Чтобы продлить срок службы двигателей Холла, группа исследователей из Французского национального центра научных исследований экспериментально оптимизировала работу нового прототипа двигателя без стенок, разработанного год назад той же командой. По словам исследователей, предварительные результаты работы были удовлетворительными и открыли путь к разработке высокоэффективного безостенного подруливающего устройства Холла, подходящего для длительных миссий в дальний космос. Исследователи представляют свою работу в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing.
Двигатели Холла — это электрические ракетные двигатели, использующие сверхвысокоскоростной (порядка 45 000 миль в час) поток плазмы, толкающий космический корабль вперед. Принцип их действия основан на создании квазинейтрального плазменного разряда низкого давления в конфигурации скрещенных магнитного и электрического полей. Пропеллент, обычно ксенон, ионизируется электронами, захваченными магнитным полем.В традиционной конфигурации холловского двигателя малой тяги намагниченный разряд ограничен кольцевой диэлектрической полостью с анодом на одном конце, куда вводится газ, и внешним катодом, вводящим электроны.
Ионизация порохового газа происходит внутри полости, при этом ионы ускоряются электрическим полем, которое распространяется от внутренней части к внешней части полости.«Главный недостаток двигателей Холла состоит в том, что материалы стенки канала разряда в значительной степени определяют характеристики разряда и, следовательно, уровень производительности и время работы», — сказал Жюльен Водолон, главный исследователь в группе электрических двигателей под руководством профессора Стефана Мазуффра. Лаборатория ICARE-CNRS, Франция.Водолон объяснил, что материалы стенок играют роль в свойствах плазмы в основном за счет вторичной электронной эмиссии, явления, когда ионы высокой энергии ударяются о поверхность стенки канала и вызывают эмиссию вторичных электронов.
Кроме того, эрозия стенок разрядной полости из-за бомбардировки ионами высокой энергии сокращает срок службы двигателя.«Таким образом, эффективный подход к предотвращению взаимодействия между плазмой и стенкой канала разряда состоит в том, чтобы переместить области ионизации и ускорения за пределы полости, что является нетрадиционной конструкцией, названной безстенным холловским двигателем», — сказал Водолон.В прошлом году команда разработала небольшой прототип подруливающего устройства без стенок, основанный на классическом подруливающем устройстве Холла.
Сначала исследователи просто переместили анод в плоскость отвода канала. Однако этот первый безостенный двигатель малой тяги оказался устройством с низкими характеристиками, поскольку силовые линии магнитного поля перпендикулярны оси двигателя малой тяги, которые пересекают анод, расположенный в плоскости выхода канала.
«Магнитные поля используются для улавливания горячих электронов, инжектированных с внешнего катода, и предотвращения их попадания на анод», — сказал Водолон. «В основном электрон движется вдоль силовой линии магнитного поля. Если силовые линии магнитного поля пересекают анод, большая часть горячих электронов будет собираться на аноде и не будет участвовать в ионизации атомов ксенона, что приведет к сильному разряду. ток, низкая степень ионизации и, как следствие, низкий уровень производительности ».
Чтобы оптимизировать прототип без стенок и заставить магнитные линии избегать поверхности анода, команда повернула магнитный барьер на 90 градусов, чтобы он вводил силовые линии магнитного поля параллельно осевому направлению. Анод по-прежнему находился в плоскости выхода канала, но его форма искривлялась, чтобы избежать взаимодействия с силовыми линиями магнитного поля.Основываясь на PPS-Flex, подруливающем устройстве класса 1,5 киловатт, разработанном группой GREM3 в лаборатории LAPLACE, Франция и способном изменять топологию магнитного поля в широком диапазоне конфигураций, команда проверила свои стратегии оптимизации, изменив несколько частей и параметров. подруливающего устройства.
Измерение некоторых рабочих параметров, таких как уровень тяги, эффективность анода и свойства ионов в дальней зоне, показало удовлетворительный уровень производительности. Однако, по словам Водолона, для эффективной работы двигателя на большой мощности все еще необходима некоторая дальнейшая оптимизация.«Бездонный двигатель позволяет ученым наблюдать области плазмы, ранее скрытые за стенками канала. Теперь область плазмы можно наблюдать и диагностировать с помощью зондов и / или лазерных диагностических инструментов», — сказал Водолон.
Он также указал, что доступ к ключевым областям плазмы способствует тщательному исследованию нестабильности плазмы и мелкомасштабной турбулентности для лучшего понимания физики разряда и аномального переноса электронов.«Несмотря на десятилетия исследований, физика двигателей Холла все еще далека от понимания, и методы определения характеристик устройства по-прежнему основаны на испытаниях и испытаниях, что приводит к дорогостоящим усилиям», — сказал Водолон. «Основная трудность в разработке прогнозного моделирования заключается в моделировании взаимодействия между плазмой и стеной.
Безстеночная конструкция могла бы стать эффективным решением, потенциально сделав будущее прогнозное моделирование возможным и надежным».После уроков, извлеченных из тестирования версии PPS-Flex, следующим шагом команды будет разработка специального подруливающего устройства Холла без стенок и полное использование возможностей, предлагаемых безстенной архитектурой.