Hall drive
Um drive Hall ou drive de efeito Hall ( inglês Hall-Effect Thruster , Hall Thruster ) é um propulsor de íons no qual um campo magnético aumenta a eficiência, evitando que os elétrons atinjam o ânodo . Com este tipo de fonte de íons, altas eficiências de empuxo e uma longa vida útil são possíveis, mesmo com altas potências de até 100 kW. Para os propulsores usados anteriormente em espaçonaves , entretanto, apenas alguns 100 a 1000 W estavam disponíveis, resultando em forças de impulso de 10 a 100 mN .
Tal como acontece com outros propulsores de íons, o xenônio é normalmente usado como uma massa de suporte , os íons positivos dos quais são acelerados a velocidades entre 10 e 80 km / s por um campo elétrico .
história
A pesquisa e o desenvolvimento de drives iônicos remontam à década de 1960, especialmente nos EUA e na União Soviética. Enquanto os experimentos estavam sendo realizados com fontes de íons de grade nos EUA , a empresa FAKEL, sediada em Kaliningrado, levou o efeito Hall ao ponto em que estava pronto para voar. Desde o primeiro uso bem-sucedido em 1971 no satélite METEOR , mais de 50 satélites foram equipados com drives da FAKEL.
Durante a Guerra Fria, mas especialmente após a abertura da Cortina de Ferro , a tecnologia de acionamento Hall foi exportada para o mundo ocidental e desenvolvimentos na França ( SNECMA ), Itália ( Sitael , anteriormente Alta) e nos EUA ( Busek , Aerojet , JPL , NASA e os Laboratórios de Pesquisa da Força Aérea dos EUA ) tornaram-se parte para aplicativos de voo e marketing comercial. Com o SMART-1 , o primeiro PPS 1350 European Hall drive foi usado com sucesso para uma missão de vôo em 2003 . O primeiro voo de teste de um drive American Hall (Busek) ocorreu em 2006, a primeira aplicação de voo americano com esse drive (Aerojet) em 2010. Nos países de língua alemã, a pesquisa sobre drives Hall foi realizada no DLR Stuttgart, no Anos 1960 e 1970, mas atualmente não há atividades de pesquisa e desenvolvimento conhecidas.
Também no Leste Asiático, especialmente no Japão, os drives Hall foram pesquisados e desenvolvidos desde os anos 1980. Em 2012, a China testou um drive no satélite de tecnologia Shijian 9A , e a Coreia do Sul seguiu em 2013 com um test drive no STSAT 3 e DubaiSat 2 .
A NASA financiou o desenvolvimento de propulsores de efeito Hall de alto desempenho na Aerojet Rocketdyne 2016-2019 com 67 milhões de dólares americanos.
Layout e função
No início, diferentes grupos de pesquisa experimentaram projetos semelhantes, para os quais foram estabelecidos nomes diferentes:
- Dirija com amplo canal de aceleração: engl. Propulsor de plasma estacionário (SPT), russo стационарный плазменный двигатель (СПД). Os nomes alternativos são French Propulsion Plasmique Stationaire (PPS) ou inglês. Tipo de camada magnética (unidade de camada magnética alemã )
- Conduza com canal de aceleração estreito: engl. Propulsor com camada anódica (TAL), russo двигатель с анодным слоем (ДАС)
Ambos os tipos têm em comum uma lacuna anular aberta de um lado, que no TAL forma um ânodo oco totalmente metálico. No SPT, o ânodo é limitado à base do canal, enquanto as paredes laterais são de cerâmica, e. B. a partir de nitreto de boro . A escolha do material é decisiva para a vida útil do motor. O gás que serve como massa de suporte é medido no fundo do canal. O canal é circundado concentricamente por um sistema de ímã, que geralmente é formado por bobinas, mas ímãs permanentes também são usados ocasionalmente. O campo magnético penetra no canal aproximadamente na direção radial.
Elétrons são emitidos por um cátodo conectado externamente . Devido à carga espacial, eles seguem amplamente o feixe de íons e o neutralizam. Uma parte menor é atraída em direção ao ânodo pela tensão de aceleração. O campo magnético os direciona em órbitas circulares na frente e no canal, em que a velocidade orbital dos elétrons é ajustada de modo que as forças eletrostática e de Lorentz se compensem (como no efeito Hall , daí o nome do motor) . O campo elétrico existe entre o ânodo e a carga espacial dos elétrons circulantes. Por ionização de impacto, elétrons e íons livres adicionais. Após uma curta queda na direção do ânodo, os elétrons secundários têm uma velocidade de órbita circular e as perdas de energia dos elétrons impactantes também são compensadas por um desvio na direção do ânodo. O fato de a corrente de deriva ser relativamente baixa é importante para a eficiência energética do motor. A corrente de anel muito mais alta é importante para a ionização mais completa possível da massa de suporte, porque ao operar no vácuo, a densidade do gás é muito baixa para que alguns íons sejam capazes de transportar o gás neutro por meio de colisões.
O campo elétrico acelera os íons axialmente para fora da lacuna. Devido à sua massa milhares de vezes maior, sua velocidade é muito mais lenta que a dos elétrons, de modo que dificilmente afetam o campo magnético. No entanto, a velocidade de saída de 10 a 80 km / s é muito maior do que com os motores químicos convencionais.
Muitos anos de otimização resultaram em modelos de vôo com eficiências de empuxo de mais de 50%, razão pela qual o uso desses motores é tão atraente. Níveis de eficiência de até 75% já foram alcançados em modelos experimentais.
literatura
- Dan M. Goebel et al.: Fundamentos de propulsão elétrica - propulsores de íons e Hall. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .
Links da web
- Richard R. Hofer: Desenvolvimento e Caracterização de Propulsores Hall de Xenon de Impulso Específico de Alta Eficiência NASA / CR-2004-213099 (9,1 MB).
- ESA: Íons conduzem SMART-1 à lua
- Informações da Alta SpA (Itália) sobre HT-100 Hall Drive (inglês)
- Propulsores de plasma e propulsores químicos. In: Snecma SA (França). Arquivado do original em 16 de novembro de 2008 ; acessado em 19 de janeiro de 2018 (inglês, para a unidade PPS-1350 Hall).
- Informações da ESA sobre Hall Drive (inglês)
Evidência individual
- ^ A NASA trabalha para melhorar a propulsão elétrica solar para a exploração do espaço profundo. NASA, 19 de abril de 2016, acessado em 27 de abril de 2016 .