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无墙霍尔推进器可能为未来的深空任务提供动力

霍尔推进器是先进的电动火箭发动机,主要用于地球同步通信卫星和空间探测器的驻留和姿态控制。最近,基于全电动公交车的两颗卫星的发射标志着一个新时代的首次亮相 - 其中霍尔推进器不仅可用于调整轨道,还可用于为航行提供动力。与传统的化学火箭相比,消耗的推进剂或燃料消耗量减少了1亿倍,霍尔推进器是探索火星,小行星和太阳系边缘的有吸引力的候选者。通过节省燃料,推进器可以为航天器留出空间并发送大量货物以支持太空任务。然而,霍尔推进器的当前寿命大约为10,000个工作小时,对于大多数空间探测来说太短了,这需要至少50个,

为了延长霍尔推进器的使用寿命,法国国家科学研究中心的一组研究人员通过实验优化了一年前由同一团队开发的新型无墙推进器原型的操作。该团队表示,初步的性能结果令人满意,并为开发适用于长时间深空任务的高效无墙霍尔推进器铺平了道路。研究人员在本周发表于AIP出版杂志“ 应用物理快报 ”期刊上的论文中展示了他们的研究成果。

霍尔推进器是电动火箭发动机,使用超高速(大约45,000英里/小时)的等离子流来推动航天器前进。它们的工作原理依赖于在交叉磁场和电场配置中产生低压准中性等离子体放电。推进剂气体,通常是氙,被捕获在磁场中的电子电离。

在传统的霍尔推进器配置中,磁化放电被限制在环形介电腔中,其中阳极在一端注入气体,外部阴极注入电子。推进剂气体的电离发生在腔内,离子通过从腔的内部延伸到腔的外部的电场加速。

“霍尔推进器的主要缺点是放电通道壁材料在很大程度上决定了放电特性,从而确定了性能水平和运行时间,”由StéphaneMazouffre教授领导的电力推进小组的主要研究员Julien Vaudolon说。法国ICARE-CNRS实验室。

Vaudolon解释说,壁材料主要通过二次电子发射在等离子体性质中发挥作用,二次电子发射是高能离子撞击通道壁表面并引发二次电子发射的现象。另外,由于高能离子的轰击导致的放电腔壁的侵蚀缩短了推进器的寿命。

“因此,避免等离子体与放电通道壁之间相互作用的有效方法是将电离和加速区域移动到腔体外,这是一种非常规设计,称为无墙霍尔推进器,”Vaudolon说。

去年,该团队开发了一种基于经典霍尔推进器的小型无墙推进器原型。起初,研究人员只需将阳极移至通道排气平面即可。然而,该第一无壁推进器被证明是低性能装置,因为磁场线垂直于推进器轴线,该推进器轴线穿过位于通道排气平面处的阳极。

“磁场用于捕获从外部阴极注入的热电子并防止它们到达阳极,”Vaudolon说。“基本上电子沿磁场线传播。如果磁场线穿过阳极,大部分热电子将在阳极收集,不会参与氙原子的电离,导致高放电电流,电离度低,因此性能水平低。“

为了优化无壁原型并使磁力线避开阳极表面,团队将磁屏障旋转了90度,使其注入与轴向平行的磁场线。阳极仍然放置在通道排气平面上,但其形状是弯曲的,以避免与磁场线的任何相互作用。

基于PPS-Flex,由法国LAPLACE实验室的GREM3团队设计的1.5千瓦级推进器,能够在多种配置下修改磁场拓扑结构,该团队通过修改多个部件和参数验证了他们的优化策略推进器 一些操作参数的测量,例如推力水平,阳极效率和远场离子特性,显示出令人满意的性能水平。然而,Vaudolon表示,推进器在高功率下的高效运行仍需要进一步优化。

“无壁式推进器允许科学家观察先前隐藏在通道壁后面的等离子体区域。现在可以使用探头和/或激光诊断工具观察和诊断血浆区域,”Vaudolon说。他还指出,进入等离子体的关键区域有助于彻底研究等离子体的不稳定性和小规模的湍流,以便更好地理解放电物理和异常电子传输。

“尽管经过数十年的研究,霍尔推进器的物理特性还远未被理解,器件表征方法仍然依赖于试验和测试,导致昂贵的努力,”Vaudolon说。“开发预测模拟的主要困难在于对等离子体和墙壁之间的相互作用进行建模。无墙设计将是一种有效的解决方案,可能使未来的预测模拟变得可行和可靠。”

在测试PPS-Flex版本的经验教训之后,该团队的下一步是设计一个专用的无墙霍尔推进器,并充分利用无墙架构提供的可能性。

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