta ledde till utformningen av den cylindriska Hallpropellern. Den cylindriska Hall-thrusteren kan lättare skalas till mindre storlekar på grund av dess okonventionella urladdningskammare geometri och tillhörande magnetfältprofil . Den cylindriska hallpropellern lämpar sig lättare för miniatyrisering och lågeffektdrift än en konventionell (ringformad) hallpropeller. Den främsta anledningen till cylindriska hallpropellrar är att det är svårt att uppnå en vanlig hallpropeller som arbetar över ett brett kuvert från ~ 1 kW ner till ~ 100 W samtidigt som en effektivitet på 45-55%bibehålls.

Extern urladdning Hallpropeller

Sputring av erosion av urladdningskanalväggar och polstycken som skyddar magnetkretsen orsakar misslyckande i thruster -driften. Därför har ringformade och cylindriska hallpropeller begränsad livslängd. Även om magnetisk avskärmning har visat dramatiskt minska urladdningskanalens väggerosion, är stångerosion fortfarande ett problem. Som ett alternativ har en okonventionell Hall -thruster -konstruktion som kallas extern urladdningshalstruster eller extern urladdningsplasmastruster (XPT) introducerats. Extern urladdning Hallpropeller har inga urladdningskanalväggar eller stolpar. Plasmaurladdning produceras och upprätthålls helt i öppet utrymme utanför thrusterstrukturen, och därmed uppnås erosionsfri drift.

Ansökningar

Hallpropellrar har flugit i rymden sedan december 1971 när Sovjetunionen lanserade en SPT-50 på en Meteor-satellit. Över 240 thruster har flugit i rymden sedan den tiden med 100% framgång. Hallpropellrar flyger nu rutinmässigt på kommersiella LEO- och GEO -kommunikationssatelliter där de används för insättning av orbital och stationshållning .

Den första hallpropellern som flög på en västerländsk satellit var en rysk D-55 byggd av TsNIIMASH, på NRO: s STEX- rymdfarkoster, som lanserades den 3 oktober 1998.

Den sol eldrift system European Space Agency 's SMART-1 rymdskepp använde en Snecma PPS-1350 G Hall propeller. SMART-1 var ett teknikdemonstrationsuppdrag som kretsade runt månen . Denna användning av PPS-1350-G, som började den 28 september 2003, var den första användningen av en hallpropeller utanför geosynkron jordbana (GEO). Liksom de flesta Hall-propellerns framdrivningssystem som används i kommersiella applikationer, kan Hall-thrusteren på SMART-1 strypas över en mängd effekt, specifik impuls och dragkraft. Den har ett urladdningseffektintervall på 0,46–1,19 kW, en specifik impuls på 1 100–1 600 s och en dragkraft på 30–70 mN.

Många små satelliter i SpaceX Starlink- klustret använder krypton-drivna Hall-thruster för positioneringshållning och deorbitering.

Tiangong rymdstation är utrustad med hall-effektpropellrar. Tianhe -kärnmodulen drivs av både kemiska thrusterar och fyra jontrustare , som används för att justera och underhålla stationens bana. Utvecklingen av Hall-effektpropellrarna anses vara ett känsligt ämne i Kina, där forskare "arbetar för att förbättra tekniken utan att locka uppmärksamhet". Hall-effektpropellrar skapas med bemannad uppdragssäkerhet i åtanke med ansträngningar för att förhindra erosion och skador orsakade av de accelererade jonpartiklarna. Ett magnetfält och specialdesignad keramisk skärm skapades för att stöta bort skadliga partiklar och upprätthålla thrusterernas integritet. Enligt den kinesiska vetenskapsakademin har jondrivningen som används på Tiangong brunnit kontinuerligt i 8 240 timmar utan ett fel, vilket indikerar deras lämplighet för den kinesiska rymdstationens angivna 15-åriga livslängd. Detta är världens första hallpropeller på ett uppdrag av människor.

Den Jet Propulsion Laboratory (JPL) beviljats exklusiv kommersiell licens till Apollo Fusion- leds av Mike Cassidy för sin Magnetiskt skärmad Miniature eller MaSMi Hall propeller teknik. I januari 2021 meddelade Apollo Fusion att de hade fått ett kontrakt med York Space Systems för en order på den senaste iterationen som heter "Apollo Constellation Engine".

En illustration av Gateway i omloppsbana runt månen. Gatewayens bana kommer att bibehållas med hallpropellrar.

NASA: s första hallpropellrar på ett människovärdeuppdrag kommer att vara en kombination av 6kW Hallpropellrar som tillhandahålls av Busek och NASA Advanced Electric Propulsion System (AEPS) Hall thrusters. De kommer att fungera som den primära framdrivning på Maxar 's Power and Propulsion Element (PPE) för Lunar Gateway enligt NASA: s Artemis program . Den höga specifika impulsen från Hall-thrusterar möjliggör effektiv banahöjning och stationskontroll för Lunar Gateways polära nära-rätlinjiga halobana .

Under utveckling

Den högsta effekt Hall-effektpropellern i utveckling är University of Michigans 100 kW X3 Nested Channel Hall Thruster. Thrusteren är cirka 80 cm i diameter och väger 230 kg och har visat en dragkraft på 5,4 N.

Andra högeffektspropellrar inkluderar NASA: s 40 kW Advanced Electric Propulsion System (AEPS), avsett att driva storskaliga vetenskapsuppdrag och godstransporter i rymden.

Languages

In other projects