Принцип действия двигателя X-3 основан на эффекте Холла, который возникает при воздействии магнитного поля на движущиеся заряженные частицы — к примеру, ионы газа. При этом ионы отклоняются от своей траектории, из-за чего возникает ток, перпендикулярный основному направлению. Это создает дополнительную тягу и позволяет достичь высокого расхода ксенона, который используется в качестве ионизированного газа.
Ионный двигатель диаметром один метр весит 227 килограммов и оснащён тремя каналами выхода плазмы, что позволяет уменьшить его габариты по сравнению с одноканальными двигателями. Работу Х-3 обеспечивает электрическая силовая установка XR-100, разработанная американской компанией Aerojet Rocketdyne. В процессе в вакуумной камере двигатель продемонстрировал мощность более 100 киловатт и тягу в 5,4 ньютона.
Для сравнения, другие образцы ионных двигателей на эффекте Холла развивали мощность не более пяти киловатт. Основным преимуществом таких двигателей является высокий удельный импульс — около 40 километров в секунду. Обычные ракеты на жидком топливе развивают лишь 5 километров в секунду. В результате тратится меньше топлива, но тяга невелика, поэтому ионные двигатели пока не могли преодолеть земное притяжение.
Специалисты NASA намерены продолжить испытания ионного двигателя Х-3 в будущем году. В ходе следующего этапа тестирования учёные собираются проверить выносливость двигателя, заставив его работать на полную мощность в течение 100 часов. Специально для данного эксперимента построят специальную магнитную экранирующую систему, которая защитит стенки ионного двигателя от раскалённой плазмы.
Ионный двигатель Холла
Ионныe двигатели Холла — это лишенные решетки ионные двигатели, которые производят тягу с помощью электростатического ускорения ионов из кольцевой камеры выпуска.
Важным преимуществом двигателей на эффекте Холла является отсутствие решетки, подвергающейся постоянной бомбардировке высокоэнергетичными ионами, вследствие чего происходит ее быстрая деградация. Что касается других характеристик ионных двигателей различной конструкции, то ситуация выглядит не столь очевидной. В общем, двигатели с решеткой позволяют получать больший удельный импульс и расходуют примерно в два раза меньше топлива (рабочего тела), чем двигатели Холла. Однако при этом двигатели Холла позволяют развить большую удельную тягу при одинаковом потреблении электроэнергии. Обе конструкции имеют свои достоинства и недостатки, и выбор предпочтительного варианта зависит в каждом случае от характера задач, стоящих перед аппаратом, и от его энергетических возможностей.
Существуют два типа двигателей на эффекте Холла — это статичный двигатель (Stationary Plasma Thruster (SPT)), разработанный Design Bureau Fakel (Калининград, Россия); и двигатель с анодным слоем (Thruster with Anode Layer (TAL)), разработанный Центральным Научно-Исследовательским Институтом Машиностроения (ЦНИИМАШ, Калининград).
Статичный двигатель (Stationary Plasma Thruster (SPT)).
Принципиальная схема статичного двигателя показана ниже. Радиальное магнитное поле с помощью электромагнитов установлено поперек главного кольцевого испускающего канала (сопла). Электромагнитное возбуждение создается отдельным блоком питания, либо с помощью тока разряда. Типичная разность потенциалов при разряде между катодом и анодом, проходящим через ксенон, впрыснутый и в полый катод, и в камеру разряда, составляет около 300 В. Радиальное магнитное поле предотвращает течение выпущенных с помощью термоэмиссии электронов непосредственно из полого катода к аноду. Это магнитное поле действует как сопротивление перетоку электронов к аноду, приводя к электрическому полю в плазме, которое перпендикулярно магнитному полю и выходит вовне из сопла двигателя. Изоляционные стенки предотвращают закорачивание электрического поля.
Ионы, созданные в камере выпуска электронной бомбардировкой, относительно незатронуты магнитным полем и ускорены электрическим полем . Дополнительные электроны, излучаемые катодом следуют за ускоренными ионами, предотвращая заряд корабля до большого отрицательного потенциала.
Электроны, движущиеся от катода к аноду в камере выпуска, делают это в области пересечения электрических и магнитных полей, что приводит к дрейфу (смещению) их в направлении. перпендикулярном обеим полям — электрическому и магнитному. Для цилиндрической геометрии двигателя это происходит в направлении центральной оси двигателя. Этот электронный дрейф называется также эффектом Холла, откуда и берет название двигатель. В западной литиратуре такие двигатели также иногда называют "closed-drift thrusters".
Двигатель с анодным слоем (Thruster with Anode Layer (TAL))
TAL отличается от статичного двигателя, в котором электрическое поле, произведенное сопротивлением магнитного поля устанавливается практически непосредственно перед анодом. Из-за этого в двигателе требуются изоляционные стенки. В TAL, чтобы преодолеть проблемы эрозии, анод установлен в конец сопел так, чтобы плазма, где создаются и ускоряются ионы, существовала по существу вне двигателя .Поэтому такой двигатель имеет превосходные характеристики эрозии, полученные при испытаниях в JPL. NASA.
| Ионный двигатель SMART-1 в работе |
 |
Три ионных двигателя Холла разработаны и используются в России: SPT-100, D-55 TAL и T-100 NIITP’S. Номинальная мощность этих двигателей 1400 Вт, КПД — 50%, удельный импульс 1600 с и тяга около 83 мН. Обширное испытание на износ проведенное Fakel показало успешную работу в течении 7000 часов, исследования JPL показали 6 000 часов работы и 7 000 циклов вкл/выкл.
