Миниатюрная система, работающая на плазме - состоянии вещества, состоящем из свободно плавающих электронов и атомных ядер, или ионов, - имеет диаметр чуть более дюйма и устраняет стенки вокруг плазменного топлива для создания инновационных конфигураций двигателей. Среди этих инноваций - цилиндрический двигатель Холла, впервые предложенный и изученный в PPPL, и полностью бесстенный двигатель Холла. Обе конфигурации уменьшают эрозию канала, вызванную взаимодействием плазмы со стенкой, что ограничивает срок службы двигателя - ключевая проблема для обычных кольцевых двигателей Холла и особенно для миниатюрных двигателей малой мощности для применения на небольших спутниках.

Широко изученный

Цилиндрические двигатели Холла были изобретены физиками PPPL Евгением Райтсесом и Натом Фишем в 1999 году и с тех пор изучались со студентами в лабораторном эксперименте Hall Thruster (HTX). Устройства PPPL также были изучены в таких странах, как Корея, Япония, Китай, Сингапур и Европейский союз, причем Корея и Сингапур рассматривают планы по их использованию.

В то время как двигатели Холла без стенок могут свести к минимуму эрозию канала, они сталкиваются с проблемой значительного расширения или расхождения потока плазменной тяги, что ухудшает производительность системы. Чтобы уменьшить эту проблему, PPPL внедрила ключевое новшество в свою новую систему без стенок в виде сегментированного электрода, концентрически соединенного носителя тока. По словам Райтсеса, это нововведение не только уменьшает расхождение и помогает усилить тягу ракеты, но также подавляет сбои в работе плазменных двигателей Холла небольшого размера, которые прерывают плавную подачу энергии.

Новые результаты завершают серию работ, которые Джейкоб Симмондс, аспирант факультета машиностроения и аэрокосмической инженерии Принстонского университета, опубликовал вместе с Райтсесом, его соавтором в докторантуре; физик PPPL Масааки Ямада выступает в качестве другого соавтора. "За последние два года мы опубликовали три статьи по новой физике плазменных двигателей, которые привели к созданию динамического двигателя, описанного в этой статье", - сказал Райтсес, который возглавляет исследования PPPL по физике низкотемпературной плазмы и HTX. "Это описывает новый эффект, который обещает новые разработки в этой области".

Применение сегментированных электродов в двигателях Холла не является чем-то новым. Райтсес и Фиш ранее использовали такие электроды для управления потоком плазмы в обычных кольцевых двигателях Холла. Но эффект, который Симмондс измерил и описал в недавней статье в Письма по прикладной физике намного прочнее и оказывает большее влияние на общую работу двигателя и его производительность.

Фокусировка шлейфа

Новое устройство помогает преодолеть проблему для двигателей Холла без стенок, которые позволяют плазменному топливу вылетать из ракеты под большими углами, внося незначительный вклад в тягу ракеты. "Короче говоря, бесстенные двигатели Холла, хотя и многообещающие, имеют несфокусированный шлейф из-за отсутствия стенок канала", - сказал Симмондс. "Поэтому нам нужно было найти способ сфокусировать шлейф, чтобы увеличить тягу и эффективность и сделать его лучшим общим двигателем для космических аппаратов".

Сегментированный электрод отводит часть электрического тока от стандартного высоковольтного электрода двигателя, формируя плазму и сужая и улучшая фокусировку струи. Электрод создает этот эффект, изменяя направления сил внутри плазмы, особенно сил, действующих на ионизированную ксеноновую плазму, которую система разгоняет для приведения ракеты в движение. Ионизация превратила газообразный ксенон, используемый в процессе, в свободно стоящие электроны и атомные ядра, или ионы.

Эти разработки увеличили плотность тяги за счет формирования большей ее части в уменьшенном объеме, что является ключевой целью для двигателей Холла. Дополнительным преимуществом сегментированного электрода стало уменьшение нестабильности плазмы, называемой колебаниями режима дыхания, "когда количество плазмы периодически увеличивается и уменьшается по мере изменения скорости ионизации со временем", - сказал Симмондс. Удивительно, добавил он, но сегментированный электрод заставил эти колебания исчезнуть. "Сегментированные электроды очень полезны для двигателей Холла по этим причинам", - сказал он.

Новая ракета с высокой плотностью тяги может быть особенно полезна для крошечных кубических спутников, или CubeSats. Масааки Ямада, соучредитель Симмондса, возглавляющий эксперимент по магнитному пересоединению (MRX), который изучает процессы, стоящие за солнечными вспышками, северным сиянием и другими космическими явлениями, предложил использовать систему сегментированных электродов без стенок для питания CubeSat. Симмондс и его команда студентов-старшекурсников, работающих под руководством проф. Дэниел Марлоу, профессор физики Эванса Кроуфорда 1911 года рождения в Принстоне, поддержал это предложение о разработке CubeSat и такой ракеты - проект, который был приостановлен почти до завершения пандемией COVID-19 и который может быть возобновлен в будущем.

Поддержка этой работы исходит от Управления науки Министерства образования США.