Что такое плазменный двигатель холловского типа - Авто журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое плазменный двигатель холловского типа

Что такое плазменный двигатель холловского типа

Отдел механики ионизированных сред

Завотделом — д-р техн. наук, профессор В.А.Шувалов

Область исследований — процессы взаимодействия твердого тела с потоками плазмы, потоками высокоэнергичных частиц (атомов, молекул, атомных и молекулярных ионов, электронов), с электромагнитными полями и излучением; моделирование условий функционирования космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли.

Методы исследований — физическое и математическое моделирование плазменных эффектов и процессов взаимодействия космических аппаратов с околоспутниковой средой, разработка и изготовление научной диагностической аппаратуры для космических аппаратов и аппаратуры для экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования проводятся на плазмоэлектродинамическом стенде ИТМ, который Кабинетом министров Украины включен в Государственный реестр уникальных объектов космической деятельности и имеет статус научного объекта, представляющего национальное достояние.

Плазмоэлектродинамический стенд сочетает свойства плазменной аэродинамической трубы и вакуумной безлунной камеры, он позволяет моделировать и имитировать условия работы космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли на высотах от 150 до 40000 км на низких, высокоэллиптических, геостационарных, геополярних орбитах. Моделируются условия длительной эксплуатации космических аппаратов, их режимы движения, аэродинамика и теплообмен, эффекты взаимодействия искусственных тел и космических аппаратов с потоками плазмы ионосферы и магнитосферы, заряженными частицами, электрическими и магнитными полями, электромагнитным излучением солнечного спектра и радиолокационного диапазона частот.

Разработаны принципы, методы и средства исследования различных аспектов взаимодействия твердого тела с потоками плазмы, нейтральных и заряженных частиц, электромагнитного излучения, в условиях, характерных для полета космических аппаратов на геостационарных, высокоэллиптических и геополярних орбитах:

— теорию, методы и средства контактной диагностики нейтральных и заряженных компонентов высокоскоростных потоков неравновесной атомарной и частично диссоциированной молекулярной плазмы в широком диапазоне давления;

— комплекс бортовой научной аппаратуры.

Научная аппаратура для космических экспериментов:

— инверсно-магнетронный преобразователь для диагностики околоспутниковой среды: космические эксперименты «Астра-1» и «Астра-2», модуль «Квант-1» орбитальной станции «Мир» (1987, 1989)

— бортовая система активного ионно-плазменной защиты КА от последствий высоковольтной дифференциальной электризации (проект ВПК «Электризация», 1991г.) (На фото: блок и плазменные образования)

— технология и автономный блок плазменно-химической очистки объективов телекамер и оптических систем КА: модуль «Кристалл» орбитальной станции «Мир» (1994 г.).

— методология и аппаратура для диагностики ионосферной плазмы на КА «Сич-2» (2011 — 2012 гг.) и идентификации локальных источников возмущений плазмы, обусловленных природными катаклизмами на подспутниковой трассе.

— датчики для диагностики ионосферной плазмы для нано-спутника (КА МКС, США, 2004 г., Проект УНТЦ)

— плазменный двигатель малой мощности холловского типа для системы управления спутника TeLEOS-1 (Сингапур, 2015, проект УНТЦ). Спутник TeLEOS-1 оснащен четырьмя двигателями. Характеристики двигателя: рабочее вещество — ксенон, сила тяги — 5 мН, удельный импульс — 900 с.

Рис. 1. Плазмоэлектродинамический стенд ИТМ

Экспериментально и теоретически исследованы:

— искажение радиосигнатур летательных аппаратов в верхних слоях атмосферы Земли искусственными плазменными образованиями. Обоснована технология искажения радиолокационных характеристик, уменьшение заметности летательных аппаратов в атмосфере Земли, эффективность плазменного противодействия радиолокационному выявлению и распознаванию сигнатур ЛА. (Эксперименты на КА «Высотный атмосферный зонд» 1976, на КА «Космос-1818», проект ВПК «Эпикур» 1987).

