Anksčiau manyta, kad norint sukurti didelę stūmą orbitos redagavimui plačiai naudojamais elektrinės stūmos varikliais, kuriuose naudojamas Hallo efektas (HET), jie turi būti dideli. Nauja Mičigano universiteto studija rodo, kad mažesni HET gali sukurti daug daugiau stūmos — potencialiai jie tampa kandidatais tarpplanetinėms misijoms.

„Anksčiau galvojome, kad per variklio plotą galima leisti tik tam tikrą srovę, kas tiesiogiai reiškia, kokią jėgą ar srautą galima sukurti iš ploto vieneto,“ sako Benjamin Jorns, aerokosminės inžinerijos U-M asocijuotasis profesorius, vadovaujantis naujam HET tyrimui, kuris pristatytas AIAA SciTech Forume, Marylande.

Jo komanda peržengė šią ribą, 9 kilovatų HET galią padidindama iki 45 kilovatų, išlaikydama apie 80% jo nominalaus efektyvumo. Iš ploto vieneto kuriama galia padidėjo beveik 10 kartų.

Kaip tai bevadintume, – plazmos varikliu ar jonų varytuvu, tačiau elektrinė vara tarpplanetinėms kelionėms tinka geriausiai, tačiau mokslas atsidūrė kryžkelėje. Nors Hallo efektą naudojantys varikliai yra gerai ištirta technologija, alternatyvi, magnetoplazmadinaminio variklio koncepcija mažuose varikliuose sutalpina daug daugiau galios. Tačiau jie kol kas nėra ištirta daugelis jų aspektų – tarp kurių ir veikimo trukmė.

Manyta, kad dėl savo veikimo principo, Hallo efekto varikliai nekonkurencingi. Juose darbinis kūnas, įprastai inertinės dujos, ksenonas, juda cilindrišku kanalu, kuriame jas greitina galingas elektros laukas. Trauka į priekį atsiranda, dujoms lekiant priešinga kryptimi. Bet prieš įgreitinant darbinį kūną, jis turi netekti elektronų ir tapti teigiamais jonais.

Magnetiniu lauku įgreitinti ratu skrieti aplink šį kanalą elektronai — Jornsas pavadino juos „diskiniu pjūklu“ — išmuša elektronus iš darbinio kūno atomų ir paverčia juos teigiamais jonais. Tačiau skaičiavimai rodė, kad jeigu HET būtų bandoma per variklį praleisti daugiau darbinio kūno, ratu besisukančių elektronų formacija suirtų ir „diskinio pjūklo“ funkcijos nebeatliktų.

„Tai lyg bandymas atkąsti daugiau, nei galite sukramtyti,“ palygino Jornsas. „Diskinis pjūklas neprasibrautų per tiek medžiagos.“

Be to, variklis smarkiai įkaistų. Jornso komanda ėmėsi šiuos įsitikinimus tikrinti.

„Savo variklį pavadinome H9 MUSCLE, nes iš esmė, paėmėme H9 variklį ir sukūrėme musclecarą, užsukdami jį iki '11'— iš tiesų, tai iki 100, jei tiksliau,“ sakė Leanne Su, tyrimą pristačiusi aerokosminės inžinerijos doktorantė.

Karščio problemą jie išsprendė, aušindami vandeniu, ir galėjo išvysti, kokias problemas kelia diskinio pjūklo suirimas. Pasirodo, praktiškai jokių. Naudodamas įprastą ksenono darbinį kūną, H9 MUSCLE pasiekė 37,5 kW galią, o vidutinis 49% efektyvumas nedaug atsiliko nuo standartinio, 9 kW galios dizaino 62% efektyvumo.

Naudojant lengvesnes kriptono dujas, jiems pavyko pasiekti didžiausią, 45 kW galią. Vidutiniu 51% efektyvumu jiems pavyko pasiekti didžiausią, 1,8 niutonų trauką, prilygstančią sukuriamai daug didesniu, 100 kilovatų klasės X3 Hall varikliu.

„Tai beprotiškas rezultatas, nes įprastai Hallo varikliai su kriptonu veikia daug blogiau nei su ksenonu. Tad, labai šaunu ir įdomu matyti, kad iš tiesų galime pagerinti kriptono veikimą, lyginant su ksenono, padidindami variklio srovės tankį,“ pastebi Su.

Apjungtų HET, tokių kaip X3 — prie jų vystymo U-M irgi prisidėjo — panaudojimas tarpplanetiniam transportui irgi buvo tirtas, bet jie daug didesni ir sunkesni, tad gabenti jai žmones sudėtinga. O dabar įprasti HET vėl grįžta kaip pilotuojamų skrydžių variklių galimybė.

Jornsas sako, kad jeigu Hallo varikliai bus naudojami tokia galia, jų aušinimo problemai teks rasti kosminį sprendimą. Tačiau jis lieka optimistiškas, kad atskiri varikliai gali veikti, naudodami 100 – 200 kilovatų, išdėlioti į megavato galios masyvą. Taip pilotuojamos misijos galėtų pasiekti Marsą net ir kitoje Saulės pusėje, kai iki jo būna 400 milijonų kilometrų.

Komanda viliasi išspręsti aušinimo problemą bei Hallo efektą naudojančių ir magnetoplazmadinaminių variklių kūrimo iššūkius Žemėje, kur mažai Marso misijos lygio variklius galinčių išbandyti laboratorijų. Iš variklių darbinis kūnas srūva pernelyg greitai, kad vakuumo pompos galėtų palaikyti kosmoso aplinkos sąlygas bandymo kameroje.

Kate McAlpine, University of Michigan
phys.org

Daugiau informacijos:Leanne L. Su et al, Operation and Performance of a Magnetically Shielded Hall Thruster at Ultrahigh Current Densities, AIAA SCITECH 2023 Forum (2023). DOI: 10.2514/6.2023-0842
Provided by University of Michigan

Komentarai ()