Плазмените двигатели, използвани в спътниците, може да бъдат много по-мощни, отколкото досега

Смяташе се, че двигателите на Хол - ефективен вид електрически двигател, широко използван в орбита - трябва да са големи, за да произвеждат голяма тяга. Сега ново проучване на Мичиганския университет показва, че по-малките двигатели на Хол могат да генерират много по-голяма тяга - което може да ги направи кандидати за междупланетни мисии.

"Досега хората смятаха, че може да се пропусне само определено количество ток през площта на двигателя, което от своя страна се отразява пряко на това каква сила или тяга може да се генерира на единица площ", обяснява Бенджамин Джорнс (Benjamin Jorns), доцент по аерокосмическо инженерство в Университета на Масачузетс, ръководител на новото изследване на двигателя на Хол, представено на форума AIAA SciTech в National Harbor, Мериленд.

Екипът му оспорва това ограничение, като пуска 9-киловатов двигател на Хол до 45 киловата, поддържайки около 80 % от номиналната му ефективност. Това е увеличение на тягата, генерирана на единица площ, почти 10 пъти.

Независимо дали го наричаме плазмен двигател или йонен двигател, електрическият двигател е най-добрият вариант за междупланетно пътуване, но науката е на кръстопът. Докато двигателите на Хол са добре доказана технология, алтернативната концепция, наречена магнитоплазмодинамичен двигател, обещава да събере много повече мощност в по-малки двигатели. Въпреки това те все още не са доказани в много отношения, включително по отношение на продължителността на експлоатация.

Смяташе се, че двигателите на Хол не могат да се конкурират поради начина им на работа. Горивото, обикновено благороден газ като ксенон, се движи по цилиндричен канал, където се ускорява от мощно електрическо поле. Той генерира тяга в посока напред, докато се движи в посока назад. Но преди горивото да бъде ускорено, то трябва да загуби известно количество електрони, за да придобие положителен заряд.

Електроните, ускорени от магнитно поле, за да се движат в кръг около този канал, описан от Джорнс като "циркулярен трион", избиват електрони от атомите на горивото и ги превръщат в положително заредени йони. Изчисленията обаче показват, че ако двигателят на Хол се опита да вкара повече гориво в двигателя, електроните, които се движат в пръстена, ще бъдат изхвърлени от формацията, което ще разруши функцията "циркулярен трион".

"Това е все едно да се опитваш да отхапеш повече, отколкото можеш да сдъвчеш", коментира Джорнс. "Циркулярният трион не може да си пробие път през толкова много материал."

Освен това двигателят силно ще се нагорещи. Екипът на Джорнс проверява тези предположения.

"Нарекохме нашия двигател H9 MUSCLE, защото по същество взехме двигател H9 и направихме от него мускулест автомобил*, като го увеличихме до "11" - в действителност до сто, ако следваме точното мащабиране", разказва Лиан Су (Leanne Su), докторант по аерокосмическо инженерство, която ще представя изследването.

^{*Под мускулест автомобил (Muscle car) се разбира която и да е кола от група произведени в Америка 60-те и 70-те години на миналия век със спортни купета с 2 врати с мощни двигатели.}

Изследователите решават проблема с прегряването, охлаждайки го с вода, което им позволява да видят колко голям проблем ще бъде повредата на "циркулярния трион". Оказало се, че проблемът не е голям. Работейки с ксенон, конвенционално гориво, H9 MUSCLE работи с мощност до 37,5 киловата, с обща ефективност от около 49 %, което не е далеч от ефективността от 62 % при проектната мощност от 9 киловата.

Работейки с криптон, по-лек газ, те увеличават мощността до 45 киловата. При общ КПД от 51 % те достигат максимална тяга от около 1,8 нютона, което съответства на много по-големия 100-киловатов двигател на Хол X3.

"Това е направо побъркващ резултат, тъй като обикновено криптонът се представя много по-зле от ксенона в двигателите на Хол. Така че е много хубаво и интересно да се види, че всъщност можем да подобрим производителността на криптона в сравнение с ксенона, увеличавайки плътността на тока на двигателя", заявява Су.

_{Докторантът Уил Хърли излиза от камерата, в която се тества новият плазмен двигател на Хол в лабораторията PEPL. Кредит: Marcin Szczepanski/Michigan Engineering}

Вложените двигатели на Хол като X3 (с множество концентрични изпускателни канали за увеличаване на плътността на тягата) са били проучвани за междупланетен транспорт на товари, но те са много по-големи и по-тежки, което затруднява транспортирането на хора. Сега обикновените двигатели на Хол отново са на дневен ред за пътувания с екипаж.

Джорнс заявява, че проблемът с охлаждането трябва да бъде решен по подходящ за космоса начин, ако двигателите на Хол трябва да работят с такива високи мощности. Въпреки това е оптимист, че отделни двигатели могат да работят с мощност 100-200 киловата, подредени в масиви, които осигуряват тяга от един мегават. Това би позволило на мисиите с екипаж да достигнат до Марс дори от далечната страна на Слънцето, изминавайки разстояние от 400 милиона километра.

Екипът се надява да продължи да се занимава с проблема с охлаждането, както и с предизвикателствата при разработването на двигатели на Хол и магнитоплазмодинамични двигатели на Земята, където малко съоръжения могат да тестват двигатели на ниво марсианска мисия. Количеството гориво, което се изхвърля от двигателите, се отделя твърде бързо, за да могат вакуумните помпи да поддържат условията в тестовата камера като космически.

Справка: Leanne L. Su et al, Operation and Performance of a Magnetically Shielded Hall Thruster at Ultrahigh Current Densities, AIAA SCITECH 2023 Forum (2023). DOI: 10.2514/6.2023-0842

Източник: Plasma thrusters used on satellites could be much more powerful than previously believed
Kate McAlpine, University of Michigan