Plasmapropeller som används på satelliter kan vara mycket kraftfullare än man tidigare trott

Plasma-propeller som används på satelliter kan vara mycket kraftfullare

Plasmaglöd från H9 MUSCLE Hall thruster när den testades med en krypton thruster. Kredit: Plasmadynamics and Electric Propulsion Laboratory

Man trodde att Hall-propeller, en effektiv typ av elektrisk framdrivning som ofta används i omloppsbana, måste vara stora för att producera mycket dragkraft. Nu tyder en ny studie från University of Michigan på att mindre Hall-propeller kan generera betydligt mer dragkraft, vilket potentiellt gör dem till kandidater för interplanetära uppdrag.

“Folk brukade tro att du bara kunde trycka en viss mängd ström genom ett propellerområde, vilket direkt översätts till hur mycket kraft eller drivkraft du kan generera per ytenhet,” sa Benjamin.Jorns, UM-docent. flyg-och rymdteknik som ledde den nya studien av Hall-propellern som kommer att presenteras på AIAA SciTech Forum i National Harbor, Maryland, idag.

Hans team utmanade denna gräns genom att köra en Hallpropeller på 9 kilowatt upp till 45 kilowatt, vilket bibehöll cirka 80 % av dess nominella effektivitet. Detta ökade mängden kraft som genererades per ytenhet med nästan en faktor 10.

Låt det kallas a plasma thruster eller en jonmotor, elektrisk framdrivning är vårt bästa val för interplanetära resor, men vetenskapen står vid ett vägskäl. Medan Hall-propeller är beprövad teknologi, lovar ett alternativt koncept, känt som den magnetoplasmadynamic thrustern, att leverera betydligt mer kraft i mindre motorer. Men de har ännu inte visat sig i många avseenden, inklusive livslängd.

Man trodde att Hall-propeller inte kunde tävla på grund av deras funktionssätt. De drivmedeltypiskt a ädelgas som xenon, rör sig genom en cylindrisk kanal där den accelereras av ett starkt elektriskt fält. Den genererar dragkraft framåt när den går bakåt. Men innan thrustern kan accelereras måste den förlora några elektroner för att ge den en positiv laddning.






Elektroner accelererade med a magnetiskt fält springer i en ring runt den här kanalen – beskriven som en “surrsåg” av Jorns – slår elektroner bort från drivmedelsatomerna och förvandlar dem till positivt laddade joner. Men beräkningar antydde att om en Hall-propeller försökte driva mer drivmedel genom motorn, skulle elektroner som visslade i en ring blåsas ut ur formationen, vilket bryter denna “brumsåg”-funktion.

“Det är som att försöka bita av mer än man kan tugga”, sa Jorns. “Stigsågen kan inte skära sig igenom så mycket material.”

Dessutom skulle motorn bli extremt varm. Jorns-teamet satte dessa övertygelser på prov.

“Vi döpte vår thruster till H9 MUSCLE eftersom vi i huvudsak tog H9 thrustern och gjorde den till en muskelbil genom att vrida upp den till ’11’ – verkligen upp till hundra, om vi går efter en uppgradering. exakt skala”, säger Leanne Su, en doktorand i flygteknik som kommer att presentera studien.

De löste värmeproblemet genom att kyla det med vatten, vilket gjorde det möjligt för dem att se hur mycket av ett problem som sticksågens fel skulle bli. Det visade sig att det inte var alltför komplicerat. H9 MUSCLE kördes på xenon, den konventionella thrustern, och körde på upp till 37,5 kilowatt, med en total verkningsgrad på cirka 49 %, inte långt från effektiviteten på 62 % vid dess nominella effekt på 9 kilowatt.

Körde på krypton, en lättare gas, maxade de sin strömförsörjning till 45 kilowatt. Med en total verkningsgrad på 51 % uppnådde de sin maximala dragkraft på cirka 1,8 Newton, i nivå med den mycket större 100 kilowatt-klassen Hall X3-propellern.

Plasma-propeller som används på satelliter kan vara mycket kraftfullare

Doktoranden Will Hurley lämnar rummet där den nya Hall Plasma Thruster testas i PEPL-labbet. Kredit: Marcin Szczepanski/Michigan Engineering

“Det är lite galet resultat eftersom krypton generellt presterar mycket sämre än xenon på hallpropeller. Så det är väldigt coolt och en intressant väg framåt för att se att vi faktiskt kan förbättra kryptons prestanda jämfört med xenon genom att öka drivmedlet. strömtätheten” sa Su.

Kapslade Hall-propeller som X3 – också utvecklade delvis av UM – har utforskats för interplanetär lasttransport, men de är mycket större och tyngre, vilket gör det svårt att transportera människor. Nu är vanliga Hall-propeller åter på bordet för besättningsresor.

Jorns säger att kylningsproblemet skulle kräva en utrymmesvärd lösning om Hall-propellerna skulle arbeta med så höga effekter. Ändå är han optimistisk att individuella dragkrafter kan köra på 100 till 200 kilowatt, arrangerade i arrayer som ger en megawatt dragkraft. Detta kan tillåta besättningsuppdrag att nå Mars även på den bortre sidan av solen, som täcker ett avstånd på 250 miljoner miles.

Teamet hoppas kunna fortsätta kylningsproblemet såväl som utmaningarna med att utveckla Hall-propeller och magnetoplasmadynamiska propeller på jorden, där få anläggningar kan testa Mars-propeller på uppdragsnivå. Mängden drivmedel som läcker ut från thruster kommer för snabbt för att vakuumpumparna ska upprätthålla förhållandena inuti testkammaren som i rymden.

Mer information:
Leanne L. Su et al, Drift och prestanda hos en magnetiskt skärmad Hall-propeller vid ultrahöga strömtätheter, AIAA SCITECH Forum 2023 (2023). DOI: 10.2514/6.2023-0842

Tillhandahålls av
Michigans universitet


Citat: Plasmapropeller som används på satelliter kan vara mycket kraftfullare än man tidigare trott (2023, 24 januari) Hämtad 24 januari 2023 från https://phys.org/news/2023-01-plasma-thrusters -satellites-powerful-previously. html

Detta dokument är föremål för upphovsrätt. Utom för skäligt bruk för privata studier eller forskning, får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast för information.

Leave a Comment