Silnik Halla

Silnik Halla jest to jeden z rodzajów silnika jonowego, w którym jony gazu są przyspieszane polem elektrycznym. Silniki tego typu są wykorzystywane do podtrzymywania właściwej orbity satelitów, zmiany orbity oraz do eksploracji kosmosu. Przykładem jego zastosowania był silnik PPS 1350-G wykorzystany do napędzania sondy SMART-1[1] o impulsie właściwym równym 1640 sekundom. Silnik Halla wykorzystuje zjawisko Halla.

Schemat silnika Halla

Budowa i zasada działaniaEdytuj

Schemat zamieszczony obok przedstawia przekrój osiowy silnika. Zasadniczym elementem silnika jest komora w kształcie pierścienia (może być to również komora cylindryczna). Na dnie komory znajduje się anoda będąca często również dystrybutorem gazu. Paliwo przedostaje się do komory silnika ze zbiornika przez otwory w anodzie o dowolnym kształcie (czasem anoda jest wykonywana z materiałów porowatych). Silniki tego typu używane w przestrzeni kosmicznej są zasilane praktycznie tylko ksenonem ze względu na to, że jest nieaktywny chemicznie w otoczeniu wody i tlenu, ma dosyć dużą masę atomową, niską energię jonizacji oraz duży przekrój czynny jonizacji. Atomy ksenonu ulegają jonizacji w wyniku zderzeń z elektronami już o energii 12 eV[2]. Innymi paliwami rozważanymi do użycia w tego typu silnikach są krypton, argon, cez, bizmut, magnez, cynk, a ostatnio prowadzone są prace mające na celu sprawdzić możliwość użycia azotu i tlenu cząsteczkowego[3], co byłoby niewątpliwym plusem do zastosowania silników Halla na niskich orbitach LEO ze względu na taki właśnie skład atmosfery na wysokości 250 km.

Między anodą a znajdującą się na zewnątrz katodą przyłożone jest stałe napięcie elektryczne o wartości z przedziału 200-500 V, a w specyficznych zastosowaniach może to być nawet 600 V. Napięcie to przyspiesza jony w kierunku wylotu.

Elektromagnesy lub magnesy stałe wewnętrzne, zewnętrzne oraz ekrany magnetyczne kształtują pole magnetyczne tak, by było radialne (prostopadłe do cylindrycznych ścian komory i do pola elektrycznego). Pole magnetyczne praktycznie nie wpływa na ruch jonów ze względu na ich dużą masę, ale wpływa znacznie na tor ruchu elektronów. Elektrony w komorze poruszają się po liniach pola magnetycznego wykonując ruch dookoła takich linii. Z tego powodu elektrony nie podążają wprost do anody, lecz krążą przez dłuższy czas w komorze, w wyniku czego w komorze znajduje się duża liczba elektronów o energii dostatecznej do jonizacji gazu.

Wyrzucane na zewnątrz jony są neutralizowane elektronami z katody, aby przeciwdziałać elektryzowaniu oraz zapewnić dobrą zbieżność wylatujących jonów, tak by nie uszkadzały elementów satelity czy sondy kosmicznej. W przypadku braku neutralizacji jony wylatujące z silnika działałyby na siebie nawzajem z bardzo dużymi siłami elektrostatycznymi, powodując skierowanie części jonów z powrotem do silnika.

Cylindryczny silnik HallaEdytuj

Standardowe silniki Halla z toroidalnym kanałem, które mają dużą sprawność w zakresie kilowatowym, dla małych mocy przestają być wydajne. To sprawiło, że zostały zaprojektowane silniki o cylindrycznym kanale wyładowania, który umożliwia pozostawanie w zakresie wysokich sprawności[4].

PrzypisyEdytuj

  1. Strona na temat silnika Halla PPS-1350
  2. Zbiór przekrojów czynnych dla różnych gazów stworzony przez A. V. Phelps
  3. L. Garrigues, Study of a Hall effect thruster working with ambient atmospheric gas as propellant for low earth orbit missions, „Proc. 32nd International Electric Propulsion Conference” (No. 11-142), Wiesbaden, Germany: The Electric Rocket Propulsion Society, 2011.
  4. Y. Raitses, N.J. Fisch, Parametric Investigations of a Nonconventional Hall Thruster, „Physics of Plasmas”, 8 (5), 2001, s. 2579, DOI10.1063/1.1355318.