Silniki plazmowe stosowane w satelitach mogą być znacznie potężniejsze niż wcześniej sądzono

H9 MUSCLE Strumień plazmowy Halla świeci podczas testów z propelentem kryptonem. Źródło: Laboratorium Napędów Plazmadynamicznych i Elektrycznych

Uważa się, że pędniki Halla, wydajny napęd elektryczny szeroko stosowany na orbicie, muszą być duże, aby wytworzyć duży ciąg. Teraz nowe badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Michigan sugeruje, że mniejsze silniki Halla mogą generować znacznie większy ciąg, co czyni je potencjalnymi kandydatami do misji międzyplanetarnych.

„Ludzie wcześniej myśleli, że tylko pewna ilość prądu może być przepchnięta przez obszar ciągu, co z kolei bezpośrednio przekłada się na to, ile siły lub ciągu można wygenerować na jednostkę powierzchni” – powiedział profesor nadzwyczajny UM, Benjamin Jorns. inżynieria lotnicza który kierował przedstawionym nowym badaniem napędu Halla Forum naukowe AIAA w National Harbor w stanie Maryland.

Jego zespół rzucił wyzwanie temu ograniczeniu, uruchamiając 9-kilowatowy ster strumieniowy Halla do 45 kilowatów przy zachowaniu około 80% jego nominalnej wydajności. Zwiększyło to siłę generowaną na jednostkę powierzchni prawie 10-krotnie.

Czy nazwiemy to A ster strumieniowy plazmy lub napęd jonowy, napęd elektryczny to nasz najlepszy sposób na podróże międzyplanetarne, ale nauka stoi na rozdrożu. Podczas gdy pędniki Halla są dobrze sprawdzoną technologią, alternatywna koncepcja znana jako dynamiczne pędniki magneto-plazmowe obiecuje upakowanie znacznie większej mocy w mniejszych silnikach. Ale wciąż nie zostały udowodnione na wiele sposobów, w tym na całe życie.

Uważano, że kulturyści nie mogą konkurować ze względu na sposób, w jaki pracują. The paliwo rakietowezazwyczaj gaz szlachetny podobnie jak ksenon, porusza się przez cylindryczny kanał, w którym jest przyspieszany przez silne pole elektryczne. Tworzy ciąg do przodu podczas wychodzenia od tyłu. Ale zanim paliwo będzie mogło zostać przyspieszone, musi stracić trochę elektronów, aby nadać mu ładunek dodatni.






Elektrony przyspieszane przez a pole magnetyczne biegnie w kółko wokół tego kanału – który Jorns opisał jako „brzęczenie” – wybija elektrony z atomów paliwa i zamienia je w dodatnio naładowane jony. Jednak obliczenia wykazały, że gdyby ster strumieniowy Halla próbował wydobyć z silnika więcej paliwa, elektrony przelatujące przez pierścień zostałyby wyrzucone z formacji, niszcząc jej funkcję „buczenia”.

„To tak, jakby próbować odgryźć więcej, niż możesz przeżuć” – powiedział Jorns. „Piła łańcuchowa nie przetnie takiej ilości materiału”.

Poza tym silnik bardzo by się nagrzewał. Zespół Jornsa poddał te przekonania próbie.

„Nazwaliśmy nasz popychacz H9 MUSCLE, ponieważ zasadniczo wzięliśmy popychacz H9 i podkręciliśmy go do 11 – naprawdę do stu, jeśli idziemy według dokładnej skali” – powiedział. Leanne Su, doktorantka inżynierii kosmicznej, przedstawi wyniki badań.

Rozwiązali problem ciepła, schładzając go wodą, co pozwoliło im zobaczyć, jak dużym problemem byłaby awaria piły. Okazało się, że nie było z tym większych problemów. H9 MUSCLE, zasilany ksenonem (zwykłym paliwem), osiągał moc do 37,5 kilowata i miał ogólną sprawność około 49%, niewiele odchodzącą od sprawności 62% przy mocy projektowej 9 kilowatów.

Pracując z kryptonem, lżejszym gazem, osiągnęli maksymalną moc 45 kilowatów. Przy ogólnej sprawności na poziomie 51% osiągnęli maksymalny ciąg około 1,8 niutona, co odpowiada znacznie większemu sterowi strumieniowemu klasy X3 Hall o mocy 100 kilowatów.

Silniki plazmowe stosowane w satelitach mogą być znacznie potężniejsze

Doktorant Will Hurley opuszcza komorę, w której w laboratorium PEPL testowany jest nowy silnik plazmowy Halla. Źródło: Marcin Szczepański/Michigan Tech

„To trochę szalony wynik, ponieważ krypton zwykle działa znacznie gorzej niż ksenon w silnikach Halla. Jest to więc naprawdę fajny i interesujący krok naprzód, aby zobaczyć, że możemy faktycznie poprawić wydajność kryptonu w porównaniu z ksenonem poprzez zwiększenie ciągu. gęstość prądu— powiedział Su.

Zagnieżdżone pędniki Halla, takie jak X3, również częściowo opracowane przez UM, zostały zbadane pod kątem międzyplanetarnego transportu ładunków, ale są znacznie większe i cięższe, co utrudnia transport ludzi. Teraz zwykli popychacze Halla wracają na stół podróży zespołu.

Jorns mówi, że problem chłodzenia wymagałby rozwiązania godnego przestrzeni kosmicznej, gdyby silniki Halla działały z dużą mocą. Jest jednak optymistą, że poszczególne silniki odrzutowe mogą działać z mocą od 100 do 200 kilowatów, ułożone w układy, które zapewniają megawaty ciągu. Mogłoby to pozwolić misjom załogowym dotrzeć na Marsa nawet po drugiej stronie Słońca, pokonując 250 milionów mil.

Zespół ma nadzieję rozwiązać problem chłodzenia i wyzwania związane z rozwojem zarówno silników Halla, jak i silników dynamicznych magnetoplazmy na Ziemi, gdzie niewiele obiektów może testować silniki klasy misyjnej na Marsie. Ilość wyrzucanego paliwa popychacz przychodzi zbyt szybko, aby pompy próżniowe mogły utrzymać przestrzenne warunki w komorze testowej.

Więcej informacji:
Leanne L. Su i wsp., Działanie i wydajność magnetycznie ekranowanego silnika Halla przy bardzo wysokich gęstościach prądu, Forum AIAA SCITECH 2023 (2023). DOI: 10.2514/6.2023-0842

Cytat: Silniki plazmowe na satelitach mogą być znacznie potężniejsze niż wcześniej sądzono (2023, 24 stycznia), pobrane 25 stycznia 2023 z https://phys.org/news/2023-01-plasma-thrusters-satellites-powerful-previously . HTML

Ten dokument jest chroniony prawem autorskim. Z wyjątkiem uczciwego obrotu w celach prywatnych badań lub badań, żadna część nie może być powielana bez pisemnej zgody. Treść jest dostarczana wyłącznie w celach informacyjnych.

Leave a Comment