В космических аппаратах двигатель Холла (HET) — это тип ионного двигателя , в котором топливо ускоряется электрическим полем . Двигатели Холла (основанные на открытии Эдвина Холла ) иногда называют двигателями Холла или двигателями Холла с током . Двигатели Холла используют магнитное поле для ограничения осевого движения электронов, а затем используют их для ионизации топлива, эффективного ускорения ионов для создания тяги и нейтрализации ионов в шлейфе. Двигатель Холла классифицируется как технология космического движения с умеренным удельным импульсом (1600 с) и извлекает выгоду из значительных теоретических и экспериментальных исследований с 1960-х годов. [1]
Двигатели Холла работают на различных видах топлива, наиболее распространенными из которых являются ксенон и криптон . Другие интересующие нас виды топлива включают аргон , висмут , йод , магний , цинк и адамантан .
Двигатели Холла способны разгонять свой выхлоп до скоростей от 10 до 80 км/с (удельный импульс 1000–8000 с), при этом большинство моделей работают в диапазоне от 15 до 30 км/с. Создаваемая тяга зависит от уровня мощности. Устройства, работающие при 1,35 кВт, производят около 83 мН тяги. Высокомощные модели продемонстрировали до 5,4 Н в лабораторных условиях. [2] Уровни мощности до 100 кВт были продемонстрированы для ксеноновых двигателей Холла.
По состоянию на 2009 год [обновлять]двигатели Холла имели входную мощность от 1,35 до 10 киловатт и скорость истечения от 10 до 50 километров в секунду, тягу от 40 до 600 миллиньютонов и эффективность в диапазоне 45–60 процентов. [3] Применение двигателей Холла включает управление ориентацией и положением орбитальных спутников и использование в качестве основного двигателя для роботизированных космических аппаратов среднего размера. [3]
Двигатели Холла изучались независимо в Соединенных Штатах и Советском Союзе . Впервые они были публично описаны в США в начале 1960-х годов. [4] [5] [6] Однако двигатель Холла был впервые разработан в качестве эффективного движителя в Советском Союзе. В США ученые сосредоточились на разработке сетчатых ионных двигателей .
В Советском Союзе были разработаны два типа двигателей Холла:
Проектирование СПТ в значительной степени было работой А. И. Морозова. [7] [8] Первый СПТ, работавший в космосе, СПТ-50 на борту советского космического корабля «Метеор» , был запущен в декабре 1971 года. Они в основном использовались для стабилизации спутников в направлениях север-юг и восток-запад. С тех пор и до конца 1990-х годов 118 двигателей СПТ завершили свою миссию, а около 50 продолжали работать. Тяга двигателей СПТ первого поколения, СПТ-50 и СПТ-60, составляла 20 и 30 мН соответственно. В 1982 году были представлены СПТ-70 и СПТ-100 , их тяга составляла 40 и 83 мН соответственно. В постсоветской России были внедрены мощные (несколько киловатт ) СПТ-140 , СПТ-160, СПТ-200, Т-160 и маломощные (менее 500 Вт) СПТ-35. [9]
Советские и российские двигатели типа ТАЛ включают Д-38, Д-55, Д-80 и Д-100. [9]
Более 200 двигателей Холла были запущены на советских/российских спутниках с 1980-х годов. Никаких отказов на орбите не произошло. [ необходима цитата ]
Двигатели советского производства были представлены на Западе в 1992 году после того, как группа специалистов по электродвижению из Лаборатории реактивного движения НАСА , Исследовательского центра Гленна и Исследовательской лаборатории ВВС при поддержке Организации по противоракетной обороне посетила российские лаборатории и экспериментально оценила SPT-100 (т. е. двигатель SPT диаметром 100 мм). Двигатели Холла продолжают использоваться на российских космических аппаратах и также летали на европейских и американских космических аппаратах. Space Systems/Loral , американский производитель коммерческих спутников, теперь запускает Fakel SPT-100 на своих космических аппаратах связи на ГСО.
