🚀 Двигун Холла — Іонна Тяга

Двигун Холла (HET) — це пристрій електричної тяги, який іонізує робоче тіло (зазвичай ксенон) і прискорює отримані іони електричним полем. Радіальне магнітне поле утримує електрони на азимутальних орбітах дрейфу E×B (дрейф Холла), збільшуючи довжину їхнього шляху та ефективність іонізації без потреби у фізичному катоді всередині каналу.

Коли електричне поле E (осьове) і магнітне поле B (радіальне) перпендикулярні, заряджені частинки дрейфують у напрямку E×B — азимутально навколо каналу двигуна. Легкі електрони сильно намагнічені й здійснюють багато обертів, перш ніж загубитися, що різко збільшує час їхнього перебування та перетин іонізації. Важкі іони ксенону практично немагнітизовані й прискорюються в осьовому напрямку.

Ксенон (Xe) — стандартне робоче тіло завдяки високій атомній масі (131 а.о.м.), низькій енергії іонізації (12,1 еВ), інертній хімії та зручному зберіганню як стисненого газу. Криптон (Kr, 84 а.о.м.) — легша альтернатива, яку використовують супутники SpaceX Starlink для вищої швидкості витікання ціною меншої густини тяги. Аргон (Ar, 40 а.о.м.) дає найвищий питомий імпульс, але потребує більше потужності на одиницю тяги.

Isp = v_e / g₀, де v_e — швидкість витікання, а g₀ = 9,81 м/с² — стандартне прискорення вільного падіння. Швидкість витікання випливає із закону збереження енергії: v_e = √(2qU/m), де q — заряд іона, U — напруга розряду, а m — маса іона. Двигун на ксеноні при 300 В дає v_e ≈ 19 км/с, тобто Isp ≈ 1940 с — приблизно у 10 разів краще за хімічні ракети.

Ефективність тяги η = F²/(2ṁP), де F — тяга, ṁ — витрата маси робочого тіла, а P — вхідна потужність. Вона показує, наскільки добре вхідна потужність перетворюється на спрямовану кінетичну енергію. Сучасні двигуни Холла досягають η = 50–65%, з втратами через багатозарядні іони, розбіжність пучка, неефективність іонізації та електронний струм на стінки.

Вища напруга розряду збільшує швидкість витікання іонів як v_e ∝ √U, що лінійно підвищує Isp зі зростанням √U. Тяга масштабується як F = ṁ·v_e ∝ ṁ·√U за фіксованої витрати. Однак ефективність досягає піку за проміжної напруги (~300–500 В для ксенону), бо дуже висока напруга збільшує частку багатозарядних іонів та ерозію стінок.

Радіальне магнітне поле B контролює ларморівський радіус електрона r_L = mv/(qB). Для ефективного утримання Холла r_L повинен бути набагато меншим за ширину каналу, залишаючись достатньо великим, щоб іони могли проходити. Оптимальне B утримує електрони для високої іонізації, дозволяючи вилучення іонів. Занадто сильне поле утримує електрони надто близько до анода; занадто слабке дозволяє їм досягати катода напряму без іонізації.

Двигуни Холла працюють з Isp 1500–3000 с з вищою густиною тяги, ніж сітчасті іонні двигуни (1000–10000 с Isp). Іонні двигуни використовують електростатичні сітки для прискорення іонів, пропонуючи вищий Isp, але нижче співвідношення тяга/потужність та проблеми ерозії сіток. Двигуни Холла простіші, надійніші й переважні для утримання на орбіті та підняття орбіти.

Двигуни Холла широко використовуються: супутники SpaceX Starlink застосовують криптонові двигуни Холла для підняття орбіти та компенсації опору атмосфери. Повністю електричні супутники Boeing 702SP використовують ксенонові двигуни Холла для виходу на геостаціонарну орбіту. Місія ESA SMART-1 до Місяця використовувала ксеноновий двигун Холла як основну тягу. Цей тип двигунів, розроблений у Радянському Союзі в 1960–70-х роках (серія SPT), нині живить сотні комерційних супутників.

Основний фактор обмеження терміну служби — ерозія стінок керамічного розрядного каналу (зазвичай з нітриду бору) внаслідок бомбардування енергійними іонами. У міру ерозії каналу топологія магнітного поля змінюється, і продуктивність знижується. Сучасні двигуни досягають 10 000–20 000 годин роботи. Інші обмеження включають знос катода, деградацію системи подачі палива та термін служби блока обробки потужності.