Propulsor de efecto Hall
En la propulsión de naves espaciales, un propulsor de efecto Hall (HET) es un tipo de propulsor de iones en el que un campo eléctrico acelera el propulsor. Los propulsores de efecto Hall (basados en el descubrimiento de Edwin Hall) a veces se denominan propulsores de Hall o propulsores de corriente de Hall. Los propulsores de efecto Hall utilizan un campo magnético para limitar los electrones. movimiento axial y luego usarlos para ionizar el propulsor, acelerar eficientemente los iones para producir empuje y neutralizar los iones en la pluma. El propulsor de efecto Hall está clasificado como una tecnología de propulsión espacial de impulso específico moderado (1600 s) y se ha beneficiado de una considerable investigación teórica y experimental desde la década de 1960.
Los propulsores Hall funcionan con una variedad de propulsores, siendo los más comunes el xenón y el criptón. Otros propulsores de interés incluyen argón, bismuto, yodo, magnesio, zinc y adamantano.
Los propulsores Hall pueden acelerar su escape a velocidades de entre 10 y 80 km/s (impulso específico de 1000 a 8000 s), y la mayoría de los modelos funcionan entre 15 y 30 km/s. El empuje producido depende del nivel de potencia. Los dispositivos que funcionan a 1,35 kW producen alrededor de 83 mN de empuje. Los modelos de alta potencia han demostrado hasta 5,4 N en el laboratorio. Se han demostrado niveles de potencia de hasta 100 kW para los propulsores Hall de xenón.
A partir de 2009, los propulsores de efecto Hall variaban en niveles de potencia de entrada de 1,35 a 10 kilovatios y tenían velocidades de escape de 10 a 50 kilómetros por segundo, con un empuje de 40 a 600 milinewtons y una eficiencia en el rango de 45 a 60 por ciento.. Las aplicaciones de los propulsores de efecto Hall incluyen el control de la orientación y la posición de los satélites en órbita y su uso como motor de propulsión principal para vehículos espaciales robóticos de tamaño mediano.
Historia
Los propulsores Hall se estudiaron de forma independiente en los Estados Unidos y la Unión Soviética. Se describieron públicamente por primera vez en los EE. UU. a principios de la década de 1960. Sin embargo, el propulsor Hall se convirtió por primera vez en un dispositivo de propulsión eficiente en la Unión Soviética. En los EE. UU., los científicos se centraron en el desarrollo de propulsores de iones reticulados.
En la Unión Soviética se desarrollaron dos tipos de propulsores Hall:
- propulsores con amplia zona de aceleración, SPT (ruso: СПазменный двигатель; Inglés: SPT, Tractor de plasma estacionario) en Design Bureau Fakel
- propulsores con zona de aceleración estrecha, DAS (ruso: ГАС, двигатель с анодным слоем; Inglés: TAL, Thruster con Anode Layer), en el Instituto Central de Investigación para el Edificio de Máquinas (TsNIIMASH).
El diseño del SPT fue en gran parte obra de A. I. Morozov. El primer SPT que operó en el espacio, un SPT-50 a bordo de una nave espacial soviética Meteor, se lanzó en diciembre de 1971. Se utilizaron principalmente para la estabilización de satélites en las direcciones norte-sur y este-oeste. Desde entonces hasta fines de la década de 1990, 118 motores SPT completaron su misión y unos 50 continuaron en funcionamiento. El empuje de la primera generación de motores SPT, SPT-50 y SPT-60 fue de 20 y 30 mN respectivamente. En 1982, se introdujeron el SPT-70 y el SPT-100, con empujes de 40 y 83 mN, respectivamente. En la Rusia postsoviética se introdujeron SPT-140, SPT-160, SPT-200, T-160 de alta potencia (unos pocos kilovatios) y SPT-35 de baja potencia (menos de 500 W).
Los propulsores de tipo TAL soviéticos y rusos incluyen el D-38, D-55, D-80 y D-100.
Los propulsores de fabricación soviética se introdujeron en Occidente en 1992 después de que un equipo de especialistas en propulsión eléctrica del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, el Centro de Investigación Glenn y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, con el apoyo de la Defensa contra Misiles Balísticos. Organización, visitó laboratorios rusos y evaluó experimentalmente el SPT-100 (es decir, un propulsor SPT de 100 mm de diámetro). Más de 200 propulsores Hall han volado en satélites soviéticos/rusos en los últimos treinta años. Nunca se han producido fallas en órbita. Los propulsores Hall continúan utilizándose en naves espaciales rusas y también han volado en naves espaciales europeas y estadounidenses. Space Systems/Loral, un fabricante estadounidense de satélites comerciales, ahora vuela Fakel SPT-100 en su nave espacial de comunicaciones GEO.