С начала 1990-х годов двигатели Холла стали предметом большого количества исследовательских работ в Соединенных Штатах, Индии, Франции, Италии, Японии и России (с множеством более мелких работ, разбросанных по разным странам по всему миру). Исследования двигателей Холла в США проводятся в нескольких государственных лабораториях, университетах и частных компаниях. К государственным и финансируемым государством центрам относятся Лаборатория реактивного движения NASA, Исследовательский центр имени Гленна NASA , Исследовательская лаборатория ВВС (авиабаза Эдвардс, Калифорния) и Аэрокосмическая корпорация . К университетам относятся Технологический институт ВВС США , [10] Мичиганский университет , Стэнфордский университет , Массачусетский технологический институт , Принстонский университет , Мичиганский технологический университет и Технологический институт Джорджии . Значительный объем разработок ведется в промышленности, например, IHI Corporation в Японии, Aerojet и Busek в США, SNECMA во Франции, LAJP в Украине, SITAEL в Италии и Satrec Initiative в Южной Корее.
Впервые двигатели Холла на лунной орбите были использованы в ходе лунной миссии SMART-1 Европейского космического агентства (ЕКА) в 2003 году.
Двигатели Холла были впервые продемонстрированы на западном спутнике на космическом корабле Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL) STEX , который управлял российским D-55. Первым американским двигателем Холла, побывавшим в космосе, был Busek BHT-200 на демонстрационном космическом корабле TacSat-2 . Первым полетом американского двигателя Холла в оперативной миссии был Aerojet BPT-4000, запущенный в августе 2010 года на военном спутнике связи Advanced Extremely High Frequency GEO. При мощности 4,5 кВт BPT-4000 также является самым мощным двигателем Холла, когда-либо летавшим в космосе. Помимо обычных задач по поддержанию орбиты, BPT-4000 также обеспечивает возможность подъема орбиты космического корабля. X-37B использовался в качестве испытательного стенда для двигателя Холла для серии спутников AEHF. [11] Несколько стран по всему миру продолжают прилагать усилия по квалификации технологии двигателей Холла для коммерческого использования. Группировка SpaceX Starlink , крупнейшая спутниковая группировка в мире, использует двигатели Холла. Первоначально Starlink использовал газ криптон, но со спутниками V2 был заменен на аргон из-за его более низкой цены и широкой доступности. [12]
Первым применением двигателей Холла за пределами сферы влияния Земли стал космический аппарат «Психея» , запущенный в 2023 году к поясу астероидов для исследования 16 Психеи . [13]
Исследования в Индии проводятся как государственными, так и частными научно-исследовательскими институтами и компаниями.
В 2010 году ISRO использовала ионные двигатели Холла в GSAT-4, установленном на GSLV Mk2 D3. Он имел четыре двигателя с ксеноновым двигателем для удержания станции в направлении Север-Юг. Два из них были российскими, а два других — индийскими. Индийские двигатели были рассчитаны на 13 мН. Однако GSLV D3 не вышел на орбиту.
В 2013 году ISRO профинансировала разработку другого класса электрических двигателей под названием Magnetoplasmadynamic Electric Propulsion Thruster. В рамках проекта впоследствии был разработан прототип демонстратора технологий Magneto Plasma Dynamic Thruster (MPD), использующий аргоновое топливо с удельным импульсом 2500 с при тяге 25 мН.