Искажение диаграмм обратного рассеяния сферы, длина радиоволны 5,5 см (1 — исходная диаграмма, 2, 4 — уменьшение заметности 3 — искажение радиосигнала)

Искажение диаграмм обратного рассеяния модели ЛА; длина радиоволны (а) 5,5 см, (b) 3 см (1 — исходная диаграмма, 2, 3, 4, 5 — уменьшение заметности)

— процессы молекулярного загрязнения наружных поверхностей космических аппаратов продуктами термодеструкции органических материалов и покрытия внутренних поверхностей космических головных частей аппаратов на этапе термостатирования воздухом высокого давления и при выводе на орбиту (для ракет-носителей «Днепр», «Зенит», «Циклон»).

— синергетический эффект ускоренной деградации полимерных конструкционных материалов, содержащих в составе мономер группы (CH) n, при синхронном действии потоков плазмы, атомарного кислорода и ультрафиолетового излучения в ионосфере Земли. Показано, что при длительной (более двух лет) эксплуатации космических аппаратов на высотах более 400 км темпы деградации геометрических, весовых и термооптических характеристик полимеров увеличиваются в несколько раз.

— процессы деградации электрической мощности кремниевых солнечных батарей в условиях длительного воздействия (в течение 10 — 15 лет) комплекса факторов космического пространства на круговых, высокоэллиптических и геостационарных орбитах.

Что такое плазменный двигатель холловского типа


ТУРБУЛЕНТНОСТЬ В ПЛАЗМОТРОНАХ И МПД

Юрий Михайлович Кочетков, д.т.н.

Турбулентность в плазмотронах и магнитоплазмодинамических двигателях характеризуется высокими значениями тепловой мощности, передаваемой в плазмообразующее рабочее тело. Источником этой мощности может служить переменный ток высокого напряжения, получаемый в земных условиях и постоянный ток, вырабатываемый солнечными батареями в условиях Космоса. При работе источников плазмы в космических условиях турбулентность истекающих струй существенно зависит от свойств космического пространства. Важным фактором также является взаимное влияние плазменных образований за срезом исследовательских аппаратов с окружающей его космической средой.

Одним из интереснейших направлений в газовой динамике является турбулентность в электрофизических установках, где рабочим телом является плазма. К таким установкам в частности следует отнести плазмотроны и магнитогидродинамические плазменные двигатели. Принцип их работы основывается на использовании электрической энергии постоянного, или переменного тока. Одним из способов утилизации этой энергии и превращения её в кинетическую энергию плазмы является создание высоковольтной дуги с температурой более 10000 К (

1 эВ) для нагрева жидкости или газа. Образованная в результате плазма в дальнейшем используется в космической технике и народном хозяйстве. Потоки плазмы, выработанные такого рода устройствами, в отличие от газовых потоков, обладают своими специфическими свойствами, и их структура во многом зависит от свойств сопутствующих электромагнитных полей. В работе [1] была подробно рассмотрена динамика плазменных потоков и показана прямая аналогия с турбулентными потоками газов и жидкостей. Было установлено наличие четырёх универсальных видов течения, комбинация которых позволяет воспроизвести любое сложное турбулентное движение плазмы. Это — поступательное, вращательное, волновое и торсионное. Проведенные аналогии показали, что универсальными являются также и переносные свойства рабочих тел.

Так, например, было показано, что кинематическая и электромагнитная вязкость — суть одно и то же. Но наряду с общими свойствами турбулентных течений плазмы следует выделить такие специфические свойства, которые определяются во многом конструкцией электрофизических установок и комбинацией их механических и электрических узлов.

Особенности турбулентного течения в каналах плазмотронов

Плазмотроны — это энергетические установки, предназначенные для получения высокоэнтальпийных потоков плазмы из различных газов и жидкостей при воздействии на них энергии электрической дуги [2]. Известные виды плазмотронов предполагают использование как постоянного, так и переменного тока.

