Palydovuose naudojami plazminiai varikliai gali būti daug galingesni, nei manyta anksčiau


Palydovuose naudojami plazminiai varikliai galėtų būti daug galingesni

Plazmos švytėjimas iš H9 MUSCLE Hall privairavimo įrenginio bandymo su kriptono raketiniu kuru metu. Kreditas: Plazmadinaminės ir elektros varomosios jėgos laboratorija

Buvo manoma, kad Holo varikliai, efektyvi elektrinė varomoji jėga, plačiai naudojama orbitoje, turi būti dideli, kad sukurtų didelę trauką. Dabar naujas Mičigano universiteto tyrimas rodo, kad mažesni Hall varikliai gali sukurti daug daugiau traukos, todėl jie gali tapti kandidatais į tarpplanetines misijas.

„Žmonės anksčiau manė, kad per privairavimo zoną galite stumti tik tam tikrą srovės kiekį, o tai savo ruožtu tiesiogiai reiškia, kiek jėgos ar traukos galite sukurti ploto vienetui“, – sakė Benjaminas Jornsas, UM docentas. aviacijos ir kosmoso inžinerija kuris vadovavo naujajam Hall varikliuko tyrimui, kuris bus pristatytas AIAA SciTech forumas Nacionaliniame uoste, Merilando valstijoje, šiandien.

Jo komanda metė iššūkį šiai ribai, paleisdama 9 kilovatų „Hall“ variklį iki 45 kilovatų, išlaikydama maždaug 80% vardinio efektyvumo. Tai padidino jėgos, sukuriamos ploto vienetui, kiekį beveik 10 kartų.

Nesvarbu, ar tai vadiname a plazminis variklis arba jonų pavara, elektrinis variklis yra geriausias pasirinkimas tarpplanetinėms kelionėms, tačiau mokslas yra kryžkelėje. Nors „Hall“ varikliai yra gerai pasiteisinusi technologija, alternatyvi koncepcija, žinoma kaip magnetoplazmadinaminis variklis, žada supakuoti daug daugiau galios į mažesnius variklius. Tačiau jie vis dar nėra įrodyti daugeliu atžvilgių, įskaitant visą gyvenimą.

Manoma, kad salės varikliai negali konkuruoti dėl savo veikimo. The propelentaspaprastai a tauriųjų dujų kaip ir ksenonas, juda cilindriniu kanalu, kur jį pagreitina galingas elektrinis laukas. Jis sukuria trauką į priekį, kai išeina iš galo. Tačiau prieš pagreitinant raketinį kurą, jis turi prarasti kai kuriuos elektronus, kad suteiktų teigiamą krūvį.






Elektronai, pagreitinti a magnetinis laukas bėgti žiedu aplink tą kanalą – kurį Jornsas apibūdino kaip „smūginį pjūklą“ – numuša elektronus nuo raketinio kuro atomų ir paverčia juos teigiamai įkrautais jonais. Tačiau skaičiavimai rodo, kad jei Holo variklis bandytų per variklį varyti daugiau raketinio kuro, žiedu švilpiantys elektronai būtų išmušti iš darinio ir sugadintų tą „pjūklo“ funkciją.

„Tai tarsi bandymas nukąsti daugiau, nei gali sukramtyti“, – sakė Jornsas. „Pjūklas nepatenka per tiek daug medžiagos“.

Be to, variklis labai įkais. Jornso komanda išbandė šiuos įsitikinimus.

„Savo variklį pavadinome H9 MUSCLE, nes iš esmės paėmėme H9 variklį ir padarėme iš jo lengvąjį automobilį, pasukdami jį iki „11“ – tikrai iki šimto, jei norime tiksliai nustatyti mastelį“, – sakė jis. Leanne Su, aerokosminės inžinerijos doktorantė, kuri pristatys tyrimą.

Šilumos problemą jie išsprendė vėsindami vandeniu, o tai leido jiems pamatyti, kokia didelė problema bus sugedus pjūklui. Pasirodo, tai nebuvo daug vargo. Varomas su ksenonu, įprastu raketiniu kuru, H9 MUSCLE veikė iki 37,5 kilovatų, o bendras efektyvumas siekė apie 49 %, o jo projektinė 9 kilovatų galia – nedaug nuo 62 % efektyvumo.

Vartodami su kriptonu, lengvesnėmis dujomis, jie išnaudojo 45 kilovatus. Esant bendram 51 % efektyvumui, jie pasiekė savo maksimalią maždaug 1,8 niutono trauką, lygiavertę daug didesniam 100 kilovatų klasės X3 Hall varikliui.

Palydovuose naudojami plazminiai varikliai galėtų būti daug galingesni

Doktorantas Willas Hurley palieka kamerą, kurioje PEPL laboratorijoje išbandomas naujas Hall plazmos privairavimas. Kreditas: Marcin Szczepanski / Michigan Engineering

“Tai savotiškas beprotiškas rezultatas, nes paprastai kriptonas veikia daug blogiau nei ksenonas su Hall privairavimo įrenginiais. Taigi labai šaunu ir įdomus kelias į priekį, kad pamatytume, kad iš tikrųjų galime pagerinti kriptono našumą, palyginti su ksenonu, padidindami sraigtą. srovės tankis“, – sakė Su.

Tarpplanetiniams kroviniams gabenti buvo ištirti „Neted Hall“ privairavimo įrenginiai, tokie kaip X3, kuriuos taip pat iš dalies sukūrė UM, tačiau jie yra daug didesni ir sunkesni, todėl jiems sunku gabenti žmones. Dabar įprasti „Hall“ varikliai grįžta į įgulos kelionių stalą.

Jornsas teigia, kad aušinimo problemai reikia išspręsti erdvę, kurioje būtų pakankamai vietos, jei „Hall“ varikliai veiktų tokiomis didelėmis galiomis. Vis dėlto jis yra optimistiškai nusiteikęs, kad atskiri varikliai galėtų veikti 100–200 kilovatų galia, suskirstyti į matricas, kurios užtikrina megavatų vertės trauką. Tai leistų įguloms sudarytoms misijoms pasiekti Marsą net tolimoje saulės pusėje, nukeliaudamos 250 milijonų mylių.

Komanda tikisi išspręsti aušinimo problemą, taip pat iššūkius kuriant ir Holo, ir magnetoplazmadinamines privairavimo jėgaines Žemėje, kur tik nedaugelis įrenginių gali išbandyti Marso misijos lygio privariklius. Kuro kuro kiekis, išleidžiamas iš variklis ateina per greitai, kad vakuuminiai siurbliai išlaikytų panašias sąlygas bandymo kameroje.

Daugiau informacijos:
Leanne L. Su ir kt., Magnetiniu būdu ekranuoto salės variklio veikimas ir veikimas esant itin dideliam srovės tankiui, AIAA SCITECH 2023 forumas (2023). DOI: 10.2514/6.2023-0842

Citata: palydovuose naudojami plazminiai varikliai gali būti daug galingesni, nei manyta anksčiau (2023 m. sausio 24 d.), gauta 2023 m. sausio 24 d. iš https://phys.org/news/2023-01-plasma-thrusters-satellites-powerful-previously.html

Šis dokumentas yra saugomas autorių teisių. Išskyrus bet kokius sąžiningus sandorius privačių studijų ar mokslinių tyrimų tikslais, jokia dalis negali būti atkuriama be raštiško leidimo. Turinys pateikiamas tik informaciniais tikslais.