В следующем 2014 году ISRO занималась разработкой двигателей SPT 75 мН и 250 мН для использования в будущих спутниках связи высокой мощности. Двигатели 75 мН были использованы для спутника связи GSAT-9. [14]
К 2021 году разработка двигателя 300 мН была завершена. Наряду с этим велись работы над плазменным двигателем мощностью 10 кВт, работающим на ВЧ-излучении, и маломощным электрическим двигателем на основе Криптона. [15]
С приходом частных фирм в космическую сферу Bellatrix Aerospace стала первой коммерческой фирмой, выпустившей коммерческие двигатели на эффекте Холла. Текущая модель двигателя использует ксенон в качестве топлива. Испытания проводились в исследовательской лаборатории космических аппаратов в Индийском научном институте в Бангалоре . Технология безнагревательного катода является ключевым новшеством, которое отличает их от конкурентов за счет увеличения срока службы и избыточности системы. Этот стартап в области космических технологий ранее разработал первый в мире коммерческий микроволновый плазменный двигатель, который использовал воду в качестве топлива, мгновенно нагревая ее плазмой, индуцированной микроволнами, и на который компания получила заказ от ISRO. [ 16] Серия ARKA HET была запущена в рамках миссии PSLV-C55 . Она была успешно испытана на POEM-2 . [17]
Основной принцип работы двигателя Холла заключается в том, что он использует электростатический потенциал для ускорения ионов до высоких скоростей. В двигателе Холла притягивающий отрицательный заряд обеспечивается электронной плазмой на открытом конце двигателя вместо сетки. Радиальное магнитное поле около 100–300 Гс (10–30 мТл ) используется для удержания электронов, где комбинация радиального магнитного поля и аксиального электрического поля заставляет электроны дрейфовать по азимуту, таким образом образуя ток Холла, от которого устройство и получило свое название.
Схема двигателя Холла показана на соседнем изображении. Между анодом и катодом подается электрический потенциал от 150 до 800 вольт .
Центральный шип образует один полюс электромагнита и окружен кольцевым пространством, вокруг которого расположен другой полюс электромагнита, между которыми находится радиальное магнитное поле.
Пропеллент, такой как ксеноновый газ, подается через анод, в котором имеется множество небольших отверстий, которые действуют как газораспределитель. По мере того, как нейтральные атомы ксенона диффундируют в канал двигателя, они ионизируются за счет столкновений с циркулирующими высокоэнергетическими электронами (обычно 10–40 эВ или около 10% от напряжения разряда). Большинство атомов ксенона ионизированы до чистого заряда +1, но заметная часть (около 20%) имеет чистый заряд +2.
Затем ионы ксенона ускоряются электрическим полем между анодом и катодом. При напряжении разряда 300 В ионы достигают скорости около 15 км/с (9,3 миль/с) для удельного импульса 1500 с (15 кН·с/кг). Однако при выходе ионы тянут за собой равное количество электронов, создавая плазменный шлейф без чистого заряда.
Радиальное магнитное поле спроектировано так, чтобы быть достаточно сильным, чтобы существенно отклонять электроны с малой массой, но не ионы с большой массой, которые имеют гораздо больший гирорадиус и практически не задерживаются. Таким образом, большинство электронов застревают на орбите в области высокого радиального магнитного поля вблизи выходной плоскости двигателя, запертые в E × B (осевое электрическое поле и радиальное магнитное поле). Это орбитальное вращение электронов представляет собой циркулирующий ток Холла , и именно от этого двигатель Холла получил свое название. Столкновения с другими частицами и стенками, а также плазменные нестабильности позволяют некоторым электронам освободиться от магнитного поля, и они дрейфуют к аноду.
Около 20–30% тока разряда — это электронный ток, который не создает тяги, тем самым ограничивая энергетическую эффективность двигателя; остальные 70–80% тока находятся в ионах. Поскольку большинство электронов захвачено током Холла, они имеют длительное время пребывания внутри двигателя и способны ионизировать почти все ксеноновое топливо, обеспечивая массовое использование 90–99%. Таким образом, эффективность массового использования двигателя составляет около 90%, в то время как эффективность тока разряда составляет около 70%, что дает комбинированную эффективность двигателя около 63% (= 90% × 70%). Современные двигатели Холла достигли эффективности до 75% благодаря передовым конструкциям.
По сравнению с химическими ракетами тяга очень мала, порядка 83 мН для типичного двигателя, работающего при 300 В и 1,5 кВт. Для сравнения, вес монеты, например, четвертак США или 20-центовая евромонета, составляет приблизительно 60 мН. Как и во всех формах движения космических аппаратов с электрическим приводом , тяга ограничена доступной мощностью, эффективностью и удельным импульсом .
