Indietro

ⓘ Propulsore a effetto Hall




Propulsore a effetto Hall
                                     

ⓘ Propulsore a effetto Hall

Un propulsore a effetto Hall è un tipo di propulsore elettrico in cui il propellente viene accelerato da un campo elettrico. I propulsori a effetto Hall intrappolano gli elettroni in un campo magnetico e li usano per ionizzare il propellente, accelerandoli efficientemente per generare spinta e neutralizzandoli poi nello scarico. Tali propulsori vengono a volte definiti Propulsori Hall o Propulsori a Corrente Hall.

                                     

1. Storia

Il propulsore Hall è stato studiato indipendentemente negli Stati Uniti e nellUnione Sovietica negli anni cinquanta e sessanta. Tuttavia il concetto di propulsore Hall fu sviluppato in uno strumento efficiente di propulsione nellex-Unione Sovietica, mentre negli Stati Uniti gli scienziati si sono concentrati invece sullo sviluppo di propulsori ionici con griglie elettrostatiche.

Sono stati sviluppati dallUnione Sovietica due tipi di propulsori Hall:

  • propulsori con zona di accelerazione larga, SPD
  • propulsori con zona di accelerazione stretta, DAS

Il modello comune dellSPD è stato in gran parte lavoro di A. I. Morozov. I motori SPD sono usati dal 1972 e venivano usati principalmente per la stabilizzazione dei satelliti nelle direzioni Nord-Sud ed Est-Ovest. Da allora sino alla fine degli anni novanta 118 motori SPD hanno completato la loro missione e altri 50 hanno continuato a operare. La spinta dei motori SPD di prima generazione, lSPD-50 e lSPD-60 era di 20 e 30 mN rispettivamente. Nel 1982 sono stati introdotti lSPD-70 e lSPD-100 con una spinta di 40 e 83 mN. Nella Russia post-Sovietica sono stati introdotti propulsori ad alta potenza qualche kilowatt, lSPD-140, lSPD-160, lSPD-180 e il T-160 e propulsori a bassa potenza meno di 500 W, lSPD-35.

I motori di tipo DAS russi e sovietici includono il D-38 e il D-55.

I propulsori di costruzione sovietica sono stati introdotti in occidente nel 1992 dopo che un team di specialisti nella propulsione elettrica, con il supporto della Ballistic Missile Defense Organization, ha visitato i laboratori sovietici e ha valutato sperimentalmente il modello SPD-100 un propulsore SPD di 100 millimetri di diametro. Oltre 200 propulsori Hall hanno volato sui satelliti Sovietici/Russi negli ultimi 30 anni. Sono stati usati principalmente per il mantenimento dellorbita stazionaria e piccole correzioni orbitali. Attualmente la ricerca, la progettazione e i modelli teorici sui propulsori Hall sono diretti da esperti presso il Glenn Research Center della NASA e dal Jet Propulsion Laboratory. Molta parte dello sviluppo è condotta da industrie come la Aerojet.

Questa tecnologia è stata usata nella missione lunare SMART-1 e viene usata su diversi satelliti geostazionari commerciali.

                                     

2. Ricerca attuale

La ricerca attuale sui propulsori a effetto Hall sta proseguendo ed è concentrata principalmente su:

  • Attivare luso a impulso specifico più alto e variabile
  • portare la loro potenza tipica di 1 kW a potenze più elevate da 50 a 100 kW o più piccole da 50 a 100 W
  • Risolvere i problemi dellintegrazioni nelle navi spaziali riguardanti la grossa divergenza del pennacchio di scarico
  • Propulsori omologati per luso su veicoli occidentali
  • Estenderne la durata operativa per luso nelle missioni scientifiche nello spazio profondo

Un propulsore Hall opera tipicamente al 50–60% dellefficienza di spinta e fornisce impulso specifico da 1 200 a 1 800 secondi da 12 a 18 kN s/kg e rapporti spinta-su-potenza di 50–70 mN/kW.

                                     

3. Funzionamento

Il principio di funzionamento essenziale del propulsore Hall è che esso utilizza un potenziale elettrostatico per accelerare gli ioni a velocità elevata. In tali propulsori la carica negativa attrattiva viene fornita da un plasma di elettroni posto nellapertura finale anziché da una griglia. Viene usato un forte campo magnetico radiale per mantenere gli elettroni in posizione, in una zona dove avviene la combinazione tra campo magnetico, attrazione tra la forza anodica e la veloce corrente di circolazione degli elettroni attorno allasse del propulsore e un lento moto assiale verso lanodo.

Viene mostrato nellimmagine a destra uno schema del propulsore a effetto Hall. Da notare che questa è una sezione laterale di uno strumento simmetrico assialmente. Viene applicato un potenziale elettrico dellordine dei 300 volt tra lanodo e il catodo.

La punta centrale forma un polo dellelettromagnete ed è circondata da uno spazio anulare attorno al quale vi è laltro polo dellelettromagnete, con un campo magnetico radiale nel mezzo.

Il propellente, per esempio il gas di xeno, viene iniettato attraverso lanodo, il quale ha molti piccoli fori per funzionare come distributore del gas. Lo xeno viene usato per il suo elevato peso molecolare e la sua bassa energia di ionizzazione. Nel momento in cui gli atomi neutri di xeno si diffondono nel canale del propulsore, essi vengono ionizzati da collisioni con gli elettroni ad alta energia circolanti 10–20 eV o da 100 000 a 250 000 °C. Una volta ionizzati, gli ioni di xeno hanno solitamente carica +1, anche se una piccola frazione ~10% hanno carica +2.