Для энергетических установок малых мощностей рентабельно использование устройств постоянного тока. При этом требуемые для работы выпрямители имеют оптимальные энергомассовые характеристики. Использование мощных плазмотронов, работающих на постоянном токе, ограничено значительной массой и габаритами выпрямительных устройств, что делает их неудобными в эксплуатации и экономически невыгодными.

В отличие от упомянутых плазмотронов постоянного тока, плазмотроны, работающие на переменном токе, позволяют просто и дёшево получать мощные высокоэнтальпийные потоки плазмы, обладающей разнообразными термодинамическими и теплофизическими свойствами. Дело в том, что плазмотроны переменного тока не требуют для питания никаких специальных устройств, они подключаются к промышленной трехфазной сети через катушки индуктивности. Коммутационная аппаратура этих сетей проста и надёжна, а их мощность ограниченна только поставщиком энергии. В отличие от плазмотронов постоянного тока, где стабилизация дуги обеспечивается специальными электронными регуляторами, в плазмотронах переменного тока эту функцию обеспечивают последовательным включением с дугой катушек индуктивности. При этом переменный ток дуги два раза за период пересекает нулевое значение. Другими словами, дуга периодически стабильно загасает и зажигается вновь. При этом катод и анод периодически меняются местами с частотой, равной частоте сети (50 Гц). Такая цикличность повышает ресурс катода и по сравнению с плазмотронами постоянного тока делает их более долговечными.

Дуга в плазмотронах переменного тока (рис.1) имеет достаточно оригинальную форму в виде звезды с лучами, по количеству кратными трем в соответствие с тремя фазами тока. Причем анодом (катодом) в каждый полупериод является точка пересечения лучей. В этой точке знак тока меняется с плюса на минус и наоборот. И естественно, что наибольшая мощность тепловыделения дуги Qд реализуется именно в этой точке:

Течение рабочего тела (воздух, азот, водород, пар и пр.) организуется таким образом, чтобы его нагрев производился именно в этой точке. Поэтому конструкция плазмотрона предусматривает специальную камеру, где тепло электрической дуги превращается в потенциальную энергию (энтальпию) рабочего тела с последующим выходом ее через сопло в виде кинетической энергии.

В целях экономии конструктивного пространства рабочее тело подается через полости цилиндрических медных электродов в центр камеры, где потоки перемешиваются, сливаясь в единую турбулентную струю. Течение в таком замкнутом объеме получается достаточно сложное, и представить его можно, используя лишь различного вида аналогии, например потоки из фонтана в сквере у метро «Октябрьское поле» в Москве (рис. 2). Кроме того, для снижения тепловых нагрузок на электроды рабочее тело в их каналы подают с некоторой закруткой, организуя при этом тангенциальные потоки холодного рабочего тела у стенок.

В результате турбулентность в плазмотронах можно характеризовать как сложную трехмерную газодинамическую структуру с пересекающимися в центре камеры винтовыми потоками и получающими дополнительную тепловую энергию от высоковольтной дуги переменного тока. Следует отметить, что в сверхмощных (100 МВт) плазмотронах (рис. 3) картина турбулентного течения еще более усложняется.

Турбулентность в МПД

Наиболее распространенная схема электромагнитного двигателя с внешним магнитным полем — торцевой холловский двигатель. В зарубежной литературе подобные двигатели принято называть магнитоплазмодинамическими (МПД) [3].

В МПД рабочее тело в плазменном состоянии ускоряется в электрической дуге аналогично тому, как это происходит в плазмотронах. При этом электрический разряд горит в торцевой части камеры между коаксиальными электродами в условиях внешнего осесимметричного магнитного поля (рис. 4). Электроды изготавливаются из тугоплавких металлов (W, Мо). Выходная часть катода выполняется в виде трубки, в которую плотно набиваются стержни из вольфрама, образуя многоканальную систему, по которой, как правило, транспортируется эвтектика из щелочных металлов (K, Na, Cs и др.). Электроды разделены изолятором. Между электродами образуется дуга, в которой капли жидкой эвтектики превращаются в плазму. Подвод тепла к рабочему телу, магнитное воздействие на плазму, а также увеличение геометрической степени расширения сопла приводит к интенсивному ускорению потока рабочего тела. Мощность струи при этом может достигать величин 15. 20 кВт, что позволяет использовать подобные двигатели для решения специфических задач в условиях космоса. Следует отметить, что существует целый ряд разнообразных электроракетных двигателей (ЭРД) с высокими ресурсными свойствами и высокой энергетикой. Это двигатели холловского типа (с анодным слоем и стационарный плазменный двигатель) и ионные двигатели. Однако для рассмотрения эффектов турбулентности в ЭРД наиболее показательными являются двигатели типа МПД. В этих двигателях величина расхода плазмы такова, что можно считать гидродинамическую среду сплошной и для анализа применять законы сохранения гидродинамики.

На интенсивность турбулентности в случае течения плазмы в МПД будут оказывать влияние следующие факторы: 1 — теплообмен между дугой и плазмой, включающий эффекты испарения рабочего тела и ионизации; 2 — геометрические особенности каналов; 3 — воздействие на плазму электромагнитного внешнего поля; 4 — влияние свойств космической среды на течение плазмы. Все эти факторы можно учесть по отдельности, но в этом случае задача сильно усложняется. Возможен более простой интегральный подход к решению задачи турбулентности. Он состоит в определении удельной мощности струи МПД. Очевидно, что эта мощность будет, в основном, определяться теплоподводом от дуги к рабочему телу. С точностью до коэффициента полезного действия двигательной установки ее можно представить как:

где Iуд — удельный импульс тяги.

Последнее соотношение учитывает основные особенности теплообмена и может быть использовано для оценки величины критерия Рейнольдса, определяющего интенсивность турбулентности [4]:

Турбулентность космической плазмы. Космическое шоу

Плазменная турбулентность Космоса — это состояние плазмы, при котором возбуждены интенсивные колебания, имеющие нерегулярный шумовой характер. По мере развития физики космической плазмы все более ясным становится факт, что учет специфических свойств плазменной турбулентности, то есть турбулентности разреженной среды с редкими столкновениями и доминирующим коллективным воздействием, важен для правильного решения многих астрофизических проблем.

Значительное развитие в последние годы получили так называемые активные методы исследования околоземного космического пространства, которые предполагают изучение реакции, отклика среды на контролируемое возмущение. Эти методы модифицируют космическую среду. Искусственные модификации среды в активных экспериментах позволяют изучать возможности целенаправленного влияния на протекание геофизических процессов в ионосфере и магнитосфере. Особый интерес представляют исследования возможностей реализации различного рода триггерных эффектов. Важное значение активные методы исследования приобретают в связи с изучением и прогнозированием эффектов антропогенного происхождения в околоземном космическом пространстве. В настоящее время в исследованиях активного типа используются перспективные электрические источники плазмы, которые инжектируют в верхнюю атмосферу, ионосферу и магнитосферу плазмообразующие реагенты с заданными свойствами. Среди них особо выделяются источники плазмы, основанные на принципе магнитоплазмодинамических двигателей. Отличие таких источников от МПД заключается в отсутствии катушек намагничивания, управляющих потоками плазмы. Все остальные узлы принципиально не изменяются. Исследование источников плазмы предполагает формирование за срезом турбулентных плазменных образований с заданными конфигурациями с учетом структуры магнитных полей в околоземном пространстве. При формировании таких искусственных плазменных структур следует учитывать различия между плазменной космической и гидродинамической турбулентностью. Эти различия существенны и обладают весьма специфическими свойствами. Первое связано со свойствами плазмы, в которой для большинства вида волн существует дисперсия фазовой скорости, то есть её зависимость от длины волны. Расплывание волновых пакетов, обусловленное дисперсией, ограничивает эффект укручения — возникновения ударных волн.