Однако двигатели Холла работают с высокими удельными импульсами , типичными для электротяги. Одним из особых преимуществ двигателей Холла по сравнению с сетчатым ионным двигателем является то, что генерация и ускорение ионов происходит в квазинейтральной плазме, поэтому нет ограничения на плотность тяги, вызванного насыщенным током Чайлда-Ленгмюра (пространственным зарядом) . Это позволяет использовать гораздо меньшие двигатели по сравнению с сетчатыми ионными двигателями.
Еще одним преимуществом является то, что эти двигатели могут использовать более широкий спектр топлива, подаваемого на анод, даже кислород, хотя на катоде необходимо что-то легко ионизируемое. [18]
Ксенон был типичным выбором топлива для многих электрических двигательных систем, включая двигатели Холла. [19] Ксеноновое топливо используется из-за его высокого атомного веса и низкого потенциала ионизации . Ксенон относительно легко хранить, и как газ при рабочих температурах космического корабля его не нужно испарять перед использованием, в отличие от металлических топлив, таких как висмут. Высокий атомный вес ксенона означает, что отношение энергии, затрачиваемой на ионизацию, к единице массы низкое, что приводит к более эффективному двигателю. [20]
Криптон — еще один выбор топлива для двигателей Холла. Ксенон имеет потенциал ионизации 12,1298 эВ, в то время как криптон имеет потенциал ионизации 13,996 эВ. [21] Это означает, что двигатели, использующие криптон, должны расходовать немного больше энергии на моль для ионизации, что снижает эффективность. Кроме того, криптон является более легким ионом, поэтому единица массы на энергию ионизации еще больше уменьшается по сравнению с ксеноном. Однако ксенон может быть более чем в десять раз дороже криптона за килограмм , что делает криптон более экономичным выбором для создания спутниковых созвездий , таких как Starlink V1 компании SpaceX , чьи оригинальные двигатели Холла работали на криптоне. [19] [22]
SpaceX разработала новый двигатель, который использовал аргон в качестве топлива для своего Starlink V2 mini. Новый двигатель имел в 2,4 раза большую тягу и в 1,5 раза больший удельный импульс, чем предыдущий двигатель SpaceX, который использовал криптон. [ 12] Аргон примерно в 100 раз дешевле криптона и в 1000 раз дешевле ксенона. [23]
Помимо упомянутых выше советских типов СПТ и ТАЛ, существуют:
Хотя обычные (кольцевые) двигатели Холла эффективны в режиме мощности киловатт , они становятся неэффективными при масштабировании до малых размеров. Это связано с трудностями, связанными с поддержанием постоянных параметров масштабирования производительности при уменьшении размера канала и увеличении напряженности приложенного магнитного поля . Это привело к созданию цилиндрического двигателя Холла. Цилиндрический двигатель Холла может быть легче масштабирован до меньших размеров из-за его нетрадиционной геометрии разрядной камеры и связанного с ним профиля магнитного поля . [25] [26] [27] Цилиндрический двигатель Холла легче поддается миниатюризации и работе на малой мощности, чем обычный (кольцевой) двигатель Холла. Основная причина цилиндрических двигателей Холла заключается в том, что трудно добиться обычного двигателя Холла, который работает в широком диапазоне от примерно 1 кВт до примерно 100 Вт, сохраняя при этом эффективность 45–55%. [28]
Эрозия распылением стенок разрядного канала и полюсных наконечников, которые защищают магнитную цепь, приводит к отказу работы двигателя. Поэтому кольцевые и цилиндрические двигатели Холла имеют ограниченный срок службы. Хотя было показано, что магнитное экранирование значительно снижает эрозию стенок разрядного канала, эрозия полюсных наконечников по-прежнему вызывает беспокойство. [29] В качестве альтернативы была представлена нетрадиционная конструкция двигателя Холла, называемая двигателем Холла с внешним разрядом или плазменным двигателем с внешним разрядом (XPT). [30] [31] [32] Двигатель Холла с внешним разрядом не имеет стенок разрядного канала или полюсных наконечников. Плазменный разряд создается и поддерживается полностью в открытом пространстве за пределами конструкции двигателя, и, таким образом, достигается работа без эрозии.
