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.