Hall ohjauspotkuri , joskus kutsutaan Kiinteä Plasma Thruster (SPT) tai kiinteän plasma moottori , on eräänlainen plasman keulapotkurin (yleensä renkaan muotoinen), joka käyttää sähkökentän nopeuttaa ioneja . Sen sanotaan olevan Hall-ilmiö, koska se käyttää magneettikenttää vangitsemaan elektronit, joita käytetään kaasun ionisoimiseksi . Nämä ionit kiihtyvät ja tuottavat työntövoiman . Se kuuluu avaruusjärjestelmien sähköpotkurien luokkaan .
Tämän tyyppisissä ponneaineissa voidaan käyttää erilaisia kaasuja. Näistä ksenonia käytetään yleisimmin. Muita kaasuja ovat krypton , vismutti , argon , jodi , magnesium ja sinkki .
Nämä koneet pystyvät kiihdyttämään kaasun nopeudella 10 km / s ja 80 km / s . Useimmat mallit ovat mitoitettu välillä 15 ja 30 km / s , sillä OMINAISIMPULSSI 1000 8000 sekuntia ja 1500 3000 sekuntia. Työntövoima, joka voidaan valmistaa Hall ohjausrakettien vaihtelee riippuen sähköteho syötetään niitä, esimerkiksi teho 1,35 kilowattia (kW) 10 kW tuottaa nopeus on 10 km / s on 50 km / s , mikä vastaa voima 40-600 mikäwtons (mN). Jotkut suuritehoiset mallit tuottavat laboratoriossa yli 5,4 newtonin voiman. Lisäksi ksenonilla on osoitettu yli 100 kW : n tehon potkurit .
Ponneaineen ulostulossa havaittavien atomien virityksen seurauksena syntyvä väri riippuu käytetystä kaasusta. Joten esimerkiksi ksenonimalli tuottaa sinertävän värin.
Tällaisten moottoreiden sovellukset ovat pääasiassa kiertävien satelliittien suunnan ja sijainnin säätelyä sekä myös keskikokoisten avaruusrobottien ensisijaista moottoria.
RH Goddard ehdotti sähkökäyttöisen voiman käyttöä ensimmäisen kerran vuonna 1906 . Ensimmäinen tutkimus tehtiin vuonna 1960 , että Neuvostoliiton ja Yhdysvaltojen .
Tärkeimmistä saavutuksista ja optimointeja toiminnallisen laitteen tehtiin venäläisten tutkimusryhmien johti erityisesti Alexey I. Morozov vuonna 1970 , joka johti kaksi eri mallia:
SPT-mallin suunnitteli suurelta osin Morozov. Siitä lähtien Neuvostoliitto alkoi varustaa joitain satelliitteja heidän kanssaan , missä niitä käytettiin pääasiassa jälkimmäisten vakauttamiseksi pohjois-etelä- ja itä-länsi-suunnissa.
Ensimmäinen SPT järjestelmän toimia avaruudessa oli SPT-50 kyytiin Meteor satelliitin käynnistettiinjoulukuu 1971. Siitä hetkestä 1990-luvulle saakka 118 SPT-moottoria on suorittanut tehtävänsä ja noin viisikymmentä niistä on edelleen toiminnassa. Ensimmäisen sukupolven potkurit, SPT-50 ja SPT-60, tuottivat 20 ja 30 mN työntövoimaa. Vuonna 1972 otettiin käyttöön SPT-70 ja SPT-100, niiden työntövoima oli 40 ja 83 mN . Venäjän entisen Neuvostoliiton on kehittänyt TPS-140, TPS-160, TPS-200, T-160 ja HFA-35 (alemman teho, eli alle 500 W ).
Venäjän ja Neuvostoliiton TAL-tyyppiset potkurit sisälsivät D-38, D-55, D-80 ja D-100. Yli 200 näistä koneista on käynnistetty venäläisten / Neuvostoliiton satelliittien kanssa viimeisten 30 vuoden aikana . Kiertoradalla ei tapahtunut vikaa . Venäjän avaruusyksiköt käyttävät näitä laitteita edelleen ja ovat lentäneet myös eurooppalaisten ja amerikkalaisten koneiden kanssa.
Neuvostoliiton tuottamia ponneaineita käytettiin lännessä vuonna 1992, kun Jet Propulsion Laboratoryn , Glennin tutkimuskeskuksen ja ilmavoimien tutkimuslaboratorion sähkökäyttöisten asiantuntijoiden ryhmä , jota tukivat Ballistic Missile Defense Organization , vierailivat Venäjän laboratorioissa ja kokeellisesti arvioi SPT-100 ( halkaisijaltaan 100 mm: n potkuri ).
Koska niiden käyttöönotto länsimaissa 1990-luvulla, nämä reaktorit ovat tehty paljon tutkimusta julkiset laitokset, mutta myös yksityiset aloilla kuten Aerojet ja Busek (fi) ) Yhdysvalloissa ja Snecmalle vuonna Ranskassa. Ja in Italia . In Turkey , TUBITAK avaruusteknologialla tutkimuslaitos (en) on viime aikoina kehitetty prototyyppi thruster Hall.
Euroopan avaruusjärjestö käyttää jotakin näistä reaktoreista aikana Smart-1 kuun operaatio vuonna 2003.
Ensimmäinen ponneaine American Hall lentää Busek BHT-200: lla, joka on asennettu TACSAT-2 (sisään) -yksikköön . Ensimmäisenä todellisen operaation suoritti Aerojet BPT-4000, joka asennettiin pitkälle kehitetylle erittäin korkean taajuuden sotilas geostationaariselle satelliitille .elokuu 2010. 4,5 kW: lla BPT-4000 on tehokkain tämän tyyppinen vene, joka on lentänyt avaruudessa. Tällä reaktorilla on koneen vakauttamisen lisäksi kyky muuttaa ajoneuvon kiertorataa.
Ensimmäisen käynnistämisen jälkeen vuonna 1971 yli 240 näistä reaktoreista on lentänyt avaruuteen.
SPT on muodostettu kaksi sylinteriä on keraaminen sisäkkäin noin 10 cm ja halkaisija . Sisäisen sylinterin sisällä ja ulomman sylinterin ulkopuolella on käämiä . Niitä käytetään tuottamaan voimakas radiaalinen magneettikenttä potkurin poistumisalueelle. Sylinterin sisäisen tilan alaosassa on anodi, jossa on kaasun ruiskutusjärjestelmä. Ontto katodi sijaitsee ulkopuolella sylintereihin. Keskipiste muodostaa yhden sähkömagneetin napoista, jota ympäröi rengasmainen tila, sitten sähkömagneetin ulompi osa.
Hall-efektipotkurien toimintaperiaate on sähköstaattisen potentiaalin käyttö ionien kiihdyttämiseksi erittäin suuriin nopeuksiin. Näissä reaktoreissa houkuttelevat varaukset (negatiivisesti varatut) syötetään reaktorin ulkoaukossa olevasta elektroniplasmasta. Noin 100-300 gaussin (0,01-0,03 T ) säteittäistä magneettikenttää käytetään elektronien rajoittamiseen, jolloin säteittäisten magneettisten ja aksiaalisten sähkökenttien yhdistelmä johtaa elektronien liikkumiseen Hall-virran mukaan. , Jossa laitteen nimi tulee.
Anodin ja katodin väliin syötetään 150 - 800 voltin sähköpotentiaali . Sitten anodin läpi ruiskutetaan ponneainekaasua, kuten ksenonia, (yleensä 5 mg / s ), joka koostuu rei'itetystä verkosta, jota pidetään suurella jännitteellä ja joka toimii kaasunjakajana. Ksenoni valitaan yleensä, koska se edustaa hyvää kompromissia suuren atomimassan ja pienen ionisaatioenergian (~ 12 eV ) välillä. Kun ponneaine atomien kiertävät ponneainekammiossa, ne ionisoidaan vapaita elektroneja korkean energioiden (vaihteluväli 10 kohteeseen 40 eV tai 10% purkausenergia). Ionisoituna atomilla on +1 varaus , mutta noin 20%: lla on +2 varaus.
Sitten anodin ja katodin välinen sähkökenttä kiihdyttää ioneja. Esimerkiksi jännitteen 300 V , ionit saavuttaa jopa noin 15 km / s varten erityinen impulssi 1500 sekuntia. Poistuessaan potkurista ionit neutraloidaan katodilla, joka hylkää elektroneja yhtä suurina määrinä ja luo nollavarausplasman.
Säteittäinen magneettikenttä on erityisesti kalibroitu voimakkaasti taipuvien elektronien kohdalla, joiden massa on pieni, mutta ei raskaampia ioneja, joiden Larmorin säde on suurempi ja joita on siksi vaikeampaa taipua. Suurin osa elektronista pidetään kiertoradalla radiaalisen magneettikentän alueella, lähellä potkurin ulostulotasoa, Lorentzin voiman loukkuun :
missä q = -e, = nopeus (m / s), = magneettikenttä (T) ja = sähkökenttä (V / m)
Heidän liikeradat kiertyvät sitten säteittäisten kenttäviivojen ympärille. Lähestyessä kanavan reunaa magneettinen topologia on sellainen, että kenttäviivat kiristyvät ja kenttä muuttuu paikallisesti voimakkaammaksi. Tämä erityisyys antaa magneettisen peilivaikutuksen, joka lähettää elektronin takaisin kanavan keskelle (kohti anodia), missä sama "rebound" -ilmiö tapahtuu. Elektronit kulkevat sitten kahden sylinterin välillä.
Seinien välisen matkansa aikana elektronit törmäävät kaasun atomeihin. Toisaalta seinien aiheuttamat iskut johtavat erilaisiin ilmiöihin (elektronin energiasta riippuen), kuten sekundääriseen elektroniseen emissioon . Noin 20-30% purkausvirrasta käytetään elektronivirran muodostamiseen, mikä ei aiheuta ylijännitettä, mikä rajoittaa järjestelmän energiatehokkuutta . Loput 70-80% käytetään ionien työntöön. Johtuen elektronien sieppauksesta Hall-virrassa, ne pysyvät potkurikanavassa tietyn ajan, pidempään kuin ionit, ja tämä antaa heille mahdollisuuden ionisoida melkein kaikki ponneaineen atomit, yhteensä 90-99% massan hyötysuhde. Esimerkiksi ponneaine, jonka massahyötysuhde on 90%, yhdistettynä 70%: n energiatehokkuuteen muodostaa reaktorin, jonka kokonaishyötysuhde on 63% (90% × 70%). Uusimmilla kalusteilla saavutetaan jopa 75%: n hyötysuhde edistyneimmissä malleissa.
Verrattuna kemiallisella käyttövoimalla toimiviin raketteihin , työntövoima on hyvin pieni, luokkaa 83 mN laitteelle, joka toimii 300 V: lla ja teholla 1,5 kW. Vertailun vuoksi 20 sentin kaltaisen kolikon paino on noin 60 mN. Tämän tyyppinen reaktori toimii kuitenkin suurella spesifisellä impulssilla (> 1000 s ), tyypillisesti sähköpotkurille.
Hall- efektipotkurien etu portti-ionipotkuriin verrattuna on, että ionien kiihtyvyys tapahtuu lähes neutraalissa plasmassa, mikä estää elektronipilven muodostumisen, joka estäisi elektronivirran virtauksen., Mikä vähentää potkurin tehokkuutta. Tämä mahdollistaa pienikokoisemman rakenteen kuin verkon vastine. Toinen etu on, että nämä reaktorit voivat käyttää anodissa erityyppisiä ponneaineita, jopa happea, jos katodissa on helposti ionisoitavaa ainetta varausten tasaamiseksi reaktorin ulostulossa (5% ruiskutetusta määrästä).
