Как работает двигатель на эффекте Холла

При проектировании любого двигателя, главная задача — добиться минимального расхода топлива и увеличить коэффициент полезного действия. Статья даст описание, что такое двигатель на эффекте Холла. Будет дано описание этого устройства, принцип его работы и сфера использования.

Устройство

Двигатель на так называемом эффекте Холла — это ракетный электростатический механизм с высокими коэффициентом тяговой мощности.

Состоит устройство из следующих элементов:

1. Кольцевой камеры. Используется как камера для закачки рабочего тепла. В качестве теплоносителя может выступать ксенон.
2. Инжекционного контура. Используется для контроля и регулировки подачи ксенона в кольцевую камеру.
3. Анода и катода. Это источники электрического разряда для ионизации тепла в камере.
4. Постоянные магниты. Располагаются вокруг кольцевой камеры, создают магнитный поток для разгона ионов по осевому направлению.

Все элементы работают с большой эффективностью и позволяют создать максимальную тягу как во время разгона, так и при поддержании заданной скорости.

Принцип действия

Принцип работы ракетного двигателя на эффекте Холла следующий:

1. На катод и анод подается электрическое напряжение. Оно поддерживается на определенном уровне.
2. Магнитное поле, которое создается постоянным магнитом, образует катодную сетку. Она создается путем притягивания электронов, которые испускаются катодом к аноду, расположенному на другом конце кольцевой камеры.
3. В кольцевой канал подается рабочее вещество (ксенон).
4. Через ксенон пролетают ионизированные электроны от катода к аноду.
5. За счет взаимодействия электронов и рабочего тепла происходит образование плазмы.

Такое взаимодействие между электронами, магнитным полем и рабочим теплом приводит к следующим эффектам:

1. Электростатическое поле разгоняет ионы по осевому направлению.
2. Магнитная сила действует по радиальному направлению.
3. За счет эффекта Холла появляется ток в азимутальном направлении. Скрещенное электрическое и магнитное поле позволяет электронам дрейфовать в замкнутом контуре.

Все эти эффекты позволяют добиться ионизации ксенона, снизить плотность рабочего ионного тока, создать примерно равное соотношение между количеством используемого рабочего тепла и мощностью тяги двигателя.

Разновидности

Существует две основные разновидности движков на эффекте Холла: статичный и анодный. Далее будет дано описание каждого из них.

Статичный

Данный тип конструктивно отличается от стандартных двигателей, которые были произведены еще в 1972 году. Главные отличия в следующем:

1. Магнитное поле радиального типа наводится электромагнитами поперек основного кольцевого канала или сопла.
2. Возбуждение магнита производится за счет блока управления электрическим направленным током. Ток поступает к кольцевому каналу по специальным разрядникам.
3. Напряжение тока, протекающего через рабочее тепло (ксенон), достигает величины 300 вольт. При этом сохраняется разность потенциалов между током анода и катода.
4. Магнитное поле выступает в качестве своеобразного сопротивления, которое препятствует перетеканию заряженных электронов в катод.
5. Благодаря магнитному сопротивлению, электроны передвигаются через ксенон в электрическое поле, образуют плазму и выводятся через сопло, создавая при этом нужную тягу.

Такая реакция требует изоляции, в роли которой выступает изоляционный контур стенок кольцевого канала. Все созданные ионы ускоряются за счет электрического поля двигателя. При этом сохраняется свойственный эффекту Холла дрейф электронов по замкнутому, перпендикулярному к электрическому и магнитному полю направлению. Корпус статических двигателей цилиндрической формы. Благодаря этому обеспечивается точная направленность движения электронов к центру оси устройства. По Западной классификации, устройства статического типа классифицируются как Closed-Drift Thrusters.

Анодные двигатели или двигателя с анодным слоем (TAL)

Данный тип устройств отличается от ранее описанных тем, что у них изоляционные стенки отсутствуют. Такой вариант был обеспечен за счет того, что анод был вынесен к корпусу сопел. Это позволило:

1. Существенно сократить вес и объем двигателя.
2. Отказаться от изоляционных стенок.
3. Снизить эрозию и температуру двигателя.
4. Увеличить его мощность.

В западных странах такие двигателя с анодным покрытием имеют название Thruster with Anode Layer или сокращенно TAL.

Применение

Двигатели на эффекте Холла начали проектировать на территории СССР еще в 1972 г. В 1982 г. стартовало их серийное производство. Такие устройства используют чаще всего для целей навигации. Они отвечают за ориентацию космических аппаратов в пространстве. В космической отрасли есть три основных модели таких устройств:

1. SPT-100, а так же его ранние модификации SPT 60 и SPT 70. Применялись для вывода в космическое пространство советских спутников. На данный момент используется модифицированный аналог SPT 100 под названием SPT 140.
2. D-55 TAL. Используется для выведения на орбиту спутников связи.
3. T-100 NIITP’S. Также российская модификация более раннего SPT-100. Используется в качестве основного навигационного тягового двигателя для позиционирования спутников.

Несмотря на большое количество существующих моделей, общие характеристики у этих двигателей следующие:

1. Номинальная мощность 1400 Вт.
2. КПД 50 % от затраченной энергии.
3. Величина удельного импульса 1000 с.
4. Тяговая мощность 83 мН.

В качестве рабочего теплового вещества используется ксенон, а в более современных моделях криптон.

Заключение

Разработка современных двигателей на эффекте Холла позволяет значительно сократить расход топлива и отказаться от более массивных двигателей на керосине. Такой подход увеличивает КПД ракетных двигателей и позволяет значительно расширить возможности космических аппаратов.

Видео по теме