Двигатели Холла: Принцип работы, применение и развитие в космосе.

Введение

Тип электрической двигательной установки

В космических аппаратах двигатель с эффектом Холла (ДЭХ) является типом ионного двигателя, в котором рабочее тело ускоряется электрическим полем. Двигатели с эффектом Холла (основанные на открытии Эдвина Холла) иногда называют двигателями Холла или двигателями с током Холла. Двигатели с эффектом Холла используют магнитное поле для ограничения осевого движения электронов, а затем используют их для ионизации рабочего тела, эффективного ускорения ионов для создания тяги и нейтрализации ионов в пламе. Двигатель с эффектом Холла классифицируется как космическая двигательная установка с умеренным удельным импульсом (1600 с) и с 1960-х годов является предметом значительных теоретических и экспериментальных исследований. Двигатели Холла работают на различных рабочих телах, наиболее распространенными из которых являются ксенон и криптон. Другие перспективные рабочие тела включают аргон, висмут, йод, магний, цинк и адамантан. Двигатели Холла способны ускорять выхлоп до скоростей от 10 до 80 км/с (1000–8000 с удельного импульса), при этом большинство моделей работают в диапазоне от 15 до 30 км/с. Создаваемая тяга зависит от уровня мощности. Устройства мощностью 1,35 кВт создают тягу около 83 мН. Высокопроизводительные модели продемонстрировали тягу до 5,4 Н в лабораторных условиях. Для ксеноновых двигателей Холла были продемонстрированы уровни мощности до 100 кВт. Двигатели с эффектом Холла имели входную мощность от 1,35 до 10 киловатт, скорости выхлопа от 10 до 50 километров в секунду, тягу от 40 до 600 миллиньютонов и эффективность в диапазоне от 45 до 60 процентов. Области применения двигателей с эффектом Холла включают управление ориентацией и положением орбитальных спутников, а также использование в качестве основного двигателя для роботизированных космических аппаратов среднего размера. Однако впервые эффективный двигатель Холла был разработан в Советском Союзе. В США ученые сосредоточились на разработке ионных двигателей с сеткой.

Индийский

Исследования в Индии проводятся как государственными, так и частными исследовательскими институтами и компаниями. В 2010 году ISRO использовала ионные двигатели на эффекте Холла в аппарате GSAT 4, запущенном ракетой-носителем GSLV Mk2 D3. Аппарат был оснащен четырьмя двигателями, работающими на ксеноне, для удержания станции на орбите "Север-Юг". Два из них были российского производства, а два – индийские. Номинальная тяга индийских двигателей составляла 13 мН. Однако ракета GSLV D3 не достигла расчетной орбиты. В 2013 году ISRO профинансировала разработку нового класса электрических двигателей – Magnetoplasmadynamic Electric Propulsion Thruster. В рамках этого проекта был разработан опытный образец Magneto Plasma Dynamic Thruster (MPD), использующий аргон в качестве рабочего тела, с удельным импульсом 2500 с и тягой 25 мН. В 2014 году ISRO вела разработку SPT-двигателей с тягой 75 мН и 250 мН для использования в будущих мощных спутниках связи. Двигатели тягой 75 мН были установлены на спутник связи GSAT 9. К 2021 году разработка двигателя с тягой 300 мН была завершена. Параллельно велись работы над плазменным двигателем мощностью 10 кВт, работающим на радиочастотном излучении, и маломощной электрической двигательной установкой на основе криптона. С выходом частных компаний в космическую отрасль, Bellatrix Aerospace стала первой коммерческой фирмой, предложившей коммерческие двигатели на эффекте Холла. В текущей модели двигателя используется ксенон в качестве топлива. Испытания проводились в исследовательской лаборатории двигательных установок космических аппаратов Индийского института науки в Бенгалуру. Ключевым нововведением, отличающим их от конкурентов, является технология катода без нагрева, повышающая надежность и резервирование системы. Ранее этот космический стартап разработал первый в мире коммерческий микроволновой плазменный двигатель, использующий воду в качестве топлива с мгновенным нагревом посредством микроволновой плазмы, и компания получила заказ на него от ISRO.