Potkurin muodostavat kelat toimivat sellaisen säteittäisen magneettikentän muodostamiseksi, joka kasvaa vähitellen poispäin anodista, saavuttaakseen maksiminsä potkurin ulostulossa ja laskevan sitten ulkopuolelle. Lisäksi kelojen kokoonpanon mukaan potkurityyppien mukaan magneettikentällä on vaihteleva pitkittäiskomponentti, mutta ei aina nolla. Jälkimmäinen on edelleen paljon pienempi kuin säteittäinen komponentti. Tämä pitkäkenttä, jopa heikko, aiheuttaa magneettikentän viivojen muodonmuutoksen, erityisesti ulostulotason tasolla. Nämä muodonmuutokset johtavat eräänlaisen magneettisen linssin syntymiseen, joka saa aikaan ionisuihkun erilaistumisen . Tämä ilmiö heikentää potkurin yleistä suorituskykyä. Sillä on kaksi vaikutusta:
Hall työntövoimalaitteet on matala työntövoiman (muutama sata mN ). Niitä käytetään pääasiassa:
Geostationaarisen satelliitin kiertoradan korjaaminen vaatii nopeuseron, joka on 15 m / s vuodessa, kun taas potkurin elinkaaren aikana vaadittavien päätehtävien suuruusluokka , kun taas pohjois-etelä-ohjaus ja itä-länsi vaativat välillä 50 - 150 m / s vuodessa. Kiertoradan siirto vaatii yli 1500 m / s vuodessa.
SPT on mielenkiintoinen erityisesti tietoliikennesatelliiteille. Kemialliseen ponneaineeseen verrattuna se säästää noin 20% painosta 3500 kg: n satelliitilla ja sen elinikä on yli 7000 tuntia. Painon lasku on erittäin suuri etu, koska se lisää satelliitin hyötykuormaa ja mahdollistaa merkittävät säästöt. Lisäksi se on rakenteeltaan yksinkertaisempi ja tarjoaa paremman luotettavuuden kuin kemikaalikäyttöinen kilpailija, koska nämä ovat yksinkertaisia sähköpiirejä eikä monimutkaisempia suuritehoisia pumppuja ja moottoreita.
Järjestelmän aurinko työntövoimaa (in) satelliitti SMART-1 rakennuttama Euroopan avaruusjärjestön , käytetään ponneainetta Snecmalle PPS-1350 -G. Smart-1 oli teknologian esittelytehtävä, joka kierteli Kuua. Tämä PPS-1350-G: n käyttö alkoi28. syyskuuta 2003, oli ensimmäinen Hall-potkurin käyttö geostationaarisen kiertoradan ulkopuolella . Verrattuna kaupallisiin tarkoituksiin käytettyihin vastaaviin, Smart-1: n potkurilla oli kyky säätää voimaa, erityistä impulssia ja työntövoimaa.
Tämän potkurin johdannainen, PPS 1350-E, tuotti 50% korkeamman työntövoiman käytettäessä samoja mekaanisia rajapintoja.
Tämäntyyppisten potkurien suhteen on käynnissä useita tutkimuksia. Ranskassa niitä toteuttavat pääasiassa ONERA , CNRS , plasmofysiikan laboratorio ja CNES . Ne on suunnattu pääasiassa tekniikan optimointiin, erityisesti tehostamalla. Tällainen tutkimus on kautta ymmärrystä fyysisen sisäisen ( kuljetus ilmiö on hiukkasten , plasmafysiikasta ) kanssa numeerinen simulointi ja kokeilua laatikkoon tyhjä .
Vaikka rengaspotkurilla on tehokas tehojärjestelmä, ne tulevat tehottomiksi, kun ne pienennetään pieniksi. Osa ongelmasta on kapeaan kanavaan sovellettavan magneettikentän lisääntynyt voimakkuus, jotta laitteen suorituskyky pysyy vakiona. Ajatuksena oli pystyä tuottamaan Hall-efektireaktori, joka voisi toimia noin 100 W: n ja enintään 1 kW: n teholla pitäen samalla hyötysuhteen 45-55%.
Sieltä tuli lieriömäinen ponneaine, jolla on epätavanomaisen purkauskammion muodon ja sen tuottaman magneettikentän profiilin vuoksi kyky olla mukautuva pienessä mittakaavassa.