Desde su introducción en Occidente a principios de la década de 1990, los propulsores Hall han sido objeto de una gran cantidad de esfuerzos de investigación en los Estados Unidos, Francia, Italia, Japón y Rusia (con muchos esfuerzos menores dispersos en varios países de todo el mundo). el mundo). La investigación de los propulsores Hall en los EE. UU. se lleva a cabo en varios laboratorios gubernamentales, universidades y empresas privadas. El gobierno y los centros financiados por el gobierno incluyen el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, el Centro de Investigación Glenn de la NASA, el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (Edwards AFB, California) y The Aerospace Corporation. Las universidades incluyen el Instituto de Tecnología de la Fuerza Aérea de EE. UU., la Universidad de Michigan, la Universidad de Stanford, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, la Universidad de Princeton, la Universidad Tecnológica de Michigan y Georgia Tech. Se está llevando a cabo una cantidad considerable de desarrollo en la industria, como IHI Corporation en Japón, Aerojet y Busek en EE. UU., SNECMA en Francia, LAJP en Ucrania, SITAEL en Italia y Satrec Initiative en Corea del Sur.
El primer uso de propulsores Hall en órbita lunar fue la misión lunar SMART-1 de la Agencia Espacial Europea (ESA) en 2003.
Los propulsores Hall se demostraron por primera vez en un satélite occidental en la nave espacial STEX del Laboratorio de Investigación Naval (NRL), que volaba el D-55 ruso. El primer propulsor American Hall que voló al espacio fue el Busek BHT-200 en la nave espacial de demostración de tecnología TacSat-2. El primer vuelo de un propulsor American Hall en una misión operativa fue el Aerojet BPT-4000, que se lanzó en agosto de 2010 en el satélite militar de comunicaciones GEO de frecuencia extremadamente alta avanzada. Con 4,5 kW, el BPT-4000 es también el propulsor Hall de mayor potencia jamás volado en el espacio. Además de las tareas habituales de mantenimiento de la estación, el BPT-4000 también proporciona capacidad de elevación de la órbita a la nave espacial. El X-37B se ha utilizado como banco de pruebas para el propulsor Hall de la serie de satélites AEHF. Varios países en todo el mundo continúan los esfuerzos para calificar la tecnología de propulsores Hall para usos comerciales. La constelación SpaceX Starlink, la constelación de satélites más grande del mundo, utiliza propulsores Hall. También se incluyen en el diseño de la nave espacial Psyche para la exploración de asteroides.
Principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento esencial del propulsor Hall es que utiliza un potencial electrostático para acelerar iones a altas velocidades. En un propulsor Hall, la carga negativa atractiva la proporciona un plasma de electrones en el extremo abierto del propulsor en lugar de una rejilla. Se utiliza un campo magnético radial de alrededor de 100–300 G (10–30 mT) para confinar los electrones, donde la combinación del campo magnético radial y el campo eléctrico axial hace que los electrones se desplacen en azimut formando así la corriente de Hall desde la cual el dispositivo recibe su nombre.
En la imagen adyacente se muestra un esquema de un propulsor Hall. Se aplica un potencial eléctrico de entre 150 y 800 voltios entre el ánodo y el cátodo.
La espiga central forma un polo de un electroimán y está rodeada por un espacio anular, y alrededor de eso está el otro polo del electroimán, con un campo magnético radial en el medio.
El propulsor, como el gas xenón, se alimenta a través del ánodo, que tiene numerosos orificios pequeños para actuar como distribuidor de gas. A medida que los átomos de xenón neutros se difunden en el canal del propulsor, se ionizan por colisiones con electrones de alta energía circulantes (típicamente 10–40 eV, o alrededor del 10 % del voltaje de descarga). La mayoría de los átomos de xenón están ionizados a una carga neta de +1, pero una fracción notable (c. 20%) tiene una carga neta de +2.
Los iones de xenón son entonces acelerados por el campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo. Para voltajes de descarga de 300 V, los iones alcanzan velocidades de alrededor de 15 km/s (9,3 mi/s) para un impulso específico de 1500 s (15 kN·s/kg). Sin embargo, al salir, los iones atraen una cantidad igual de electrones con ellos, creando una pluma de plasma sin carga neta.
El campo magnético radial está diseñado para ser lo suficientemente fuerte como para desviar sustancialmente los electrones de baja masa, pero no los iones de alta masa, que tienen un radio de giro mucho mayor y apenas se ven obstaculizados. La mayoría de los electrones quedan atrapados orbitando en la región de alto campo magnético radial cerca del plano de salida del propulsor, atrapados en E×B (campo eléctrico axial y campo magnético radial). Esta rotación orbital de los electrones es una corriente Hall circulante, y es de ahí que el propulsor Hall recibe su nombre. Las colisiones con otras partículas y paredes, así como las inestabilidades del plasma, permiten que algunos de los electrones se liberen del campo magnético y se desplacen hacia el ánodo.