Второе различие связано с тем, что в плазме определяющую роль играет резонансное взаимодействие колебаний и волн с частицами, обусловленное индуцированным излучением, поглощением и рассеянием волн частицами. В равновесной плазме такое взаимодействие приводит к бесстолкновительной диссипации волн. В плазме спектр возможных колебаний и волн (ленгмюровские, ионно-звуковые, альфвеновские и др.) несравненно богаче, чем в жидкости. Поэтому плазменная космическая турбулентность значительно сложнее гидродинамической.

При использовании автономных источников плазмы, например установки «Триггер» (рис. 5), наряду со сложными турбулентными плазменными образованиями появляется возможность получать различные их цветовые варианты. Это достигается применением щелочных металлов, их эвтектик и сольватов, обладающих различными расцветками плазмы. Появляется возможность организации феерического космического шоу (рис. 6), видимого одновременно с разных точек Земли [5].

Литература

1. Ю.М. Кочетков. Турбулентность Альфвена — Лармора — Ленгмюра // Двигатель, № 6, 2008.
2. А.Н. Голиков, Ю.М. Кочетков, Ю.С. Свирчук, В.Б. Федотов Электродуговые плазмотроны Центра Келдыша // Двигатель, № 1, 2005.
3. Ю.А. Романовский, Ю.А. Уткин, В.В. Чилап и др. Электрические источники плазмы и пучков заряженных частиц для активных экспериментов в околоземном космическом пространстве // М.: Гидрометеоиздат, 1992.
4. Ю.М. Кочетков. Турбулентность в СЭДУ //Двигатель, № 2, 2011.
5. А.А. Гафаров, А.С. Коротеев, А.В. Митрофанов и др. 70 лет на передовых рубежах ракетно-космической техники // М.: Машиностроение, 2003.

Двигатель на эффекте холла

Принцип действия двигателя X-3 основан на эффекте Холла, который возникает при воздействии магнитного поля на движущиеся заряженные частицы — к примеру, ионы газа. При этом ионы отклоняются от своей траектории, из-за чего возникает ток, перпендикулярный основному направлению. Это создает дополнительную тягу и позволяет достичь высокого расхода ксенона, который используется в качестве ионизированного газа.

Ионный двигатель диаметром один метр весит 227 килограммов и оснащён тремя каналами выхода плазмы, что позволяет уменьшить его габариты по сравнению с одноканальными двигателями. Работу Х-3 обеспечивает электрическая силовая установка XR-100, разработанная американской компанией Aerojet Rocketdyne. В процессе в вакуумной камере двигатель продемонстрировал мощность более 100 киловатт и тягу в 5,4 ньютона.

Для сравнения, другие образцы ионных двигателей на эффекте Холла развивали мощность не более пяти киловатт. Основным преимуществом таких двигателей является высокий удельный импульс — около 40 километров в секунду. Обычные ракеты на жидком топливе развивают лишь 5 километров в секунду. В результате тратится меньше топлива, но тяга невелика, поэтому ионные двигатели пока не могли преодолеть земное притяжение.

Специалисты NASA намерены продолжить испытания ионного двигателя Х-3 в будущем году. В ходе следующего этапа тестирования учёные собираются проверить выносливость двигателя, заставив его работать на полную мощность в течение 100 часов. Специально для данного эксперимента построят специальную магнитную экранирующую систему, которая защитит стенки ионного двигателя от раскалённой плазмы.

Ионный двигатель Холла

Ионныe двигатели Холла — это лишенные решетки ионные двигатели, которые производят тягу с помощью электростатического ускорения ионов из кольцевой камеры выпуска.