Принцип действия

Основной принцип работы двигателя Холла заключается в использовании электростатического потенциала для ускорения ионов до высоких скоростей. В двигателе Холла притягательный отрицательный заряд обеспечивается электронной плазмой в открытой части двигателя, а не сеткой. Радиальное магнитное поле используется для удержания электронов, при этом комбинация радиального магнитного поля и осевого электрического поля вызывает дрейф электронов по азимуту, формируя таким образом ток Холла, от которого устройство и получило свое название. Схематическое изображение двигателя Холла представлено на соседнем рисунке. Между анодом и катодом прикладывается электрический потенциал от 150 до 800 вольт. Центральный выступ образует один полюс электромагнита и окружен кольцевым пространством, вокруг которого расположен другой полюс электромагнита с радиальным магнитным полем между ними. Рабочее тело, например, газ ксенон, подается через анод, имеющий множество небольших отверстий, служащих газораспределителем. По мере диффузии нейтральных атомов ксенона в канал двигателя они ионизируются при столкновениях с циркулирующими высокоэнергетическими электронами (обычно 10–40 эВ, или около 10% от разрядного напряжения). Большинство атомов ксенона ионизируются до суммарного заряда +1, но заметная доля (около 20%) имеет суммарный заряд +2. Затем ионы ксенона ускоряются электрическим полем между анодом и катодом. При разрядном напряжении 300 В ионы достигают скорости около для удельного импульса 1500 с (15 кН·с/кг). Однако при выходе из двигателя ионы увлекают с собой равное количество электронов, создавая плазменное облако без суммарного заряда. Радиальное магнитное поле спроектировано таким образом, чтобы достаточно сильно отклонять электроны малой массы, но не ионы большой массы, имеющие значительно больший радиус гиротрона и практически не испытывающие препятствий. Таким образом, большинство электронов оказываются запертыми на орбите в области сильного радиального магнитного поля вблизи выходной плоскости двигателя, захваченными полем E×B (осевым электрическим полем и радиальным магнитным полем). Это орбитальное вращение электронов представляет собой циркулирующий ток Холла, и именно от него двигатель Холла получил свое название. Столкновения с другими частицами и стенками, а также плазменная нестабильность позволяют некоторым электронам освободиться от магнитного поля и дрейфовать к аноду. Около 20–30% разрядного тока приходится на электронный ток, который не создает тяги, тем самым ограничивая энергетическую эффективность двигателя; остальные 70–80% тока приходятся на ионы. Поскольку большинство электронов захвачено в токе Холла, они имеют длительное время пребывания внутри двигателя и способны ионизировать почти все ксеноновое рабочее тело, обеспечивая коэффициент использования массы 90–99%. Таким образом, эффективность использования массы двигателя составляет около 90%, а эффективность разрядного тока – около 70%, что дает общую эффективность двигателя около 63% (= 90% × 70%). Современные двигатели Холла достигли эффективности до 75% благодаря усовершенствованным 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, такой как американская четверть доллара или монета в 20 евроцентов, составляет примерно 60 мН. Как и во всех видах электрического движения космических аппаратов, тяга ограничена доступной мощностью, эффективностью и удельным импульсом. Однако двигатели Холла работают при высоких удельных импульсах, характерных для электрической тяги. Одним из преимуществ двигателей Холла по сравнению с ионными двигателями с сеткой является то, что генерация и ускорение ионов происходят в квазинейтральной плазме, поэтому нет ограничения на насыщенный ток плотности тяги (эффект Чайлда-Лангмюра). Это позволяет создавать двигатели значительно меньшего размера по сравнению с ионными двигателями с сеткой. Другое преимущество заключается в том, что эти двигатели могут использовать более широкий спектр рабочих тел, подаваемых в анод, даже кислород, хотя в катоде требуется вещество, которое легко ионизируется.