В основном эти двигатели используются в качестве навигационных (двигатели SPT-60 использовались в 70-х годах на "Метеорах", SPT-70 на спутниках "Космос" и "Луч" в 80-х, SPT-100 в ряде спутников в 90-х). В начале 2004 года впервые двигатель Холла был использован в качестве основного на станции SMART-1 по исследованию Луны.
Ракета-носитель «Ариан 5» вывела SMART 1 на переходную геосинхронную орбиту с апогеем 35935 км (при расчетном значении 35873 км) и перигеем 649,5 км (при расчетном значении 648,7 км). Время работы ракеты-носителя составило 27 минут. Затем был включен ионный двигатель. На первом этапе полета он должен работать практически непрерывно в течение 80 дней, за исключением периодов, когда станция будет находиться в тени Земли. При этом перигей орбиты SMART 1 будет поднят до 20 тыс. км., а затем и апогей. Когда он достигнет 200 тыс. км., станция начнет испытывать ощутимое гравитационное воздействие Луны. Гравитационные маневры будут осуществляться в конце декабря 2004 года, а затем в январе и феврале 2005 г. В конечном итоге в марте 2005 SMART 1 выйдет на орбиту вокруг Луны, а с апреля 2005 аппарат приступит к выполнению своей научной программы.
Холловский двигатель (двигатель на основе эффекта Холла).
Холловский двигатель (двигатель на основе эффекта Холла) является одной из разновидностей электростатического ракетного двигателя. Он позволяет получить более высокую плотность тяги, более высокие значения расхода рабочего тела, и, как следствие, более высокую тягу двигателя, чем ионный двигатель.
Устройство и принцип работы холловского двигателя:
Холловский двигатель ( двигатель на основе эффекта Холла) – это одна разновидностей электростатического ракетного двигателя , в котором используется эффект Холла. Двигатели на основе эффекта Холла используются на космических аппаратах с 1972 года.
В основе принципа работы данного двигателя лежит эффект Холла, открытый в 1879 г. Эдвином Холлом (Edwin H. Hall). Он заключается в том, что в проводнике, в котором созданы взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, возникает электрический ток (называемый холловским) в направлении, перпендикулярном обоим этим полям. Иными словами, если электрическое и магнитное поля имеют направления соответственно по осям X и Y, то электрический (холловский) ток имеет направление вдоль оси Z.
Холловский двигатель состоит из кольцевой камеры. Иными словами, камера двигателя выполнена в форме кольца (цилиндра). С одной стороны в камеру подаётся рабочее тело, с другой стороны происходит истекание плазмы. Внутри двигателя располагается анод (положительный электрод), катод (отрицательный электрод) расположен снаружи двигателя . По внешней стороне кольца располагаются магниты.
Между анодом и катодом создается разность потенциалов. В кольцевую камеру подаётся рабочее тело (например, ксенон ). Разряд между анодом и катодом ионизирует рабочее тело, отрывая электроны от нейтральных атомов газа. Под действием электростатического поля положительные ионы газа (плазма) разгоняются в осевом направлении – в направлении выходного отверстия цилиндрического двигателя . На выходе из двигателя происходит нейтрализация положительного заряда плазмы электронами, эмитируемыми с катода. Истечение положительных ионов из выходного отверстия создает тягу.
В радиальном направлении действует магнитная сила, которая в соответствии с эффектом Холла приводит к появлению электрического тока, движущегося в азимутальном направлении (т.е. вокруг центрального электрода, оси двигателя ). Холловский ток создается движением электронов в электрическом и магнитном полях.
В холловском двигателе тяга создается также с помощью холловского тока, пересекающего радиальное магнитное поле. Их взаимодействие заставляет электроны обращаться вокруг оси двигателя . Эти электроны выбивают электроны из атомов ксенона, создавая ионы ксенона, которые осевое электрическое поле ускоряет в направлении выходного отверстия двигателя . Электроны холловского тока под действием силы Лоренца (возникающей в результате взаимодействия приложенного радиального магнитного поля с электрическим холловским током) создают дополнительную тягу и вырываются наружу в выходное отверстие вместе с положительными ионами.
Двигатель на основе эффекта Холла позволяет получить более высокую плотность тяги, более высокие значения расхода рабочего тела, и, как следствие, более высокую тягу двигателя , чем ионный двигатель , поскольку в истекающем потоке содержатся и положительные ионы, и электроны, что предотвращает накопление объемного заряда, уменьшающего напряженность ускоряющего электрического поля.
В зависимости от располагаемой мощности скорости истечения рабочего тела могут составлять от 10 до 50 км/с.
Схема холловского двигателя:
Рис. 1. Устройство холловского двигателя
