Считалось, что двигатели Холла, эффективные электрические двигатели, широко используемые на орбите, должны быть большими, чтобы создавать большую тягу. Теперь новое исследование Мичиганского университета предполагает, что меньшие двигатели Холла могут генерировать гораздо большую тягу, что потенциально делает их кандидатами для межпланетных миссий. «Раньше люди думали, что вы можете пропустить только определенное количество тока через площадь двигателя, что, в свою очередь, напрямую переводится в то, сколько силы или тяги вы можете создать на единицу площади», — сказал Бенджамин Йорнс, доцент аэрокосмической техники Университета штата Массачусетс. возглавил исследование нового двигателя Холла, которое сегодня будет представлено на форуме AIAA SciTech в Национальной гавани, штат Мэриленд.
Его команда бросила вызов этому пределу, запустив двигатель Холла мощностью 9 киловатт до 45 киловатт, сохранив примерно 80% его номинальной эффективности. Это увеличило количество силы, генерируемой на единицу площади, почти в 10 раз. Назовем ли мы его плазменным двигателем или ионным двигателем, электрический двигатель — лучший выбор для межпланетных путешествий, но наука находится на перепутье. В то время как двигатели Холла являются хорошо зарекомендовавшей себя технологией, альтернативная концепция, известная как магнитоплазмодинамический двигатель, обещает обеспечить гораздо большую мощность в двигателях меньшего размера. Тем не менее, они еще не доказаны во многих отношениях, в том числе на всю жизнь.
Считалось, что двигатели Холла не могут конкурировать из-за того, как они работают. Пропеллент, обычно благородный газ, такой как ксенон, движется по цилиндрическому каналу, где ускоряется мощным электрическим полем. Он создает тягу в прямом направлении, когда уходит назад. Но прежде чем топливо можно будет ускорить, оно должно потерять несколько электронов, чтобы придать ему положительный заряд. Электроны, ускоренные магнитным полем, чтобы двигаться по кольцу вокруг этого канала, описанного Йорнсом как «циркулярная пила», сбивают электроны с атомов топлива и превращают их в положительно заряженные ионы. Однако расчеты показали, что если двигатель Холла попытается прогнать больше топлива через двигатель, электроны, свистящие по кольцу, будут выбиты из формации, нарушив эту функцию «циркулярной пилы».
«Это все равно, что пытаться откусить больше, чем вы можете прожевать», — сказал Йорнс. «Циркулярная пила не может пробить такой объем материала». Кроме того, двигатель будет сильно нагреваться. Команда Йорнса проверила эти убеждения. «Мы назвали наш двигатель H9 MUSCLE, потому что, по сути, мы взяли двигатель H9 и сделали из него маслкар, включив его на «11» — на самом деле до сотни, если мы исходим из точного масштабирования», — сказал он. Линн Су, докторант в области аэрокосмической техники, представит исследование. Они решили проблему перегрева, охладив его водой, что позволило им увидеть, насколько большой проблемой будет поломка циркулярной пилы. Оказалось, особых хлопот не было. Работая с ксеноном, обычным топливом, H9 MUSCLE разогнался до 37,5 киловатт с общей эффективностью около 49%, что недалеко от 62% эффективности при проектной мощности 9 киловатт.
Работая на криптоне, более легком газе, они увеличили мощность до 45 киловатт. При общем КПД 51% они достигли максимальной тяги около 1,8 ньютона, что соответствует гораздо более мощному 100-киловаттному двигателю Холла X3. «Это своего рода сумасшедший результат, потому что, как правило, криптон работает намного хуже, чем ксенон, на двигателях Холла. Так что это очень круто и интересно увидеть, что мы действительно можем улучшить производительность криптона по сравнению с ксеноном, увеличив плотность тока двигателя. — сказал Су. Двигатели Nested Hall, такие как X3, также частично разработанные UM, были исследованы для межпланетных грузовых перевозок, но они намного больше и тяжелее, что затрудняет их транспортировку людей. Теперь обычные двигатели Холла снова используются для полетов с экипажем.
Йорнс говорит, что для решения проблемы охлаждения потребуется космическое решение, если двигатели Холла будут работать на такой высокой мощности. Тем не менее, он с оптимизмом смотрит на то, что отдельные двигатели могут работать на мощности от 100 до 200 киловатт, объединенные в массивы, обеспечивающие тягу мощностью в мегаватт. Это может позволить пилотируемым миссиям достичь Марса даже на обратной стороне Солнца, преодолев расстояние в 250 миллионов миль. Команда надеется решить проблему охлаждения, а также решить проблемы при разработке как двигателей Холла, так и магнитоплазмодинамических двигателей на Земле, где лишь немногие объекты могут испытывать двигатели марсианского уровня. Количество топлива, выбрасываемого из двигателя, слишком быстро для вакуумных насосов, чтобы поддерживать условия внутри испытательной камеры космическими.