Alrededor del 20 al 30 % de la corriente de descarga es una corriente de electrones, que no produce empuje, lo que limita la eficiencia energética del propulsor; el otro 70–80% de la corriente está en los iones. Debido a que la mayoría de los electrones quedan atrapados en la corriente de Hall, tienen un tiempo de residencia prolongado dentro del propulsor y pueden ionizar casi todo el propulsor de xenón, lo que permite un uso masivo del 90 al 99%. La eficiencia de uso masivo del propulsor es, por lo tanto, de alrededor del 90 %, mientras que la eficiencia de la corriente de descarga es de alrededor del 70 %, para una eficiencia combinada del propulsor de alrededor del 63 % (= 90 % × 70 %). Los propulsores Hall modernos han logrado eficiencias de hasta el 75 % a través de diseños avanzados.
En comparación con los cohetes químicos, el empuje es muy pequeño, del orden de 83 mN para un propulsor típico que funciona a 300 V y 1,5 kW. A modo de comparación, el peso de una moneda como el cuarto de dólar estadounidense o una moneda de 20 céntimos de euro es de aproximadamente 60 mN. Al igual que con todas las formas de propulsión de naves espaciales eléctricas, el empuje está limitado por la potencia disponible, la eficiencia y el impulso específico.
Sin embargo, los propulsores Hall funcionan con los altos impulsos específicos típicos de la propulsión eléctrica. Una ventaja particular de los propulsores Hall, en comparación con un propulsor de iones cuadriculado, es que la generación y aceleración de los iones tiene lugar en un plasma cuasi-neutro, por lo que no existe una limitación de corriente saturada de carga Child-Langmuir (carga espacial) en el densidad de empuje Esto permite propulsores mucho más pequeños en comparación con los propulsores de iones reticulados.
Otra ventaja es que estos propulsores pueden usar una variedad más amplia de propulsores suministrados al ánodo, incluso oxígeno, aunque se necesita algo fácilmente ionizable en el cátodo.
Propelentes
Xenón
Xenon ha sido la elección típica de propulsor para muchos sistemas de propulsión eléctrica, incluidos los propulsores Hall. El propulsor de xenón se utiliza debido a su alto peso atómico y bajo potencial de ionización. El xenón es relativamente fácil de almacenar y, como gas a las temperaturas de funcionamiento de la nave espacial, no es necesario vaporizarlo antes de su uso, a diferencia de los propulsores metálicos como el bismuto. El alto peso atómico del xenón significa que la proporción de energía gastada para la ionización por unidad de masa es baja, lo que lleva a un propulsor más eficiente.
Kriptón
Krypton es otra opción de propulsor para los propulsores Hall. El xenón tiene un potencial de ionización de 12,1298 eV, mientras que el criptón tiene un potencial de ionización de 13,996 eV. Esto significa que los propulsores que utilizan criptón necesitan gastar una energía ligeramente mayor por mol para ionizarse, lo que reduce la eficiencia. Además, el criptón es un ion más ligero, por lo que la unidad de masa por energía de ionización se reduce aún más en comparación con el xenón. Sin embargo, el xenón puede ser más de diez veces más caro que el criptón por kilogramo, lo que hace que el criptón sea una opción más económica para construir constelaciones de satélites como la de Starlink de SpaceX, cuyos propulsores Hall funcionan con criptón.
Variantes
Propulsores Hall cilíndricos
Aunque los propulsores Hall convencionales (anulares) son eficientes en el régimen de potencia de kilovatios, se vuelven ineficientes cuando se escalan a tamaños pequeños. Esto se debe a las dificultades asociadas con mantener constantes los parámetros de escala de rendimiento mientras se reduce el tamaño del canal y se aumenta la intensidad del campo magnético aplicado. Esto condujo al diseño del propulsor Hall cilíndrico. El propulsor Hall cilíndrico se puede escalar más fácilmente a tamaños más pequeños debido a su geometría de cámara de descarga no convencional y al perfil de campo magnético asociado. El propulsor Hall cilíndrico se presta más fácilmente a la miniaturización y operación de baja potencia que un propulsor Hall convencional (anular). La razón principal de los propulsores Hall cilíndricos es que es difícil lograr un propulsor Hall regular que opere en una envolvente amplia desde c.1 kW hasta c. 100 W manteniendo una eficiencia del 45-55 %.