The essential working principle of the Hall thruster is that it uses an electrostatic potential to accelerate ions up to high speeds. In a Hall thruster, the attractive negative charge is provided by an electron plasma at the open end of the thruster instead of a grid. A radial magnetic field of about is used to confine the electrons, where the combination of the radial magnetic field and axial electric field cause the electrons to drift in azimuth thus forming the Hall current from which the device gets its name. A schematic of a Hall thruster is shown in the adjacent image. An electric potential of between 150 and 800 volts is applied between the anode and cathode. The central spike forms one pole of an electromagnet and is surrounded by an annular space, and around that is the other pole of the electromagnet, with a radial magnetic field in between. The propellant, such as xenon gas, is fed through the anode, which has numerous small holes in it to act as a gas distributor. As the neutral xenon atoms diffuse into the channel of the thruster, they are ionized by collisions with circulating high energy electrons (typically 10–40 eV, or about 10% of the discharge voltage). Most of the xenon atoms are ionized to a net charge of +1, but a noticeable fraction (c. 20%) have +2 net charge. The xenon ions are then accelerated by the electric field between the anode and the cathode. For discharge voltages of 300 V, the ions reach speeds of around for a specific impulse of 1,500 s (15 kN·s/kg). Upon exiting, however, the ions pull an equal number of electrons with them, creating a plasma plume with no net charge. The radial magnetic field is designed to be strong enough to substantially deflect the low mass electrons, but not the high mass ions, which have a much larger gyroradius and are hardly impeded. The majority of electrons are thus stuck orbiting in the region of high radial magnetic field near the thruster exit plane, trapped in E×B (axial electric field and radial magnetic field). This orbital rotation of the electrons is a circulating Hall current, and it is from this that the Hall thruster gets its name. Collisions with other particles and walls, as well as plasma instabilities, allow some of the electrons to be freed from the magnetic field, and they drift towards the anode. About 20–30% of the discharge current is an electron current, which does not produce thrust, thus limiting the energetic efficiency of the thruster; the other 70–80% of the current is in the ions. Because the majority of electrons are trapped in the Hall current, they have a long residence time inside the thruster and are able to ionize almost all of the xenon propellant, allowing mass use of 90–99%. The mass use efficiency of the thruster is thus around 90%, while the discharge current efficiency is around 70%, for a combined thruster efficiency of around 63% (= 90% × 70%). Modern Hall thrusters have achieved efficiencies as high as 75% through advanced designs. Compared to chemical rockets, the thrust is very small, on the order of 83 mN for a typical thruster operating at 300 V and 1.5 kW. For comparison, the weight of a coin like the U. S. quarter or a 20 cent euro coin is approximately 60 mN. As with all forms of electrically powered spacecraft propulsion, thrust is limited by available power, efficiency, and specific impulse. However, Hall thrusters operate at the high specific impulses that are typical for electric propulsion. One particular advantage of Hall thrusters, as compared to a gridded ion thruster, is that the generation and acceleration of the ions takes place in a quasi neutral plasma, so there is no Child Langmuir charge (space charge) saturated current limitation on the thrust density. This allows much smaller thrusters compared to gridded ion thrusters. Another advantage is that these thrusters can use a wider variety of propellants supplied to the anode, even oxygen, although something easily ionized is needed at the cathode.

Ксенон

Ксенон долгое время был типичным выбором рабочего тела для многих систем электрической тяги, включая двигатели Холла. Ксенон используется в качестве рабочего тела благодаря его высокой атомной массе и низкому потенциалу ионизации. Ксенон относительно легко хранить, и, будучи газом при рабочих температурах космического аппарата, он не требует предварительного испарения перед использованием, в отличие от металлических рабочих тел, таких как висмут. Высокая атомная масса ксенона означает, что отношение энергии, затрачиваемой на ионизацию, к единице массы невелико, что обеспечивает более высокую эффективность двигателя.

Криптон

Криптон – ещё один вариант рабочего тела для двигателей Холла. Ксенон имеет потенциал ионизации 12,1298 эВ, а криптон – 13,996 эВ. Это означает, что для ионизации криптона требуется немного больше энергии на моль, что снижает эффективность. Кроме того, криптон – более лёгкий ион, поэтому удельная масса на единицу энергии ионизации ещё ниже, чем у ксенона. Однако ксенон может быть более чем в десять раз дороже криптона за килограмм, что делает криптон более экономичным выбором для развёртывания спутниковых группировок, таких как Starlink V1 компании SpaceX, двигатели Холла которых изначально работали на криптоне. Аргон примерно в 100 раз дешевле криптона и в 1000 раз дешевле ксенона.