Важным преимуществом двигателей на эффекте Холла является отсутствие решетки, подвергающейся постоянной бомбардировке высокоэнергетичными ионами, вследствие чего происходит ее быстрая деградация. Что касается других характеристик ионных двигателей различной конструкции, то ситуация выглядит не столь очевидной. В общем, двигатели с решеткой позволяют получать больший удельный импульс и расходуют примерно в два раза меньше топлива (рабочего тела), чем двигатели Холла. Однако при этом двигатели Холла позволяют развить большую удельную тягу при одинаковом потреблении электроэнергии. Обе конструкции имеют свои достоинства и недостатки, и выбор предпочтительного варианта зависит в каждом случае от характера задач, стоящих перед аппаратом, и от его энергетических возможностей.

Существуют два типа двигателей на эффекте Холла — это статичный двигатель (Stationary Plasma Thruster (SPT)), разработанный Design Bureau Fakel (Калининград, Россия); и двигатель с анодным слоем (Thruster with Anode Layer (TAL)), разработанный Центральным Научно-Исследовательским Институтом Машиностроения (ЦНИИМАШ, Калининград).

Статичный двигатель (Stationary Plasma Thruster (SPT)).

Принципиальная схема статичного двигателя показана ниже. Радиальное магнитное поле с помощью электромагнитов установлено поперек главного кольцевого испускающего канала (сопла). Электромагнитное возбуждение создается отдельным блоком питания, либо с помощью тока разряда. Типичная разность потенциалов при разряде между катодом и анодом, проходящим через ксенон, впрыснутый и в полый катод, и в камеру разряда, составляет около 300 В. Радиальное магнитное поле предотвращает течение выпущенных с помощью термоэмиссии электронов непосредственно из полого катода к аноду. Это магнитное поле действует как сопротивление перетоку электронов к аноду, приводя к электрическому полю в плазме, которое перпендикулярно магнитному полю и выходит вовне из сопла двигателя. Изоляционные стенки предотвращают закорачивание электрического поля.

Ионы, созданные в камере выпуска электронной бомбардировкой, относительно незатронуты магнитным полем и ускорены электрическим полем . Дополнительные электроны, излучаемые катодом следуют за ускоренными ионами, предотвращая заряд корабля до большого отрицательного потенциала.

Электроны, движущиеся от катода к аноду в камере выпуска, делают это в области пересечения электрических и магнитных полей, что приводит к дрейфу (смещению) их в направлении. перпендикулярном обеим полям — электрическому и магнитному. Для цилиндрической геометрии двигателя это происходит в направлении центральной оси двигателя. Этот электронный дрейф называется также эффектом Холла, откуда и берет название двигатель. В западной литиратуре такие двигатели также иногда называют «closed-drift thrusters».

Двигатель с анодным слоем (Thruster with Anode Layer (TAL))

TAL отличается от статичного двигателя, в котором электрическое поле, произведенное сопротивлением магнитного поля устанавливается практически непосредственно перед анодом. Из-за этого в двигателе требуются изоляционные стенки. В TAL, чтобы преодолеть проблемы эрозии, анод установлен в конец сопел так, чтобы плазма, где создаются и ускоряются ионы, существовала по существу вне двигателя .Поэтому такой двигатель имеет превосходные характеристики эрозии, полученные при испытаниях в JPL. NASA.

Ионный двигатель SMART-1 в работе

Три ионных двигателя Холла разработаны и используются в России: SPT-100, D-55 TAL и T-100 NIITP’S. Номинальная мощность этих двигателей 1400 Вт, КПД — 50%, удельный импульс 1600 с и тяга около 83 мН. Обширное испытание на износ проведенное Fakel показало успешную работу в течении 7000 часов, исследования JPL показали 6 000 часов работы и 7 000 циклов вкл/выкл.

В основном эти двигатели используются в качестве навигационных (двигатели SPT-60 использовались в 70-х годах на «Метеорах», SPT-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 80-х, SPT-100 в ряде спутников в 90-х). В начале 2004 года впервые двигатель Холла был использован в качестве основного на станции SMART-1 по исследованию Луны.

