Impulsión del pasillo

Selección de unidades de pasillo rusas
Unidad de American Hall en funcionamiento (Xenon)

Un impulsor Hall o impulsor de efecto Hall (en inglés Hall-Effect Thruster , Hall Thruster ) es un impulsor de iones en el que un campo magnético aumenta la eficiencia al evitar que los electrones lleguen al ánodo . Con este tipo de fuente de iones, son posibles altas eficiencias de empuje y una larga vida útil, incluso con altas potencias hasta el rango de 100 kW. Sin embargo, para los propulsores utilizados anteriormente en naves espaciales , solo estaban disponibles unos pocos de 100 a 1000  W , con lo que se obtienen fuerzas de empuje de 10 a 100  mN .

Al igual que con otros propulsores de iones, el xenón se utiliza normalmente como masa de soporte , cuyos iones positivos se aceleran a velocidades de entre 10 y 80 km / s mediante un campo eléctrico .

historia

La investigación y el desarrollo de accionamientos de iones se remontan a la década de 1960, especialmente en los Estados Unidos y la Unión Soviética. Mientras se llevaban a cabo experimentos con fuentes de iones de red en los EE . UU. , La empresa FAKEL, con sede en Kaliningrado, llevó el motor de efecto Hall al punto en que estaba listo para volar. Desde el primer uso exitoso en 1971 en el satélite METEOR , más de 50 satélites han sido equipados con accionamientos de FAKEL.

Durante la Guerra Fría, pero sobre todo después de la apertura del telón de acero técnica de accionamiento, Hall fue exportado al mundo y desarrollos occidental en Francia ( SNECMA ), Italia ( Sitael , ex Alta) y los EE.UU. ( Busek , Aerojet , JPL , NASA y los Laboratorios de Investigación de la Fuerza Aérea de los EE. UU. ) Lo hicieron en parte a aplicaciones de vuelo y marketing comercial. Con SMART-1 , el primer motor Hall europeo PPS 1350 se utilizó con éxito para una misión de vuelo en 2003 . El primer vuelo de prueba de una unidad Hall estadounidense (Busek) tuvo lugar en 2006, la primera aplicación de vuelo estadounidense con una unidad de este tipo (Aerojet) en 2010. En los países de habla alemana, la investigación sobre las unidades Hall se llevó a cabo en DLR Stuttgart en el 1960 y 1970, pero actualmente no se conocen actividades de investigación y desarrollo.

También en el este de Asia, especialmente en Japón, los impulsores Hall se han investigado y desarrollado desde la década de 1980. En 2012, China probó una unidad en el satélite de tecnología Shijian 9A , y Corea del Sur siguió en 2013 con una prueba en STSAT 3 y DubaiSat 2 .

La NASA financió el desarrollo de propulsores de efecto Hall de alto rendimiento en Aerojet Rocketdyne 2016-2019 con 67 millones de dólares estadounidenses.

Diseño y función

Al principio, diferentes grupos de investigación experimentaron con diseños similares, para los que se han establecido diferentes nombres:

  • Conducir con amplio canal de aceleración: engl. Propulsor de plasma estacionario (SPT), ruso стационарный плазменный двигатель (СПД). Los nombres alternativos son French Propulsion Plasmique Stationaire (PPS) o inglés. Tipo de capa magnética ( unidad de capa magnética alemana )
  • Conducir con canal de aceleración estrecho: engl. Propulsor con capa de ánodo (TAL), ruso двигатель с анодным слоем (ДАС)
Sección transversal a través de una unidad SPT Hall

Ambos tipos tienen en común un intersticio anular abierto por un lado, que en el TAL forma un ánodo hueco completamente metálico. En el SPT, el ánodo está limitado a la base del canal, mientras que las paredes laterales son de cerámica, p. B. de nitruro de boro . La elección del material es decisiva para la vida útil del motor. El gas que sirve como masa de soporte se dosifica en el fondo del canal. El canal está rodeado de forma concéntrica por un sistema de imanes, que a menudo está formado por bobinas, pero ocasionalmente también se utilizan imanes permanentes. El campo magnético penetra en el canal aproximadamente en dirección radial.

Los electrones se emiten desde un cátodo unido externamente . Debido a la carga espacial, siguen en gran medida el haz de iones y lo neutralizan. Una parte más pequeña es atraída hacia el ánodo por el voltaje de aceleración. El campo magnético los dirige en órbitas circulares en frente y en el canal, por lo que la velocidad orbital de los electrones se ajusta para que las fuerzas electrostática y de Lorentz se compensen entre sí (como con el efecto Hall , de ahí el nombre del motor). . El campo eléctrico existe entre el ánodo y la carga espacial de los electrones circulando. Por ionización por impacto, electrones e iones libres adicionales. Después de una pequeña caída en la dirección del ánodo, los electrones secundarios tienen una velocidad de órbita circular, y las pérdidas de energía de los electrones impactantes también se compensan con una deriva en la dirección del ánodo. El hecho de que la corriente de deriva sea relativamente baja es importante para la eficiencia energética del motor. La corriente de anillo mucho más alta es importante para la ionización más completa posible de la masa de soporte, porque cuando se opera en vacío, la densidad del gas es demasiado baja para que unos pocos iones puedan llevar el gas neutro a través de colisiones.

El campo eléctrico acelera los iones de forma axial fuera del espacio. Debido a su masa miles de veces mayor, su velocidad es mucho más lenta que la de los electrones, por lo que apenas afectan al campo magnético. Sin embargo, la velocidad de salida de 10 a 80 km / s es mucho mayor que con los motores químicos convencionales.

Muchos años de optimización han dado como resultado modelos de vuelo con eficiencias de empuje superiores al 50%, por lo que el uso de estos motores es tan atractivo. Ya se han alcanzado niveles de eficiencia de hasta el 75% en modelos experimentales.

literatura

  • Dan M. Goebel et al.: Fundamentos de la propulsión eléctrica: propulsores Ion y Hall. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .

enlaces web

Evidencia individual

  1. ^ Trabajos de la NASA para mejorar la propulsión eléctrica solar para la exploración del espacio profundo. NASA, 19 de abril de 2016, consultado el 27 de abril de 2016 .