Сравнение благородных газов

+ Таблица свойств благородных газов и сравнения стоимости
Газ Символ Атомный вес (г/моль) Потенциал ионизации (эВ) Стоимость / м³ Плотность Стоимость / кг Стоимость относительно самого дешевого
Ксенон Xe 131.29 12.13 10.824 25 € / литр € 25000 5.894 г/л € 4241.60 1905
Криптон Kr 83.798 14.00 5.986 3 € / литр € 3000 3.749 г/л € 800.21 359
Аргон Ar 39.95 15.81 2.527 $0.12 / куб. фут € 3.97 1.784 г/л € 2.23 1
Неон Ne 20.18 21.64 0.933 € 504 / м³ € 504 0.9002 г/л € 559.88 251
Гелий He 4.002 24.59 0.163 $7.21 / м³ € 6.76 0.1786 г/л € 37.84 17

Двигатели с цилиндрическим корпусом

Хотя обычные (кольцевые) двигатели Холла эффективны в киловаттном диапазоне мощности, они становятся неэффективными при уменьшении размеров. Это связано с трудностями поддержания постоянных параметров масштабирования характеристик при одновременном уменьшении размера канала и увеличении напряженности приложенного магнитного поля. Это привело к разработке цилиндрического двигателя Холла. Цилиндрический двигатель Холла легче масштабируется до меньших размеров благодаря своей нетрадиционной геометрии камеры разряда и соответствующему профилю магнитного поля. Цилиндрический двигатель Холла более пригоден для миниатюризации и работы при малой мощности, чем обычный (кольцевой) двигатель Холла. Основная причина разработки цилиндрических двигателей Холла заключается в том, что сложно создать обычный двигатель Холла, который эффективно работал бы в широком диапазоне мощностей – от примерно 1 кВт до примерно 100 Вт, сохраняя при этом эффективность в пределах 45–55%.

Внешний разряд двигателя Холла

Разбрызгивающая эрозия стенок каналов разряда и полюсных наконечников, защищающих магнитную цепь, приводит к выходу из строя двигателя. Поэтому кольцевые и цилиндрические двигатели Холла имеют ограниченный срок службы. Хотя было показано, что магнитная защита значительно снижает эрозию стенок канала разряда, эрозия полюсных наконечников остается проблемой. В качестве альтернативы был предложен нетрадиционный конструктив двигателя Холла, называемый двигателем Холла с внешним разрядом или внешним разрядочным плазменным двигателем (XPT). Двигатель Холла с внешним разрядом не имеет стенок канала разряда или полюсных наконечников. Плазменный разряд генерируется и поддерживается полностью в открытом пространстве за пределами конструкции двигателя, что обеспечивает бесерсионную работу.

Приложения

Двигатели Холла летают в космосе с декабря 1971 года, когда Советский Союз запустил SPT 50 на спутнике «Метеор». С тех пор в космос было запущено более 240 двигателей, со 100% успехом. В настоящее время двигатели Холла регулярно используются на коммерческих спутниках связи LEO и GEO для вывода на орбиту и поддержания станции. Первым двигателем Холла, запущенным на западном спутнике, был российский D 55, разработанный ЦНИИМАШ, на аппарате STEX NRO, запущенном 3 октября 1998 года. Солнечная электрическая двигательная установка космического аппарата SMART 1 Европейского космического агентства использовала двигатель Snecma PPS 1350 G Hall. SMART 1 был демонстрационной технологической миссией, которая вращалась вокруг Луны. Использование PPS 1350 G, начавшееся 28 сентября 2003 года, стало первым применением двигателя Холла за пределами геосинхронной орбиты Земли (GEO). Как и большинство двигательных систем Холла, используемых в коммерческих целях, двигатель Холла на SMART 1 мог регулироваться в диапазоне мощности, удельного импульса и тяги. Он имеет диапазон выходной мощности 0,46–1,19 кВт, удельный импульс 1100–1600 с и тягу 30–70 мН. Ранние небольшие спутники созвездия SpaceX Starlink использовали двигатели Холла, работающие на криптоне, для поддержания позиции и сведения с орбиты, в то время как более поздние спутники Starlink использовали двигатели Холла, работающие на аргоне, для корректировки и поддержания орбиты станции. Разработка двигателей Холла считается деликатной темой в Китае, где ученые «работают над улучшением технологии, стараясь не привлекать внимания». Двигатели Холла создаются с учетом безопасности пилотируемых миссий, с целью предотвращения эрозии и повреждений, вызванных ускоренными ионными частицами. Для отклонения вредных частиц и сохранения целостности двигателей было создано магнитное поле и специально разработанный керамический экран. По данным Китайской академии наук, ионный двигатель, используемый на «Тяньгун», непрерывно работал в течение 8240 часов без сбоев, что свидетельствует о его пригодности для расчетного 15-летнего срока службы китайской космической станции. Это первый в мире двигатель Холла, используемый в пилотируемой миссии. Лаборатория реактивного движения (JPL) предоставила эксклюзивную коммерческую лицензию компании Apollo Fusion, возглавляемой Майком Кэссиди, на свою технологию миниатюрного двигателя Холла с магнитным экранированием (MaSMi). В январе 2021 года Apollo Fusion объявила о заключении контракта с York Space Systems на поставку последней версии, получившей название «Apollo Constellation Engine». Миссия NASA к астероиду Психея использует двигатели Холла, работающие на ксеноне. Электроэнергия поступает от солнечных панелей площадью 75 квадратных метров. Первые двигатели Холла NASA для пилотируемых миссий будут представлять собой комбинацию 6-киловаттных двигателей Холла, предоставленных Busek, и двигателей Холла NASA Advanced Electric Propulsion System (AEPS). Они будут служить основным двигателем на силовой и двигательной установке Maxar (PPE) для Lunar Gateway в рамках программы Artemis NASA. Высокий удельный импульс двигателей Холла позволит эффективно поднимать орбиту и поддерживать станцию на полярной околопрямолинейной гало-орбите Lunar Gateway.