Двигатели Холла летают в космосе с декабря 1971 года, когда Советский Союз запустил СПТ-50 на спутнике «Метеор». [33] С тех пор в космосе побывало более 240 двигателей, причем показатель успешности составил 100%. [34] Двигатели Холла в настоящее время регулярно используются на коммерческих спутниках связи на низкой и геостационарной околоземной орбите, где они используются для вывода на орбиту и поддержания ее на месте .
Первым [ неудачно проверенным ] двигателем Холла, запущенным на западном спутнике, был российский Д-55, построенный ЦНИИМАШ, на космическом аппарате STEX Национального исследовательского исследовательского центра , запущенном 3 октября 1998 года. [35]
Солнечная электрическая двигательная установка космического корабля Европейского космического агентства SMART -1 использовала двигатель Холла Snecma PPS-1350 -G. [36] SMART-1 была демонстрационной миссией по облёту Луны . Это использование PPS-1350-G, начавшееся 28 сентября 2003 года, было первым использованием двигателя Холла за пределами геостационарной околоземной орбиты (GEO). Как и большинство двигательных установок с двигателем Холла, используемых в коммерческих приложениях, двигатель Холла на SMART-1 мог дросселироваться в диапазоне мощности, удельного импульса и тяги. [37] Он имеет диапазон мощности разряда 0,46–1,19 кВт, удельный импульс 1100–1600 с и тягу 30–70 мН.
Ранние малые спутники созвездия SpaceX Starlink использовали двигатели Холла, работающие на криптоне, для удержания положения и схода с орбиты [22] , тогда как более поздние спутники Starlink использовали двигатели Холла, работающие на аргоне. [12]
Космическая станция Tiangong оснащена двигателями Холла. Основной модуль Tianhe приводится в движение как химическими двигателями, так и четырьмя ионными двигателями , [38] которые используются для регулировки и поддержания орбиты станции. Двигатели Холла созданы с учетом безопасности пилотируемых миссий с целью предотвращения эрозии и повреждений, вызванных ускоренными ионными частицами. Магнитное поле и специально разработанный керамический экран были созданы для отражения повреждающих частиц и поддержания целостности двигателей. По данным Китайской академии наук , ионный двигатель, используемый на Tiangong, непрерывно работал в течение 8240 часов без сбоев, что указывает на его пригодность для обозначенного 15-летнего срока службы китайской космической станции. [39] Это первый в мире двигатель Холла, используемый в пилотируемой миссии. [40]
Лаборатория реактивного движения (JPL) предоставила эксклюзивную коммерческую лицензию Apollo Fusion, возглавляемой Майком Кэссиди , на технологию двигателя Холла с магнитным экранированием (MaSMi). [41] В январе 2021 года Apollo Fusion объявила, что заключила контракт с York Space Systems на заказ своей последней версии под названием «Apollo Constellation Engine». [42]
Миссия НАСА к астероиду Психея использует двигатели Холла на ксеноновом газе. [43] Электричество поступает от солнечных панелей корабля площадью 75 квадратных метров. [44]
Первые двигатели Холла NASA на пилотируемой миссии будут представлять собой комбинацию двигателей Холла мощностью 6 кВт, предоставленных Busek , и двигателей Холла NASA Advanced Electric Propulsion System (AEPS). Они будут служить в качестве основного двигателя на силовом и пропульсивном элементе ( PPE) Maxar для Lunar Gateway в рамках программы NASA Artemis . [45] Высокий удельный импульс двигателей Холла позволит эффективно поднимать орбиту и удерживать станцию на полярной почти прямолинейной гало-орбите Lunar Gateway .
Самый мощный двигатель Холла в разработке (по состоянию на 2021 год) — это 100-киловаттный двигатель X3 Nested Channel Hall Thruster Мичиганского университета . Двигатель имеет диаметр около 80 см, весит 230 кг и демонстрирует тягу 5,4 Н. [46]
Другие мощные двигатели включают усовершенствованную электрическую двигательную систему (AEPS) мощностью 40 кВт от NASA, предназначенную для приведения в движение крупномасштабных научных миссий и грузовых перевозок в дальнем космосе. [47]