Propulsor Hall de descarga externa
La erosión por pulverización de las paredes del canal de descarga y las piezas polares que protegen el circuito magnético provoca fallas en el funcionamiento del propulsor. Por lo tanto, los propulsores Hall anulares y cilíndricos tienen una vida útil limitada. Aunque se ha demostrado que el blindaje magnético reduce drásticamente la erosión de la pared del canal de descarga, la erosión de la pieza polar sigue siendo una preocupación. Como alternativa, se ha introducido un diseño de propulsor Hall no convencional llamado propulsor Hall de descarga externa o propulsor de plasma de descarga externa (XPT). El propulsor Hall de descarga externa no posee paredes de canal de descarga ni piezas polares. La descarga de plasma se produce y mantiene completamente en el espacio abierto fuera de la estructura del propulsor y, por lo tanto, se logra un funcionamiento sin erosión.
Aplicaciones
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Los propulsores Hall han estado volando en el espacio desde diciembre de 1971, cuando la Unión Soviética lanzó un SPT-50 en un satélite Meteor. Más de 240 propulsores han volado al espacio desde entonces, con una tasa de éxito del 100 %. Los propulsores Hall ahora se vuelan de forma rutinaria en satélites comerciales de comunicaciones LEO y GEO, donde se utilizan para la inserción orbital y el mantenimiento de la posición.
El primer propulsor Hall que voló en un satélite occidental fue un D-55 ruso construido por TsNIIMASH, en la nave espacial STEX de la NRO, lanzada el 3 de octubre de 1998.
El sistema de propulsión eléctrica solar de la nave espacial SMART-1 de la Agencia Espacial Europea utilizó un propulsor Snecma PPS-1350-G Hall. SMART-1 fue una misión de demostración de tecnología que orbitó la Luna. Este uso del PPS-1350-G, a partir del 28 de septiembre de 2003, fue el primer uso de un propulsor Hall fuera de la órbita terrestre geosincrónica (GEO). Como la mayoría de los sistemas de propulsión de propulsores Hall que se utilizan en aplicaciones comerciales, el propulsor Hall de SMART-1 se puede regular en un rango de potencia, impulso específico y empuje. Tiene un rango de potencia de descarga de 0,46–1,19 kW, un impulso específico de 1100–1600 s y un empuje de 30–70 mN.
Muchos satélites pequeños del grupo Starlink de SpaceX utilizan propulsores Hall alimentados con criptón para mantener la posición y salir de órbita.
La estación espacial Tiangong está equipada con propulsores de efecto Hall. El módulo central de Tianhe es propulsado por propulsores químicos y cuatro propulsores de iones, que se utilizan para ajustar y mantener la órbita de la estación. El desarrollo de los propulsores de efecto Hall se considera un tema delicado en China, y los científicos "trabajan para mejorar la tecnología sin llamar la atención". Los propulsores de efecto Hall se crean teniendo en cuenta la seguridad de la misión tripulada con el esfuerzo de evitar la erosión y el daño causado por las partículas de iones acelerados. Se creó un campo magnético y un escudo de cerámica especialmente diseñado para repeler las partículas dañinas y mantener la integridad de los propulsores. Según la Academia de Ciencias de China, el motor de iones utilizado en Tiangong se ha quemado continuamente durante 8240 horas sin fallas, lo que indica su idoneidad para la vida útil designada de 15 años de la estación espacial china. Este es el primer propulsor Hall del mundo en una misión calificada para humanos.
El Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) otorgó una licencia comercial exclusiva a Apollo Fusion, dirigida por Mike Cassidy, para su tecnología de propulsores Hall en miniatura protegidos magnéticamente (MaSMi). En enero de 2021, Apollo Fusion anunció que había obtenido un contrato con York Space Systems para un pedido de su última versión denominada 'Apollo Constellation Engine'.
La misión de la NASA al asteroide Psyche utilizará propulsores Hall de gas xenón. La electricidad provendrá de los paneles solares de 75 metros cuadrados de la nave.
Los primeros propulsores Hall de la NASA en una misión con clasificación humana serán una combinación de propulsores Hall de 6 kW proporcionados por Busek y propulsores Hall del sistema de propulsión eléctrica avanzada (AEPS) de la NASA. Servirán como propulsión principal en el elemento de propulsión y potencia (PPE) de Maxar para Lunar Gateway bajo el programa Artemis de la NASA. El alto impulso específico de los propulsores Hall permitirá elevar la órbita de manera eficiente y mantener la estación para la órbita de halo casi rectilínea polar de Lunar Gateway.
En desarrollo
El propulsor de efecto Hall de mayor potencia en desarrollo (a partir de 2021) es el propulsor Hall de canal anidado X3 de 100 kW de la Universidad de Michigan. El propulsor tiene aproximadamente 80 cm de diámetro y pesa 230 kg, y ha demostrado un empuje de 5,4 N.
Otros propulsores de alta potencia incluyen el Sistema de Propulsión Eléctrica Avanzada (AEPS) de 40 kW de la NASA, destinado a impulsar misiones científicas a gran escala y transporte de carga en el espacio profundo.
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