Тлаце з ефектом Холла: Іонний рушій без сіток

Двигун з майже нерухомими частинами

Реактивний двигун на основі ефекту Холла створює тягу, прискорюючи іони з задньої частини космічного апарата зі швидкістю 15-30 км/с, приблизно в десять разів швидше, ніж вихлопні гази хімічного ракети. У нього немає горіння, жодного сопла та практично одна рухома частина: паливо, зазвичай ксеноновий газ, який іонізується та потім викидається електрично. Ключовим моментом є використання перехрестного електричного та магнітного поля для утримання електронів точно там, де вони потрібні, без сіток - на відміну від сіткового іонного двигуна.

Вплив Е та В струмування

Усередині конусоподібного каналу двигуна, орієнтовний провідний електричний струм E спрямований від позитивно зарядженого анода до вихідної площини, а радіальний магнітне поле B (з внутрішніх магнітів) направлене через канал. Заряжений частинка, що знаходиться в перетині Е та В полів, не просто прискорюється вздовж E - вона збігається вбік, орієнтована круговістю, зі швидкістю v = E × B / B^2, яка є незалежною від заряду або маси частинки. Цей Е×В збіжний рух утримує електрони в обертовому струмовому кільці, «струм Холла», який дає назву двигуну.

v_drift = (E x B) / B^2 // однакова швидкість збіжності для будь-якого заряду/маси -> утримує електрони, а не йони електрони: малий радіус коливання (В тримає їх) -> обертаються орієнтовано навколо, стикаючись із нейтральними атомами ксенону достатньо часто, щоб іонізувати велику частку газу; утворені йони, практично не вплинуті В, просто прискорюються прямо поозначено польний Е йони: величезний радіус коливання (В майже не згинає їх) -> падають прямо вниз по поздовжньому полю Е, виходять із вихідної площини Магнітне поле спеціально налаштовано таким чином, щоб електрони були магнітизовані (їхній радіус коливання значно менший за канал), тоді як йони ні (їхній радіус коливання значно більший, приблизно в 1800 разів важчий для ксенону, ніж електрон). Утримане обертове електронів збігається зі стикуванням із нейтральними атомами ксенону достатньо часто, щоб іонізувати велику частку газу; утворені йони, практично не вплинуті В, просто прискорюються прямо поозначено польний Е. Вихідний іонний струмінь є тим, що генерує тягу; окремий зовнішній катод впорскує електрони вниз по струму для нейтралізації просторового заряду струменя, щоб вихлопна труба та космічний корабель залишалися електрично нейтральними.

v_drift = (E x B) / B^2      // same drift velocity for any charge/mass -> traps electrons, not ions
electrons: gyroradius small (B holds them) -> circulate azimuthally, ionize neutrals by collision
ions:      gyroradius huge (B barely bends them) -> fall straight down the axial E field, out the exit

Витратний імпульс та компроміс між тягою та ефективністю

Штовх від будь-якого електричного приводу визначається вихідною швидкістю та масовим потоком: F = m_dot * v_e. Вихідна швидкість геліостата 15–30 км/с відповідає витратному імпульсу (Isp, відношення вихідної швидкості до стандартного тяжіння) приблизно 1500–3000 секунд – втричі або шість разів краще, ніж у найкращих хімічних двигунів-біпропалантиків, які досягають піку близько 450 секунд. Вартістю цієї ефективності є щільність тяги: геліостат потужністю 1 кВт виробляє в межах десятків до кількох сотень міліньютонів – це шепіт порівняно з тягою хімічного двигуна, яка становить десятки кілоньютонів. Електричний привід обмінює тягу на економію палива, що є ідеальним компромісом для місій, які мають роки, а не хвилини, щоб дістатися до місця призначення та цінують кожен збережений кілограм палива.

Де вони літають

Турбіни на основі ефекту Холла вже працюють з 1971 року, коли Радянський Союз запустив першу таку турбіну, але набули широкого поширення в Західному світі після місії європейського SMART-1 на Місяць (2003), де турбіна на основі ефекту Холла дозволяла спірально виводити космічний апарат з геостаціонарної перехідної орбіти до Місяця. Сьогодні вони є основним типом двигунів для підтримки позиції супутників та зміни їх орбіт, і тисячі невеликих турбін на основі ефекту Холла зараз використовуються на Starlink від SpaceX для обслуговування та виведення з експлуатації супутників – це найбільше розгортання цієї технології. Загальна ефективність тяги (кінетична енергія, що виходить, проти електричної енергії, що входить) зазвичай становить 45-60% для добре спроектованої турбіни, решта втрачається через витрати на іонізацію, розсіювання променя та втрати на стінках.

Механізм зносу: ерозія каналу

Домінуюча причина зниження тривалості служби іонометрів – це не знос рухомих частин, а вивітрювання керамічного розрядного каналу під дією іонного бомбардування. Деякі іони, народжені поблизу стін каналу, прискорюються вбік усередину кераміки замість того, щоб прямувати назовні з виходу, поступово руйнуючи геометрію каналу протягом тисяч годин експлуатації, поки магнетична топологія, яку він був призначений підтримувати, не порушується достатньо, щоб знизити продуктивність. Прогнозування та пом’якшення цієї ерозії – шляхом конструкцій із магнітним захистом, які відсувають зону іонізації від стін – стало однією з основних інженерних розробок, що дозволили збільшити тривалість служби іонометрів з сотень годин у ранніх проектах до десятків тисяч годин у сучасних іонометрах із магнітним захистом.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Hall Effect Thruster і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.