Плазменные двигатели Холла

… химические ракетные двигатели, незаменимые при выносе грузов в космос, имеют большую тягу, но используют только энергию, запасенную в топливе, и работают всего несколько десятков секунд. В открытом космосе, где сопротивление движению пренебрежимо мало, пригодятся ли другие двигатели с гораздо меньшей тягой, но более длительно работающие? месяцев или даже лет. К устройствам этого типа относятся плазменные накопители, в которых рабочим газом обычно является ксенон. В Институте физики плазмы и лазерного микроядерного синтеза (IFPiLM) в Варшаве был разработан плазменный привод холловского типа, рассчитанный на работу с криптоном, инертным газом, даже в десять раз более дешевым, чем ксенон. Плазменные двигатели Холла — одна из разновидностей электрических космических движителей. Используется с 70-х годов. прошлого века в беспилотных космических полетах они позволяют выполнять точные маневры и корректировать орбиты спутников. В последнее время их все чаще используют в качестве маршевых приводов в дальних космических зондах. Двигатели Холла используют внешний источник питания, т.е. солнечные батареи. Частицы плазмы (ионы и электроны) электрически заряжены, поэтому они могут разгоняться в электростатическом поле до высоких скоростей, достигающих в двигателях Холла от 15 до 30 км/с и более (скорость реактивных газов в химических двигателях не превышает 4 км/с). Плазменный двигатель дает слабую тягу (от нескольких до 1000 миллиньютонов в зависимости от мощности), но может работать долго и изменять скорость зонда до нескольких километров в секунду. Генераторы плазменных струй являются одним из направлений исследований, разрабатываемых в течение многих лет в Институте физики плазмы и лазерного микроядерного синтеза. Используя накопленный опыт, в мае 2008 года наша команда приступила к созданию плазменного двигателя холловского типа с криптоном в качестве рабочего газа, — говорит д-р Яцек Куржина из IFPiLM, ответственный за проект. В настоящее время рабочим газом, используемым в плазменных двигателях Холла, является ксенон, дорогостоящий и труднодоступный элемент. Получение криптона, другого благородного газа, обходится в десять раз дешевле. Хотя для производства ионов криптона требуется немного больше энергии, чем для ксенона, они легче ксенона и могут быть ускорены до той же скорости при более низком напряжении. «Наш движок был разработан и оптимизирован для работы с криптоном с самого начала. Нам нужно было правильно спроектировать конфигурацию магнитного поля и соответствующую магнитную цепь. «Некоторые элементы пришлось сделать так, чтобы они выдерживали повышенные тепловые нагрузки», — объясняет аспирант Дариуш Данилко из IFPiLM. Новый двигатель представляет собой привод средних размеров, рассчитанный на непрерывную работу. При весе менее пяти килограммов устройство имеет мощность ок. пол киловатта. «Зонд SMART-1, который Европейское космическое агентство (ЕКА) отправило на Луну, имел ксеноновый двигатель мощностью менее 2 кВт. Это ускорило зонд на 3,6 км/с. «Значит, в небольших космических зондах наш двигатель может также использоваться в качестве маршевого двигателя», — говорит доктор Серж Барраль из IFPiLM. Построенный образец двигателя Холла является прототипом устройства, который в настоящее время готовится к испытаниям в условиях вакуума. Если тесты пройдут успешно, нам еще предстоит оптимизировать двигатель и провести целую серию квалификационных испытаний. Подача проекта в ESA в рамках XNUMX-го конкурса PECS, то есть Соглашения о Европейском сотрудничающем государстве, заключенного между Польшей и ESA, привела к положительной оценке. Если проект будет реализован, это позволит начать процедуру квалификации, — объясняет д-р Курзина. Результаты исследований криптонового плазменного двигателя найдут применение и за пределами космической отрасли. Ускорители плазменной струи непрерывного действия активно используются во многих технологических процессах, в т.ч. для очистки поверхности материалов, ее рафинирования и нанесения тонких слоев, напр. углерод с алмазной прочностью. Группа ученых из IFPiLM разработала, среди прочего, концепция нанесения тонких оксидных слоев для применения в фотогальванических элементах. Проектирование и строительство электроплазменного двигателя Холла полностью финансировал Институт физики плазмы и лазерного микроядерного синтеза. Этот институт существует в Варшаве с 1976 года. Ведет фундаментальные исследования и прикладные работы в области термоядерного синтеза, физики плазмы, создаваемой импульсными лазерами и в системах с магнитным удержанием плазмы, а также импульсных технологий большой мощности. Большая часть научно-технических работ осуществляется в рамках международного сотрудничества, охватываемого европейскими проектами и программами, в том числе термоядерными программами Сообщества Евратом и консорциума HiPER. IFPiLM координирует работу тринадцати польских центров в области ядерного синтеза в рамках программы Ассоциации Евратом-IFPiLM. Исследовательская программа Института контролируется и субсидируется Министерством науки и высшего образования.

Информация Института физики плазмы и лазерного микроядерного синтеза в Варшаве.

Связаться с лицом, управляющим списком СМИ: [электронная почта защищена]

Пресс-релиз доступен на веб-сайте AlphaGalileo (http://www.alphagalileo.org/). Графические материалы и PDF-версию данного пресс-релиза можно загрузить с пресс-сервера Института физики плазмы и лазерного микроядерного синтеза (http://press.ifpilm.pl/).

Варшава, 5 октября 2011 г.

