Двигатели спутников могут стать намного мощнее

«Раньше люди думали, что можно пропустить только определенное количество тока через площадь двигателя, что, в свою очередь, напрямую переводится в то, сколько силы или тяги получится создать на единицу площади», — сказал Бенджамин Йорнс, доцент аэрокосмической техники Университета штата Массачусетс, возглавивший исследование нового Холловского двигателя.

Команда бросила вызов этому пределу, запустив двигатель на эффекте 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.

Назовется ли он теперь плазменным или ионным двигателем, электрический двигатель — лучший выбор для межпланетных путешествий, но наука находится на перепутье. Двигатели Холла являются хорошо зарекомендовавшей себя технологией, но 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 о сроке службы.

Считалось, что двигатели на эффекте 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 канала, (они получили название «циркулярная пила») сбивают электроны с атомов топлива и превращают их в положительно заряженные ионы. Но расчеты показали, что если двигатель Холла попытается прогнать больше топлива через двигатель, электроны, свистящие по кольцу, будут выбиты из формации, нарушив функцию «циркулярной пилы».

Кроме того, двигатель будет сильно нагреваться. Команда Йорнса проверила эти утверждения.

«Мы назвали наш двигатель H9 MUSCLE, потому что, по сути, взяли двигатель H9 и сделали из него маслкар, увеличив его мощность до «11» — на самом деле до сотни, если исходить из точного масштабирования», — сказала Линн Су, докторант в области аэрокосмической техники.

Они решили проблему перегрева, охладив его водой, что позволило 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 на эффекте Холла X3.

«Это своего рода сумасшедший результат, потому что, как правило, криптон работает намного хуже, чем ксенон, на Холловских двигателях. Так что очень круто и интересно увидеть, что мы можем улучшить производительность криптона по сравнению с ксеноном, увеличив плотность тока двигателя», — считает Су.

Двигатели Nested Hall, такие как X3, также частично разработанные Университетом штата Массачусетс, были исследованы для межпланетных грузовых перевозок, но они намного больше и тяжелее. Теперь обычные двигатели Холла снова используются для полетов с экипажем.

Йорнс говорит, что проблема 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 проблемы разработки движителей на эффекте Холла и магнитоплазмодинамических движителей на Земле, где лишь немногие объекты могут испытывать двигатели уровня миссии Марса. Количество топлива, выходящего из двигателя, поступает слишком быстро, чтобы вакуумные насосы могли поддерживать условия внутри испытательной камеры, похожие на космические.