„Ludzie wcześniej myśleli, że można przepchnąć tylko określoną ilość prądu przez obszar pędnika, co z kolei przekłada się bezpośrednio na to, ile siły lub ciągu można uzyskać na jednostkę powierzchni” — powiedział Benjamin Jorns, profesor nadzwyczajny inżynierii lotniczej na UM, który przeprowadził nowe doświadczenie dotyczące pędnika strumieniowego Halla. Wyniki prac zostały zaprezentowane na konferencji AIAA SciTech Forum w National Harbor w stanie Maryland. Jego zespół rzucił wyzwanie temu ograniczeniu, uruchamiając 9-kilowatowy silnik Halla z mocami nawet do 45 kilowatów, utrzymując około 80% jego nominalnej sprawności. Zwiększyło to ilość siły generowanej na jednostkę powierzchni prawie 10-krotnie.
Niezależnie od tego, czy nazwiemy to napędem plazmowym, czy jonowym, to ten elektryczny jest naszym najlepszym rozwiązaniem w przypadku podróży międzyplanetarnych — ale nauka stoi na rozdrożu. Podczas gdy jednostki Halla są dobrze sprawdzoną technologią, alternatywna koncepcja, znana jako pędnik magnetoplazmadynamiczny, obiecuje upakowanie znacznie większej mocy w mniejszych silnikach. Jednak nie zostały one jeszcze fizycznie zrealizowane i szeroko przebadane, w tym nie określono, jak dotąd, czasu życia takiego narzędzia. Uważało się dotychczas, że pędniki Halla nie są w stanie z nimi konkurować ze względu na sposób ich działania. Materiał napędowy, zwykle jakiś gaz szlachetny, np. ksenon, porusza się przez cylindryczny kanał, w którym jest dynamizowany przez silne pole elektryczne. Generuje ciąg w kierunku przednim, gdy wypychany jest z tyłu. Jednak, zanim paliwo będzie mogło zostać przyspieszone, musi stracić trochę elektronów, aby można było nadać mu ładunek dodatni.
Elektrony zdynamizowane przez pole magnetyczne poruszają się po pierścieniu wokół tego kanału i wybijają te z atomów paliwa, a następnie zamieniają je w dodatnio naładowane jony. Jednak obliczenia sugerowały, że gdyby ster strumieniowy Halla próbował przepuścić przez silnik więcej paliwa, elektrony śmigające w pierścieniu zostałyby wyrzucone z tej formacji, uniemożliwiając jonizację gazu w kanale. „To tak, jakby usiłować odgryźć więcej, niż możesz przeżuć” — podsumowuje Jorns. „Silnik nie może 'przebić' się przez taką ilość materiału”. Ponadto taka jednostka stałaby się bardzo gorąca. Zespół Jornsa poddał te przekonania próbie.
„Nazwaliśmy nasze narzędzie H9 MUSCLE, ponieważ zasadniczo wzięliśmy pędnik H9 i zrobiliśmy z niego samochód typu muscle car, podkręcając go do '11', a tak naprawdę do stu, jeśli chodzi o dokładną skalę” — wskazała Leanne Su, doktorantka inżynierii lotniczej, która przedstawiała wyniki badań na konferencji.
Zespół poradził sobie z niedogodnościami termicznymi, schładzając silnik wodą, co pozwoliło im zobaczyć, jak dużym kłopotem będzie wysycenie elementów jonizujących paliwo. Okazało się, że nie było z tym większych problemów. Działając z ksenonem, konwencjonalnym paliwem napędowym, H9 MUSCLE osiągał moc do 37,5 kilowata, przy całkowitej sprawności około 49%. Co niewiele odbiegało od 62% operatywności przy mocy projektowej wynoszącej 9 kilowatów. Pracując z kryptonem, lżejszym gazem, dobito do maksymalnej mocy 45 kilowatów. Przy ogólnej sprawności 51% uzyskano maksymalny ciąg około 1,8 niutona, na równi ze znacznie większym pędnikiem Halla klasy X3, który projektowany jest na moc 100 kilowatów.
Doktorant Will Hurley opuszcza komorę, w której testowany jest nowy silnik plazmowy Hall w laboratorium PEPL.
„To trochę szalony wynik, ponieważ zazwyczaj krypton działa znacznie gorzej niż ksenon w silnikach Halla. To bardzo fajna i interesująca ścieżka rozwoju, aby zobaczyć, że możemy faktycznie poprawić wydajność kryptonu w stosunku do ksenonu poprzez zwiększenie gęstości prądu w sterach strumieniowych” — powiedziała Su. Zagnieżdżone pędniki typu Hall, takie jak X3 — również częściowo opracowane przez Uniwersytet w Michigan — były badane pod kątem międzyplanetarnego przemieszczania ładunków, ale są znacznie większe i cięższe, co utrudnia im transport ludzi. Teraz zwykłe silniki Halla wracają na stół w przypadku podróży z załogą.
Jorns mówi, że problem chłodzenia wymagałby rozwiązania godnego przestrzeni kosmicznej, jeśli silniki Halla mają pracować z tak dużymi mocami. Mimo to jest optymistą uważającym, że pojedyncze jednostki tego rodzaju mogą funkcjonować w zakresie od 100 do 200 kilowatów, ułożone w układy, które zapewniają sumaryczny ciąg o wartości megawata. Mogłoby to umożliwić misjom załogowym dotarcie do Marsa nawet po drugiej stronie Słońca, pokonując odległość 400 milionów kilometrów.
Zespół ma nadzieję zająć się kwestią chłodzenia, a także wyzwaniami związanymi z rozwojem zarówno silników odrzutowych Halla, jak i tych magnetoplazmadynamicznych na Ziemi, gdzie niewiele instytucji jest w stanie przetestować jednostki tego rodzaju w skali urządzeń rozważanych do misji marsjańskich. Ilość paliwa wydostającego się z pędnika jest zbyt duża, aby pompy próżniowe mogły utrzymać warunki w komorze testowej zbliżone do kosmicznych.
Źródło: https://phys.org/news/2023-01-plasma-thrusters-satellites-powerful-previously.html
Cool? Ranking DIY
