Hall-stasjon

Utvalg av russiske hallstasjoner
American Hall-stasjon i drift (Xenon)

En Hall-stasjon eller Hall-effekt-driv ( engelsk Hall-effekt Thruster , Hall Thruster ) er et ion thruster i hvilket et magnetfelt øker effektiviteten ved å hindre at elektronene fra å nå den anoden . Med denne typen ionekilde er høy trykkeffektivitet og lang levetid mulig, selv med høy effekt opp til 100 kW-området. For de thrusterne som tidligere ble brukt på romfartøy , var det imidlertid bare noen få 100 til 1000  W som var tilgjengelige, noe som resulterer i trykkrefter på 10 til 100  mN .

Som med andre ionepropellere brukes xenon vanligvis som en støttemasse , hvis positive ioner akselereres til hastigheter mellom 10 og 80 km / s av et elektrisk felt .

historie

Forskning og utvikling av ionedrivere går tilbake til 1960-tallet, spesielt i USA og Sovjetunionen. Mens eksperimenter ble utført med gridionkilder i USA , brakte det Kaliningrad-baserte selskapet FAKEL Hall-effekt-stasjonen til det punktet der den var klar for flyging. Siden den vellykkede første gangs bruk i 1971 på METEOR- satellitten , har mer enn 50 satellitter blitt utstyrt med stasjoner fra FAKEL.

Under den kalde krigen, men spesielt etter åpningen av jernteppet , ble Hall drive-teknologi eksportert til den vestlige verden og utviklingen i Frankrike ( SNECMA ), Italia ( Sitael , tidligere Alta) og USA ( Busek , Aerojet , JPL , NASA og US Air Force Research Laboratories ) gjorde det delvis til flysøknad og kommersiell markedsføring. Med SMART-1 ble den første europeiske hallstasjonen PPS 1350 vellykket brukt til et flyoppdrag i 2003 . Den første testflyvningen til en amerikansk Hall-stasjon (Busek) fant sted i 2006, den første amerikanske flysøknaden med en slik kjøretur (Aerojet) i 2010. I tysktalende land ble det utført forskning på Hall-stasjoner ved DLR Stuttgart i 1960- og 1970-tallet, men dette er ingen kjente forsknings- og utviklingsaktiviteter.

Også i Øst-Asia, spesielt i Japan, har Hall-stasjoner blitt undersøkt og utviklet siden 1980-tallet. I 2012 testet Kina en kjøretur på Shijian 9A- teknologisatellitten , og Sør-Korea fulgte i 2013 med en testkjøring på STSAT 3 og DubaiSat 2 .

Den NASA finansiert utviklingen av høy ytelse Hall effekt thrustere på Aerojet Rocket 2016-2019 med 67 millioner amerikanske dollar.

Oppsett og funksjon

I begynnelsen eksperimenterte forskjellige forskningsgrupper med lignende design, som forskjellige navn er etablert for:

  • Kjør med bred akselerasjonskanal: engl. Stationary Plasma Thruster (SPT), russisk стационарный плазменный двигатель (СПД). Alternative navn er fransk fremdrift Plasmique Stationaire (PPS) eller engelsk. Magnetisk lagstype (tysk magnetisk lagstasjon )
  • Kjør med smal akselerasjonskanal: engl. Thruster med anodelag (TAL), russisk двигатель с анодным слоем (ДАС)
Tverrsnitt gjennom en SPT Hall-stasjon

Begge typene har til felles et ringformet gap som er åpent på den ene siden, som i TAL danner en helt metallisk hul anode. I SPT er anoden begrenset til kanalbunnen, mens sideveggene er keramiske, f.eks. B. fra bornitrid . Valg av materiale er avgjørende for motorens levetid. Gassen som fungerer som en støttemasse blir målt inn i bunnen av kanalen. Kanalen er omgitt konsentrisk av et magnetsystem, som ofte dannes av spoler, men permanente magneter brukes også av og til. Magnetfeltet trenger inn i kanalen omtrent i radiell retning.

Elektroner sendes ut fra en eksternt festet katode . På grunn av romladningen følger de i stor grad ionestrålen og nøytraliserer den. En mindre del trekkes mot anoden av den akselererende spenningen. Magnetfeltet leder dem på sirkulære baner foran og i kanalen, hvor elektronens orbitale hastighet justeres slik at de elektrostatiske og Lorentz- kreftene bare kompenserer hverandre (som med Hall-effekten , derav navnet på motoren) . Det elektriske feltet eksisterer mellom anoden og romladningen til de sirkulerende elektronene. Ved støt ionisering ekstra frie elektroner og ioner. Etter et kort fall i retning av anoden, har sekundærelektronene en sirkulær banehastighet, og energitapene til de påvirkende elektronene kompenseres også for av en drift i retning av anoden. Det faktum at drivstrømmen er relativt lav er viktig for motorens energieffektivitet. Den mye høyere ringstrømmen er viktig for en mest mulig fullstendig ionisering av støttemassen, fordi når man opererer i vakuum, er gasstettheten for lav til at noen få ioner kan føre den nøytrale gassen gjennom kollisjoner.

Det elektriske feltet akselererer ionene aksialt ut av gapet. På grunn av massen tusenvis av ganger høyere er hastigheten mye langsommere enn elektronenes hastighet, slik at de knapt påvirker magnetfeltet. Likevel er utgangshastigheten på 10 til 80 km / s langt høyere enn med konvensjonelle kjemiske motorer.

Mange års optimalisering har resultert i flymodeller med trykkeffektivitet på over 50%, og det er grunnen til at bruken av disse motorene er så attraktiv. Effektivitetsnivåer på opptil 75% er allerede oppnådd i eksperimentelle modeller.

litteratur

  • Dan M. Goebel et al.: Grunnleggende om elektrisk fremdrift - Ion- og Hall-thrustere. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .

weblenker

Individuelle bevis

  1. ^ NASA arbeider for å forbedre solenergi fremdrift for Deep Space Exploration. NASA, 19. april 2016, åpnet 27. april 2016 .