Криптоновый плазменный двигатель для космических зондов

Электроплазменные приводы Холла — будущее космической науки. Они уже составляют серьезную конкуренцию классическим ракетным двигателям, особенно в качестве маневровых приводов для изменения ориентации спутников и их орбит, а также в качестве маршевых приводов в дальних зондах. Однако у этих двигателей есть существенный недостаток: их рабочий газ труднодоступен и дорогой ксенон. Используя опыт работы с ускорителями непрерывных потоков плазмы, группа ученых и инженеров из Института физики плазмы и лазерного микроядерного синтеза в Варшаве построила двигатель холловского типа, оптимизированный для работы с гораздо более дешевым инертным газом: криптоном.

Химические ракетные двигатели незаменимы для запуска грузов в космос. У них большая тяга, но они используют только энергию, запасенную в топливе, и работают всего несколько десятков секунд. В открытом космосе, где сопротивление движению пренебрежимо мало, пригодятся ли другие двигатели с гораздо меньшей тягой, но более длительно работающие? месяцев или даже лет. К устройствам этого типа относятся плазменные накопители, в которых рабочим газом обычно является ксенон. В Институте физики плазмы и лазерного микроядерного синтеза (IFPiLM) в Варшаве был разработан плазменный привод холловского типа, рассчитанный на работу с криптоном, инертным газом, даже в десять раз более дешевым, чем ксенон.

Плазменные двигатели Холла — одна из разновидностей электрических космических движителей. Используемые с 70-х годов прошлого века в беспилотных космических полетах, они позволяют выполнять точные маневры и корректировать орбиты спутников. В последнее время их все чаще используют в качестве маршевых приводов в дальних космических зондах.

Двигатели Холла используют внешний источник питания, такой как солнечные батареи, для преобразования рабочего газа в плазму и создания тяги. Частицы плазмы (ионы и электроны) электрически заряжены, поэтому они могут разгоняться в электростатическом поле до высоких скоростей, достигающих в двигателях Холла от 15 до 30 км/с и более (скорость реактивных газов в химических двигателях не превышает 4 км/с). Плазменный двигатель создает слабую тягу (от нескольких до 1000 миллиньютонов в зависимости от мощности), но может работать долго и изменять скорость зонда до нескольких километров в секунду.

Генераторы плазменных струй являются одним из направлений исследований, разрабатываемых в течение многих лет в Институте физики плазмы и лазерного микроядерного синтеза. Используя накопленный опыт, в мае 2008 года наша команда приступила к созданию плазменного двигателя холловского типа с криптоном в качестве рабочего газа, — говорит д-р Яцек Куржина из IFPiLM, ответственный за проект.

В настоящее время рабочим газом, используемым в плазменных двигателях Холла, является ксенон, дорогостоящий и труднодоступный элемент. Получение криптона, другого благородного газа, обходится в десять раз дешевле. Хотя для производства ионов криптона требуется немного больше энергии, чем для ксенона, они легче ксенона и могут быть ускорены до той же скорости при более низком напряжении. «Наш движок был разработан и оптимизирован для работы с криптоном с самого начала. Нам нужно было правильно спроектировать конфигурацию магнитного поля и соответствующую магнитную цепь. «Некоторые элементы пришлось сделать так, чтобы они выдерживали повышенные тепловые нагрузки», — объясняет аспирант Дариуш Данилко из IFPiLM.

Новый двигатель представляет собой привод среднего размера, предназначенный для непрерывной работы. При весе менее пяти килограмм устройство имеет мощность около полукиловатта. «Зонд SMART-1, который Европейское космическое агентство (ЕКА) отправило на Луну, имел ксеноновый двигатель мощностью менее 2 кВт. Это ускорило зонд на 3,6 км/с. «Значит, в небольших космических зондах наш двигатель может также использоваться в качестве маршевого двигателя», — говорит доктор Серж Барраль из IFPiLM.

Построенный образец двигателя Холла является прототипом устройства, который в настоящее время готовится к испытаниям в условиях вакуума. Если тесты пройдут успешно, нам еще предстоит оптимизировать двигатель и провести целую серию квалификационных испытаний. Подача проекта в ESA в рамках XNUMX-го конкурса PECS, то есть Соглашения о Европейском сотрудничающем государстве, заключенного между Польшей и ESA, привела к положительной оценке. Если проект будет реализован, это позволит начать процедуру квалификации, — объясняет д-р Курзина.

Результаты исследований криптонового плазменного двигателя найдут применение и за пределами космической отрасли. Ускорители плазменной струи непрерывного действия активно используются во многих технологических процессах, в т.ч. для очистки поверхности материалов, ее рафинирования и нанесения тонких слоев, например, углерода с алмазной прочностью. Группа ученых из IFPiLM разработала, среди прочего, концепция нанесения тонких оксидных слоев для применения в фотогальванических элементах.

Проектирование и строительство электроплазменного двигателя Холла полностью финансировал Институт физики плазмы и лазерного микроядерного синтеза.

Институт физики плазмы и лазерного микроядерного синтеза (ИФПиЛМ) в Варшаве существует с 1976 года. Ведет фундаментальные исследования и прикладные работы в области термоядерного синтеза, физики плазмы, создаваемой импульсными лазерами и в системах с магнитным удержанием плазмы, а также импульсных технологий большой мощности. Большая часть научно-технических работ осуществляется в рамках международного сотрудничества, охватываемого европейскими проектами и программами, в том числе термоядерными программами Сообщества Евратом и консорциума HiPER. IFPiLM координирует работу тринадцати польских центров в области ядерного синтеза в рамках программы Ассоциации Евратом-IFPiLM. Исследовательская программа Института контролируется и субсидируется Министерством науки и высшего образования.

ФОТО: Доктор Яцек Куржина из Института физики плазмы и лазерного микроядерного синтеза в Варшаве представляет электрический плазменный двигатель холловского типа для космических зондов, оптимизированный для работы с криптоном. (Источник: IFPILM / Grzegorz Krzyżewski)

Источник: Институт физики плазмы и лазерного микроядерного синтеза в Варшаве.