Ракета-носитель «Ариан 5» вывела SMART 1 на переходную геосинхронную орбиту с апогеем 35935 км (при расчетном значении 35873 км) и перигеем 649,5 км (при расчетном значении 648,7 км). Время работы ракеты-носителя составило 27 минут. Затем был включен ионный двигатель. На первом этапе полета он должен работать практически непрерывно в течение 80 дней, за исключением периодов, когда станция будет находиться в тени Земли. При этом перигей орбиты SMART 1 будет поднят до 20 тыс. км., а затем и апогей. Когда он достигнет 200 тыс. км., станция начнет испытывать ощутимое гравитационное воздействие Луны. Гравитационные маневры будут осуществляться в конце декабря 2004 года, а затем в январе и феврале 2005 г. В конечном итоге в марте 2005 SMART 1 выйдет на орбиту вокруг Луны, а с апреля 2005 аппарат приступит к выполнению своей научной программы.

Холловский двигатель (двигатель на основе эффекта Холла).

Холловский двигатель (двигатель на основе эффекта Холла) является одной из разновидностей электростатического ракетного двигателя. Он позволяет получить более высокую плотность тяги, более высокие значения расхода рабочего тела, и, как следствие, более высокую тягу двигателя, чем ионный двигатель.

Устройство и принцип работы холловского двигателя:

Холловский двигатель ( двигатель на основе эффекта Холла) – это одна разновидностей электростатического ракетного двигателя , в котором используется эффект Холла. Двигатели на основе эффекта Холла используются на космических аппаратах с 1972 года.

В основе принципа работы данного двигателя лежит эффект Холла, открытый в 1879 г. Эдвином Холлом (Edwin H. Hall). Он заключается в том, что в проводнике, в котором созданы взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, возникает электрический ток (называемый холловским) в направлении, перпендикулярном обоим этим полям. Иными словами, если электрическое и магнитное поля имеют направления соответственно по осям X и Y, то электрический (холловский) ток имеет направление вдоль оси Z.

Холловский двигатель состоит из кольцевой камеры. Иными словами, камера двигателя выполнена в форме кольца (цилиндра). С одной стороны в камеру подаётся рабочее тело, с другой стороны происходит истекание плазмы. Внутри двигателя располагается анод (положительный электрод), катод (отрицательный электрод) расположен снаружи двигателя . По внешней стороне кольца располагаются магниты.

Между анодом и катодом создается разность потенциалов. В кольцевую камеру подаётся рабочее тело (например, ксенон ). Разряд между анодом и катодом ионизирует рабочее тело, отрывая электроны от нейтральных атомов газа. Под действием электростатического поля положительные ионы газа (плазма) разгоняются в осевом направлении – в направлении выходного отверстия цилиндрического двигателя . На выходе из двигателя происходит нейтрализация положительного заряда плазмы электронами, эмитируемыми с катода. Истечение положительных ионов из выходного отверстия создает тягу.

В радиальном направлении действует магнитная сила, которая в соответствии с эффектом Холла приводит к появлению электрического тока, движущегося в азимутальном направлении (т.е. вокруг центрального электрода, оси двигателя ). Холловский ток создается движением электронов в электрическом и магнитном полях.

В холловском двигателе тяга создается также с помощью холловского тока, пересекающего радиальное магнитное поле. Их взаимодействие заставляет электроны обращаться вокруг оси двигателя . Эти электроны выбивают электроны из атомов ксенона, создавая ионы ксенона, которые осевое электрическое поле ускоряет в направлении выходного отверстия двигателя . Электроны холловского тока под действием силы Лоренца (возникающей в результате взаимодействия приложенного радиального магнитного поля с электрическим холловским током) создают дополнительную тягу и вырываются наружу в выходное отверстие вместе с положительными ионами.