Hall thrusters have been flying in space since December 1971, when the Soviet Union launched an SPT 50 on a Meteor satellite. Over 240 thrusters have flown in space since that time, with a 100% success rate. Hall thrusters are now routinely flown on commercial LEO and GEO communications satellites, where they are used for orbital insertion and stationkeeping. The first Hall thruster to fly on a western satellite was a Russian D 55 built by TsNIIMASH, on the NRO's STEX spacecraft, launched on October 3, 1998. The solar electric propulsion system of the European Space Agency's SMART 1 spacecraft used a Snecma PPS 1350 G Hall thruster. SMART 1 was a technology demonstration mission that orbited the Moon. This use of the PPS 1350 G, starting on September 28, 2003, was the first use of a Hall thruster outside geosynchronous Earth orbit (GEO). Like most Hall thruster propulsion systems used in commercial applications, the Hall thruster on SMART 1 could be throttled over a range of power, specific impulse, and thrust. It has a discharge power range of 0.46–1.19 kW, a specific impulse of 1,100–1,600 s and thrust of 30–70 mN. Early small satellites of the SpaceX Starlink constellation used krypton fueled Hall thrusters for position keeping and deorbiting, while later Starlink satellites used argon fueled Hall thrusters. which are used to adjust and maintain the station's orbit. The development of the Hall effect thrusters is considered a sensitive topic in China, with scientists "working to improve the technology without attracting attention". Hall effect thrusters are created with crewed mission safety in mind with effort to prevent erosion and damage caused by the accelerated ion particles. A magnetic field and specially designed ceramic shield was created to repel damaging particles and maintain integrity of the thrusters. According to the Chinese Academy of Sciences, the ion drive used on Tiangong has burned continuously for 8,240 hours without a glitch, indicating their suitability for the Chinese space station's designated 15 year lifespan. This is the world's first Hall thruster on a human rated mission. The Jet Propulsion Laboratory (JPL) granted exclusive commercial licensing to Apollo Fusion, led by Mike Cassidy, for its Magnetically Shielded Miniature (MaSMi) Hall thruster technology. In January 2021, Apollo Fusion announced they had secured a contract with York Space Systems for an order of its latest iteration named the "Apollo Constellation Engine". The NASA mission to the asteroid Psyche utilizes xenon gas Hall thrusters. The electricity comes from the craft's 75 square meter solar panels. NASA's first Hall thrusters on a human rated mission will be a combination of 6 kW Hall thrusters provided by Busek and NASA Advanced Electric Propulsion System (AEPS) Hall thrusters. They will serve as the primary propulsion on Maxar's Power and Propulsion Element (PPE) for the Lunar Gateway under NASA's Artemis program. The high specific impulse of Hall thrusters will allow for efficient orbit raising and station keep for the Lunar Gateway's polar near rectilinear halo orbit.

В разработке

Самым мощным разрабатываемым двигателем с эффектом Холла (по состоянию на 2021 год) является 100 кВт X3 Nested Channel Hall Thruster, разработанный в Мичиганском университете. Двигатель имеет диаметр около 80 см, вес 230 кг и продемонстрировал тягу в 5,4 Н.

Другие мощные двигатели включают в себя 40 кВт Advanced Electric Propulsion System (AEPS) от NASA, предназначенные для реализации крупномасштабных научных миссий и транспортировки грузов в дальнем космосе.