"Раньше люди думали, что вы можете пропускать только определенное количество тока через область двигателя, что, в свою очередь, напрямую влияет на то, сколько силы или тяги вы можете генерировать на единицу площади", - сказал Бенджамин Джорнс, адъюнкт-профессор аэрокосмической инженерии Калифорнийского университета, который руководил новым исследованием двигателя Холла, чтобы быть представлен сегодня на форуме AIAA SciTech в Нэшнл-Харбор, штат Мэриленд.

Его команда преодолела этот предел, запустив 9-киловаттный двигатель Холла мощностью до 45 киловатт, сохранив примерно 80% его номинальной эффективности. Это увеличило величину силы, создаваемой на единицу площади, почти в 10 раз.

Назовем ли мы это плазменным двигателем или ионным двигателем, электрический двигатель - наш лучший выбор для межпланетных путешествий, но наука находится на перепутье. В то время как двигатели Холла являются хорошо зарекомендовавшей себя технологией, альтернативная концепция, известная как магнитоплазмодинамический двигатель, обещает обеспечить гораздо большую мощность в двигателях меньшего размера. Однако они еще не доказаны во многих отношениях, в том числе пожизненно.

Считалось, что двигатели Холла не могут конкурировать из-за того, как они работают. Пропеллент, обычно благородный газ, такой как ксенон, движется по цилиндрическому каналу, где он ускоряется мощным электрическим полем. Он создает тягу в прямом направлении, когда выходит из задней части. Но прежде чем топливо можно будет ускорить, оно должно потерять несколько электронов, чтобы придать ему положительный заряд.

Электроны, ускоряемые магнитным полем, чтобы пробежать по кольцу вокруг этого канала, описанного Джорнсом как "циркулярная пила", выбивают электроны из атомов топлива и превращают их в положительно заряженные ионы. Однако расчеты показали, что если двигатель Холла попытается прогнать через двигатель больше топлива, электроны, свистящие в кольце, будут выбиты из пласта, нарушая эту функцию "жужжащей пилы".

"Это все равно что пытаться откусить больше, чем ты можешь прожевать", - сказал Джорнс. "Циркулярная пила не может пройти через такое количество материала".

Кроме того, двигатель сильно нагрелся бы. Команда Джорнса подвергла эти убеждения испытанию.

"Мы назвали наш двигатель H9 MUSCLE, потому что, по сути, мы взяли двигатель H9 и сделали из него мускулкар, увеличив его до 11 - на самом деле до сотни, если придерживаться точного масштабирования", - сказала Лиэнн Су, докторант аэрокосмической инженерии, которая представит учеба.

Они решили проблему с нагревом, охладив его водой, что позволило им увидеть, насколько серьезной проблемой будет поломка циркулярной пилы. Оказывается, это не составило большого труда. Работающий на ксеноне, обычном топливе, H9 MUSCLE развивал мощность до 37,5 киловатт, при этом общий КПД составлял около 49%, что недалеко от 62% КПД при его расчетной мощности в 9 киловатт.

Работая на криптоне, более легком газе, они увеличили мощность до 45 киловатт. При общей эффективности 51% они достигли максимальной тяги около 1,8 Ньютона, что соответствует гораздо более мощному двигателю Холла класса X3 мощностью 100 киловатт.

"Это своего рода сумасшедший результат, потому что, как правило, криптон работает намного хуже, чем ксенон на двигателях Холла. Так что это очень круто и интересно - увидеть, что мы действительно можем улучшить характеристики криптона по сравнению с ксеноном, увеличив плотность тока двигателя", - сказал Су.

Вложенные двигатели Холла, такие как X3, также частично разработанные U-M, были исследованы для межпланетных грузовых перевозок, но они намного больше и тяжелее, что затрудняет транспортировку людей. Теперь обычные двигатели Холла снова доступны для полетов с экипажем.

Джорнс говорит, что проблема охлаждения потребует решения, достойного места, если двигатели Холла будут работать на таких высоких мощностях. Тем не менее, он оптимистично настроен в отношении того, что отдельные двигатели могут работать на 100-200 киловатт, объединенные в массивы, которые обеспечивают тягу в мегаватт. Это могло бы позволить миссиям с экипажем достичь Марса даже на дальней стороне Солнца, преодолев расстояние в 250 миллионов миль.

Команда надеется решить проблему охлаждения, а также проблемы при разработке двигателей Холла и магнитоплазмодинамических двигателей на Земле, где немногие объекты могут протестировать двигатели уровня миссии на Марсе. Количество топлива, выбрасываемого из двигателя, увеличивается слишком быстро, чтобы вакуумные насосы могли поддерживать условия внутри испытательной камеры подобными космическим.

Исследование было частично поддержано Объединенным институтом перспективных двигательных установок.