Gli ioni di xeno vengono poi accelerati dal campo elettrico tra lanodo e il catodo, raggiungendo rapidamente velocità dellordine di 15 000 m/s con un impulso specifico di 1 500 secondi 15 kN/kg. Una volta usciti, tuttavia, gli ioni attraggono un eguale numero di elettroni con loro, creando un pennacchio di scarico con carica netta nulla.

Il campo magnetico radiale è progettato per essere forte abbastanza da deflettere sostanzialmente gli elettroni che hanno piccola massa, ma non gli ioni con massa molto più elevata, i quali hanno un raggio di ciclotrone molto più largo e vengono difficilmente deviati. La maggior parte degli elettroni sono quindi forzati ad orbitare nella regione con elevato campo magnetico radiale vicino al piano di uscita del propulsore, intrappolati nel campo E × B {\displaystyle E\times B} dove E è il campo elettrico assiale e B il campo magnetico radiale. Questa rotazione orbitale degli elettroni è una corrente Hall circolante ed è da essa che prende il suo nome questo tipo di propulsore. Le collisioni le instabilità permettono ad alcuni degli elettroni di essere liberati dal campo magnetico e di dirigersi verso lanodo.

Circa il 30% della corrente di scarica è una corrente di elettroni che non produce spinta, limitando lefficienza energetica del propulsore; laltro 70% della corrente è negli ioni. Siccome la maggior parte degli elettroni sono intrappolati nella corrente di Hall, essi hanno un lungo periodo di stazionamento allinterno del propulsore e sono in grado di ionizzare circa tutto ~90% del propellente xeno. Lefficienza di ionizzazione del propulsore è quindi attorno al 90%, mentre lefficienza di scarica è attorno al 70%, per unefficienza combinata del propulsore circa del 63% 90% per 70% = 63%.

Il campo magnetico assicura quindi che la potenza scaricata vada predominantemente nellaccelerazione del propellente di xeno e non negli elettroni, ottenendo un propulsore ragionevolmente efficiente.

Paragonata a quella dei razzi chimici, la spinta è molto piccola, dellordine di 80 mN per un propulsore tipico. Per confronto, il peso di una moneta come il quarto di dollaro americano o una moneta 20 eurocent è circa di 60 mN.

Tuttavia, i propulsori a effetto Hall funzionano ai più alti impulsi specifici ottenuti con i propulsori ionici. Un particolare vantaggio di questi propulsori, nel confronto con gli altri propulsori ionici, è che la generazione e laccelerazione degli ioni avvengono in un plasma quasi neutro, così da non avere limitazioni nella corrente di saturazione della carica di Child-Langmuir spazio di carica sulla densità della spinta, e quindi avere una spinta elevata rispetto agli altri propulsori elettrici.

Un altro vantaggio è che questi propulsori possono usare una varietà più ampia di propellenti forniti allanodo, anche lossigeno, anche se serve un propellente facilmente ionizzabile al catodo. Un propellente che si sta iniziando a utilizzare è il bismuto liquido, a causa del suo basso costo, della sua massa elevata e della sua bassa pressione parziale.



                                     

4. Applicazioni

Il sistema di propulsione solare elettrica del veicolo spaziale SMART-1 dellAgenzia Spaziale Europea usava un propulsore a effetto Hall lo Snecma PPS-1350-G1. Durante il corso di 13 mesi e 289 impulsi dal motore, ha consumato circa 58.8 kg di xeno, producendo un delta-v di 2737 m/s 46.5 m/s per kg di xeno. Si pensa di sfruttare un propulsore simile nella prossima missione BepiColombo e nella missione Psyche verso un asteroide metallico decollo 2022.

                                     
  • L anno successivo venne inserito nella Canadian Motorsports Hall of Fame e nel giugno del 1997, a 15 anni dalla scomparsa, il Canada emise un francobollo
  • comprendeva tra l altro il propulsore 440 RB di produzione Chrysler, un V8 di 440 pollici cubici 7.209 cm³ della potenza di 375 CV 280 kW a 4.400 giri min, motore
  • Spring Classic Cars Auction il 27 febbraio 2007, al Royal Horticultural Hall a Londra. La Coys Auction disse di aspettarsi che l auto costasse più di 75000
  • costo viene ridotto a 10 punti. Ambo gli effetti durano 30 secondi. Con l introduzione del distributore GobbleGum questo effetto viene applicato anche
  • OTO - Melara arrangiato a metà sovrastruttura. Nei loro limiti un unico radar guidamissili tipo Mk. 92, unico asse elica 2 propulsori azimutali, scarsa difesa
  • di americio 242 può portare un astronave fino a Marte in un tempo molto minore degli attuali propulsori Attualmente si interessa al problema della materia
  • appiattita, probabilmente rettangolare. La piattaforma è dotata di propulsori ad effetto Hall motori che sfruttano l energia fornita dai pannelli solari che
  • limitazione all effetto suolo per ottenere il massimo vantaggio dalle loro potenti turbo. Il secondo gruppo invece sosteneva un effetto suolo senza restrizioni
  • L abitacolo era pressurizzato spillando una quota parte di aria dal propulsore Il sistema era avviato intorno ai 15.000 piedi 4.572 m Il tettuccio

Anche gli utenti hanno cercato:

propulsione spaziale del futuro, propulsione spaziale pdf, propulsore ionico,

...
...
...