Los propulsores Hall son motores de cohetes eléctricos avanzados utilizados principalmente para el mantenimiento de la estación y el control de actitud de satélites de comunicaciones geosíncronas y sondas espaciales. Recientemente, el lanzamiento de dos satélites basados en un autobús totalmente eléctrico ha marcado el debut de una nueva era:uno en el que los propulsores Hall podrían usarse no solo para ajustar las órbitas, sino también para impulsar el viaje. Consumiendo 100 millones de veces menos propulsores o combustibles que los cohetes químicos convencionales, un propulsor Hall es un candidato atractivo para explorar Marte, los asteroides y el bordedel sistema solar. Al ahorrar combustible, el propulsor podría dejar espacio para naves espaciales y enviar una gran cantidad de carga en apoyo de las misiones espaciales. Sin embargo, la vida útil actual de los propulsores Hall, que es de alrededor de 10,000 horas de operación, es demasiado corta para la mayoría del espacioexploraciones, que requieren al menos 50,000 horas de operación.
Para prolongar la vida útil de los propulsores Hall, un equipo de investigadores del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia ha optimizado experimentalmente el funcionamiento de un nuevo prototipo de propulsor sin pared desarrollado hace un año por el mismo equipo. Los resultados preliminares de rendimiento fueronsatisfactorio, dijo el equipo, y allanar el camino hacia el desarrollo de un propulsor Hall sin paredes de alta eficiencia adecuado para misiones espaciales de larga duración. Los investigadores presentan su trabajo en un artículo publicado esta semana en la revista letras de física aplicada , de AIP Publishing.
Los propulsores Hall son motores de cohetes eléctricos que utilizan una corriente de plasma de súper alta velocidad del orden de 45,000 mph para empujar la nave espacial hacia adelante. Su principio operativo se basa en la creación de una descarga de plasma cuasineutral de baja presión en un magnético cruzadoy configuración del campo eléctrico. El gas propulsor, típicamente xenón, es ionizado por electrones atrapados en el campo magnético.
En la configuración convencional del propulsor Hall, la descarga magnetizada se limita a una cavidad dieléctrica anular con el ánodo en un extremo, donde se inyecta el gas, y un cátodo externo inyecta electrones. La ionización del gas propulsor ocurre dentro de la cavidad, coniones acelerados por el campo eléctrico que se extiende desde el interior hasta el exterior de la cavidad.
"El principal inconveniente de los propulsores Hall es que los materiales de la pared del canal de descarga determinan en gran medida las propiedades de descarga y, en consecuencia, el nivel de rendimiento y el tiempo operativo", dijo Julien Vaudolon, el investigador principal del equipo de Propulsión Eléctrica dirigido por el profesor Stéphane.Mazouffre en el Laboratorio ICARE-CNRS, Francia.
Vaudolon explicó que los materiales de la pared juegan un papel en las propiedades del plasma principalmente a través de la emisión secundaria de electrones, un fenómeno donde los iones de alta energía golpean la superficie de la pared del canal e inducen la emisión de electrones secundarios. Además, la erosión de las paredes de la cavidad de descargadebido al bombardeo de iones de alta energía acorta la vida útil del propulsor.
"Por lo tanto, un enfoque eficaz para evitar la interacción entre el plasma y la pared del canal de descarga es mover las regiones de ionización y aceleración fuera de la cavidad, que es un diseño poco convencional llamado un propulsor Hall sin pared", dijo Vaudolon.
El año pasado, el equipo desarrolló un prototipo de propulsor sin pared a pequeña escala basado en un propulsor Hall clásico. Al principio, los investigadores simplemente movieron el ánodo al plano de escape del canal. Sin embargo, este primer propulsor sin pared resultóser un dispositivo de bajo rendimiento, ya que las líneas del campo magnético son perpendiculares al eje del propulsor, que cruza el ánodo colocado en el plano de escape del canal.
"Los campos magnéticos se usan para atrapar los electrones calientes inyectados desde el cátodo externo y evitar que lleguen al ánodo", dijo Vaudolon. "Básicamente, un electrón viaja a lo largo de la línea del campo magnético. Si las líneas del campo magnético cruzan el ánodo, un granparte de los electrones calientes se recogerán en el ánodo y no participarán en la ionización de los átomos de xenón, lo que dará como resultado una corriente de descarga alta, un bajo grado de ionización y, en consecuencia, un bajo nivel de rendimiento ".
Para optimizar el prototipo sin pared y hacer que las líneas magnéticas eviten la superficie del ánodo, el equipo rotó la barrera magnética en 90 grados, de modo que inyectó las líneas del campo magnético paralelas a la dirección axial. El ánodo todavía estaba colocado en elplano de escape del canal, pero su forma es curva para evitar cualquier interacción con las líneas del campo magnético.
Basado en el PPS-Flex, un propulsor de clase de 1.5 kilovatios diseñado por el Equipo GREM3 en el Laboratorio LAPLACE, Francia y capaz de modificar la topología del campo magnético en una amplia gama de configuraciones, el equipo ha validado sus estrategias de optimización modificando varias partesy parámetros del propulsor. La medición de algunos parámetros de operación tales como el nivel de empuje, la eficiencia del ánodo y las propiedades de iones de campo lejano mostraron un nivel de rendimiento satisfactorio. Sin embargo, dijo Vaudolon, aún se necesita una optimización adicional para la operación eficiente del propulsor a altaspoder.
"El propulsor sin pared permite a los científicos observar regiones del plasma previamente ocultas detrás de las paredes del canal. Ahora la región del plasma se puede observar y diagnosticar usando sondas y / o herramientas de diagnóstico láser", dijo Vaudolon. También señaló queEl acceso a regiones clave del plasma facilita una investigación exhaustiva de la inestabilidad del plasma y la turbulencia a pequeña escala para una mejor comprensión de la física de descarga y el transporte de electrones anómalos
"A pesar de décadas de investigación, la física de los propulsores Hall aún está lejos de ser comprendida, y los métodos de caracterización del dispositivo aún dependen de ensayos y pruebas, lo que lleva a esfuerzos costosos", dijo Vaudolon. "La mayor dificultad para desarrollar simulaciones predictivas radica enen el modelado de la interacción entre el plasma y la pared. El diseño sin pared sería una solución efectiva, que podría hacer que las futuras simulaciones predictivas sean factibles y confiables ".
Después de las lecciones aprendidas de las pruebas de la versión PPS-Flex, el siguiente paso del equipo es diseñar un propulsor Hall sin paredes dedicado y aprovechar al máximo las posibilidades que ofrece una arquitectura sin paredes.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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