Двигатель на основе эффекта Холла позволяет получить более высокую плотность тяги, более высокие значения расхода рабочего тела, и, как следствие, более высокую тягу двигателя , чем ионный двигатель , поскольку в истекающем потоке содержатся и положительные ионы, и электроны, что предотвращает накопление объемного заряда, уменьшающего напряженность ускоряющего электрического поля.

В зависимости от располагаемой мощности скорости истечения рабочего тела могут составлять от 10 до 50 км/с.

Схема холловского двигателя:

Рис. 1. Устройство холловского двигателя

Обзор электроракетных двигателей холловского типа с магнитной системой, основанной на постоянных магнитах

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 09.06.2017 2017-06-09

Статья просмотрена: 1110 раз

Библиографическое описание:

Артемов, В. А. Обзор электроракетных двигателей холловского типа с магнитной системой, основанной на постоянных магнитах / В. А. Артемов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 23 (157). — С. 111-119. — URL: https://moluch.ru/archive/157/44370/ (дата обращения: 07.09.2021).

В статье проведен обзор современного состояния развития электроракетных двигателей с магнитной системой, основанной на постоянных магнитах. Рассмотрены основные параметры таких двигателей и проведено сравнение с электроракетными двигателями с классической схемой магнитной системы на электромагнитных катушках.

Ключевые слова: электроракетные двигатели, постоянные магниты, ЭРД малой мощности

Электроракетные двигатели холловского типа могут быть нескольких видов. Одним из них являются стационарные плазменные двигатели (СПД). Данный вид двигателей находит широкое применение на борту современных космических аппаратов (КА). Так как в настоящее время всё больший интерес представляют малые космические аппараты, то расширяются работы по созданию малых КА нового поколения, которые могут быть использованы для решения различных задач, в том числе для телекоммуникации и дистанционного зондирования Земли. Интерес к созданию и последующему использованию малых космических аппаратов объясняется их относительно низкой стоимостью, сокращением сроков разработки и изготовления, снижением риска больших финансовых потерь в случае неудачного запуска, а также уменьшением стоимости вывода таких аппаратов на орбиту и их последующей эксплуатации.

В связи с этим значительно вырос интерес к созданию дешевых и надежных двигательных установок на базе электрических ракетных двигателей (ЭРД) малой мощности. Основные функции, которые должен выполнять двигатель на борту КА — это коррекция орбиты КА, удержание его на заданной орбите, сохранение нужной ориентации в пространстве. Под данное описание и задачи хорошо подходят стационарные плазменные двигатели малой мощности. Маленькими называют, как правило, ускорители с мощностью менее 500 Ватт и средним диаметром ускоряющего канала менее 50 мм. [1]

Так как маленькие двигатели предполагается использовать на малых космических аппаратах, возникает задача по снижению потребляемой двигателем электрической мощности. Значительную часть энергии, потребляемой СПД малых размеров, составляет энергия, используемая для создания необходимого магнитного поля в электромагнитных катушках. В качестве альтернативы, для создания необходимой конфигурации магнитного поля, но без затрат электроэнергии, предполагается использовать магнитную систему, основанную на постоянных магнитах. Данное изменение, а именно — выбор постоянных магнитов вместо электромагнитных катушек позволяет также убрать один источник питания, что благоприятно сказывается на массогабаритных характеристиках двигательной установки. Кроме прямого снижения затрачиваемой двигателем мощности это приводит еще и к снижению тепловыделения в двигателе.

Для создания представления о положении дел в данном направлении рассмотрим несколько типичных представителей СПД малой мощности, основанных на классической схеме с электромагнитными катушками. Характеристики двигателей для удобства сведены в таблицу 1.

Характеристики СПД малой мощности склассической схемой магнитной системы [2]

Модель ЭРД

Wd, [Вт]

Vd, [В]

mA, [г/с]

F, [мН]

Iуд., [с]

A

голоса
Рейтинг статьи
Читать еще:  Что такое vanos на двигателе bmw
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector