A műholdakon használt plazmahajtóművek sokkal erősebbek lehetnek, mint azt korábban hitték

A műholdakon használt plazmatolók sokkal erősebbek lehetnek

A H9 MUSCLE Hall tológép plazmájának izzása kripton hajtóanyag teszt során. Kredit: Plazmadinamikai és Elektromos Propulziós Laboratórium

Úgy gondolták, hogy a Hall tolóhajtóműveknek, amelyek a pályán általánosan használt elektromos meghajtás hatékony típusai, nagyoknak kell lenniük ahhoz, hogy nagy tolóerőt fejtsenek ki. A Michigani Egyetem új tanulmánya azt sugallja, hogy a kisebb Hall tolómotorok sokkal nagyobb tolóerőt generálhatnak, ami potenciálisan bolygóközi küldetések jelöltjei lehetnek.

“Az emberek korábban azt hitték, hogy csak bizonyos mennyiségű energiát lehet átvinni egy tolóerő területén, ami viszont közvetlenül azt jelenti, hogy mekkora erőt vagy tolóerőt tudsz generálni egységnyi területen” – mondta Benjamin Jorns, az UM repülőgép-mérnöki docense. . vezette az új Hall thruster tanulmányt, amelyet ma az AIAA SciTech Forumon mutattak be a marylandi National Harborban.

Csapata megkérdőjelezte ezt a határt azzal, hogy egy Hall tolómotort 9 kilowattról 45 kilowattra üzemeltetett, megőrizve névleges hatásfoka körülbelül 80%-át. Ez közel 10-szeresére növelte az egységnyi területre jutó erőt.

Akár plazmahajtóműnek, akár ionhajtásnak nevezzük, az elektromos meghajtás a legjobb választásunk a bolygóközi utazáshoz, de a tudomány válaszúton van. Míg a Hall tolómotorok bevált technológiának számítanak, a magnetoplazma tolómotorként ismert alternatív koncepció azt ígéri, hogy sokkal nagyobb teljesítményt ad a kisebb motorokba. Azonban sok tekintetben nem bizonyítottak, beleértve a hosszú élettartamot is.

Úgy gondolták, hogy a Hall tológépek működésük miatt nem versenyezhetnek. A hajtóanyag, általában egy nemesgáz, mint például a xenon, egy hengeres csatornán halad keresztül, ahol erős elektromos tér gyorsítja. Tolóerőt generál előrefelé, amikor hátrafelé indul. De mielőtt a hajtóanyagot felgyorsíthatnák, el kell veszítenie néhány elektront, hogy pozitív töltésű legyen.






A mágneses tér által felgyorsított elektronok gyűrűznek a csatorna körül – amelyet Jorns “zümmögő fűrészként” írt le – leütik az elektronokat a hajtóanyag atomokról, pozitív töltésű ionokká alakítva azokat. A számítások azonban azt sugallták, hogy ha egy Hall tolómotor több hajtóanyagot próbálna átnyomni a motoron, a gyűrűbe süvítő elektronok kiesnének a formációból, lebontva ezt a „zúzófűrész” funkciót.

“Olyan ez, mintha többet próbálnál leharapni, mint amennyit meg tudsz rágni” – mondta Jorns. – A körfűrész nem tud átvágni annyi anyagon.

Ráadásul a motor rendkívül felforrósodik. Jorns csapata próbára tette ezeket a hiedelmeket.

“A tolómotorunkat H9 MUSCLE-nak neveztük el, mert lényegében vettük a H9 tolómotort, és izomautóvá alakítottuk úgy, hogy 11-esre forgattuk – egészen százig, ha pontosan skálázunk” – mondta Leanne Su, a PhD hallgató. repülőgépmérnök, aki bemutatja a tanulmányt.

A hőproblémát úgy oldották meg, hogy vízzel hűtötték, így láthatták, mekkora probléma lesz a körfűrész. Kiderült, hogy nem volt nagy baj. A xenonnal, a hagyományos hajtóanyaggal üzemelő H9 MUSCLE 37,5 kilowattig futott, körülbelül 49%-os összhatékonysággal, nem messze a 9 kilowattos tervezési teljesítmény 62%-os hatékonyságától.

Kriptonnal, egy könnyebb gázzal üzemelve elérték a maximális teljesítményüket, 45 kilowatttal. 51%-os összhatékonyságukkal elérték a maximális tolóerőt, körülbelül 1,8 Newtont, ami összehasonlítható a sokkal nagyobb, 100 kilowattos X3 Hall tolóerővel.

A műholdakon használt plazmatolók sokkal erősebbek lehetnek

Will Hurley doktorandusz elhagyja a szobát, ahol az új Hall Plasma Thrustert tesztelik a PEPL laborban. Köszönetnyilvánítás: Marcin Szczepanski/Michigan Engineering

“Ez egy kicsit őrült eredmény, mert a kripton jellemzően alulteljesíti a xenont a Hall tolómotorokon. Szóval nagyon klassz és érdekes út látni, hogy valóban javítani tudjuk a kripton teljesítményét a xenonhoz képest a tolómotor áramsűrűségének növelésével” mondott.

A szintén részben az UM által kifejlesztett Nested Hall tolómotorokat, például az X3-at, bolygóközi rakományszállításra tanulmányozták, de sokkal nagyobbak és nehezebbek, ami megnehezíti az emberek szállítását. Most a szokásos Hall tolómotorok ismét az asztalra kerültek a személyzeti utazáshoz.

Jorns szerint a hűtési problémára helyértékű megoldásra van szükség, ha a Hall tolómotorok ilyen nagy teljesítménnyel működnek. Ennek ellenére optimista, hogy az egyes tolómotorok 100-200 kilowatttal működhetnek, olyan tömbökbe rendezve, amelyek megawatt tolóerőt biztosítanak. Ez lehetővé tenné, hogy a legénységi küldetések elérjék a Marsot, még a nap túlsó oldalán is, 250 millió mérföldes távolságra.

A csapat abban reménykedik, hogy a hűtési problémát és a kihívásokat egyaránt megoldja a Hall tolómotorok és a magnetoplazma dinamikus tolómotorok fejlesztése során a Földön, ahol kevés létesítmény képes tesztelni a Mars-küldetés szintű tolómotorokat. A tolóerőből kilépő hajtóanyag mennyisége túl gyorsan jön ki ahhoz, hogy a vákuumszivattyúk a tesztkamra körülményeit tágasak legyenek.

Több információ:
Leanne L. Su és munkatársai: Mágnesesen árnyékolt csarnokhajtómű működése és teljesítménye ultranagy áramsűrűség mellett, AIAA SCITECH 2023 Fórum (2023). DOI: 10.2514/6.2023-0842

A Michigani Egyetem kínálta

Idézet: A műholdakon használt plazmahajtóművek sokkal erősebbek lehetnek, mint korábban hitték (2023, január 24.) Letöltve 2023. január 24-én a https://phys.org/news/2023-01-plasma-thrusters-satellites-power-previously webhelyről. html

Ez a dokumentum szerzői jogvédelem alatt áll. A magántanulmányi vagy kutatási célú tisztességes üzletmenet kivételével írásos engedély nélkül semmi más nem reprodukálható. A tartalom kizárólag tájékoztató jellegű.

Leave a Comment

%d bloggers like this: