Hallův motor

Hallův motor je typem iontového motoru pro pohon kosmických sond. Pracuje na principu urychlení iontů v elektrickém poli. V motoru probíhá ionizace plynného paliva (obvykle xenonu) urychlenými elektrony, které jsou produkovány na katodě a urychlovány magnetickým vířivým polem. Nárazem urychlených elektronů do xenonových atomů vznikají kladně nabité ionty Xe⁺. Vzniklé plazma je poté elektrostaticky urychleno a rychlostí 10–50 km/s opouští trysky motoru. Vytváří tak vlastní tah o síle řádově setin až jednotek newtonu.

Historie

Rakety s Hallovým motorem byly vyvíjeny nezávisle v USA a SSSR od roku 1950 a dále pak 60. letech. V bývalém Sovětském svazu probíhal vývoj řídícího raketového systému umístěného na přídi, v USA se vědci zaměřili spíše na rozvoj přímého raketového pohonu iontové rakety.

Sovětské konstrukce byly z velké části dílem konstruktéra A.I. Morozova^[1] a byly prakticky provozovány od roku 1972. Sloužily především pro satelitní stabilizaci v směrech sever-jih a východ-západ. Tyto motory s typovým označením SPD-50 a SPD-60 vyvíjely účinný tah 20 a 30 mN. Nová generace motorů SPD-70 a SPD-100 byla zavedena do provozu roce 1982 a měla tah 40 resp. 83 mN. V postsovětském Rusku byly uvedeny do užívání vysoce výkonné jednotky o výkonu až několika kilowatt - SPD-140, SPD-160, SPD-180.^[2]

Ve spolupráci s organizací Ballistic Missile Defense Organization byly v roce 1992 ruské jednotky představeny západním odborníkům na elektrické iontové motory. V současné době pracuje na sovětských a ruských satelitech více než 200 jednotek s Hallovým motorem. Jsou použity hlavně pro udržování stacionární oběžné dráhy a malé změny oběžné dráhy. V současné době probíhá výzkum designu a teoretické modelování provozu ve spolupráci s odborníky z NASA v Glennově výzkumném středisku a Jet Propulsion Laboratory, ale i za účasti průmyslu, například firmy Aerojet a Busek Co.

Tato technologie byla použita na evropské lunární misi SMART-1 a je používána v řadě komerčních geostacionárních družic.^[3] V roce 2009 tým výzkumníků z Georgia Tech researchers použil jako zdroj elektronů pro běh motoru a současně k pro udržení elektrické neutrality vystupujícího plazmatu uhlíkové nanotrubice.^[4]

Princip provozu

Základní pracovním principem je využití elektrostatického potenciálu pro urychlení iontů na velmi vysokou rychlost. Negativní elektrický náboj je vytvářen elektronovým plazmatem na mřížce motoru. Radiální magnetické pole o síle několika militesla (mT)^[5] slouží k držení elektronů v prostoru, kde kombinace magnetického pole a přitažlivost k anodě vytváří rychle cirkulující proud elektronů kolem osy rakety a dochází přitom jen k pomalému axiálnímu posunu směrem k anodě.

Palivo, jako je například xenon je přiváděno přes anodu, která má četné malé otvory působící jako distributor plynu. Xenon se používá především pro svou vysokou molekulovou hmotnost a nízký ionizační potenciál. Jak se neutrální atomy xenonu pohybují kanálem k přední části motoru, jsou ionizovány srážkami s elektrony o vysoké energií (10-20 eV, což odpovídá teplotě 100 000 až 250 000 °C). Vznikají tak především ionty o jednotkovém náboji Xe⁺ a malý podíl iontů s dvojnásobným nábojem Xe²⁺.

Xenonové ionty jsou pak urychlovány elektrickým polem mezi anodou a katodou a dosahují rychlosti okolo 15 km/s. Při výstupu z pohonné trysky však spolu s kationty xenonu musí odcházet i stejný počet elektronů, aby vzniklo plazma bez elektrického náboje. Je proto třeba volit vhodnou intenzitu axiálního magnetického pole tak, aby byl současně k dispozici dostatek vysoce energetických elektronů pro ionizaci atomů xenonu a současně dosáhnout toho, aby výstupní plazma bylo elektricky neutrální. Obvykle tak asi 30 % elektronů nepřispívá k tažné síle motoru. Podíl ionizace xenonových atomů je přitom přibližně na úrovni 90 % a tak kombinovaná účinnost procesu dosahuje cca 63 % (90 % × 70 %).

Ve srovnání s chemickými raketami je tažná síla velmi malá (v řádu 80 mN), nicméně Hallovy motory fungují s vysokým specifickým impulsem a vysokou účinností. Další výhodou je, že tyto rakety mohou využít širší paletu pohonných hmot včetně kyslíku, i když v tomto případě neprobíhá proces ionizace tak snadno.^[6] Jinou možností je použití kapalného bizmutu, který má nízkou cenu, vysokou atomovou hmotnost a nízký parciální tlak par.

Reference

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Hallův motor na Wikimedia Commons
• Busek (Natick, MA USA)- Hall Thruster Vendor
• Experimental Design Bureau Fakel (Kaliningrad, Russia) - Hall Thruster Vendor
• Aerojet (Redmond, WA USA) - Hall Thruster Vendor
• Pratt & Whitney Rocketdyne (West Palm Beach, FL USA) - Hall Thruster Vendor
• MIT Space Propulsion Laboratory
• Michigan Tech. Univ. Ion Space Propulsion Laboratory
• University of Michigan Plasmadynamics and Electric Propulsion Laboratory (PEPL)
• Jet Aerospace Miniaturized Hall Thruster
• NASA Glenn Research Center Hall Thruster Program
• Princeton Plasma Physics Laboratory page on Hall Thrusters
• Snecma SA (France) page on PPS-1350 Hall Thruster
• Alta S.p.A. (Italy) page on HT-100 Hall Thruster
• ESA page on Hall thrusters
• Space Systems/Loral - Western Satellite Manufacturer Offering SPT's