Hall drive

Seleção de corredores russos
Unidade American Hall em operação (Xenon)

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)
Seção transversal através de uma unidade SPT Hall

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

Evidência individual

  1. ^ 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 .