Nyt thrusterdesign øger effektiviteten til fremtidig rumflyvning

Hall thrustere (HT'er) bruges i satellitter, der kredser om jorden, og viser også løfte om at drive robot-rumfartøjer lange afstande, fra Jorden til Mars. Drivmidlet i en HT, normalt xenon, accelereres af et elektrisk felt, som fjerner elektroner fra neutrale xenonatomer, skabe et plasma. Plasma udsprøjtet fra udstødningsenden af ​​thrusteren kan levere store hastigheder, typisk omkring 70, 000 mph.

Cylindrisk formede Hall thrustere (CHT'er) egner sig til miniaturisering og har et mindre overflade-til-volumen-forhold, der forhindrer erosion af thrusterkanalen. Efterforskere ved Harbin Institute of Technology i Kina har udviklet et nyt indløbsdesign til CHT'er, der markant øger fremdriften. Simuleringer og eksperimentelle test af det nye design er rapporteret i denne uge i tidsskriftet Plasmas fysik .

CHT'er er designet til drift med lav effekt. Imidlertid, lav drivmiddelstrømtæthed kan forårsage utilstrækkelig ionisering, et nøgletrin i skabelsen af ​​plasmaet og frembringelsen af ​​tryk. Generelt, forøgelse af gastætheden i udledningskanalen, mens dens aksiale hastighed sænkes, dvs. hastigheden vinkelret på trykretningen, vil forbedre thrusterens ydeevne.

"Den mest praktiske måde at ændre den neutrale strømningsdynamik i udledningskanalen er ved at ændre gasinjektionsmetoden eller den geometriske morfologi af afgangskanalen, " sagde Liqiu Wei, en af ​​avisens hovedforfattere.

Efterforskerne testede en simpel designændring. Drivmidlet sprøjtes ind i det cylindriske kammer i thrusteren af ​​et antal dyser, der normalt peger lige ind, mod midten af ​​cylinderen. Når vinklen på indløbsdyserne ændres en smule, drivmidlet sendes i en hurtig cirkulær bevægelse, skabe en hvirvel i kanalen.

Wei og hans medarbejdere simulerede plasmaets bevægelse i kanalen for begge dysevinkler ved hjælp af modellerings- og analysesoftware (COMSOL), der bruger en finite element-tilgang til modellering af molekylært flow. Resultaterne viste, at gasdensiteten nær kanalens periferi er højere, når dyserne vippes, og thrusteren køres i hvirveltilstand. I denne tilstand, gasdensiteten er betydeligt højere og mere ensartet, hvilket også hjælper med at forbedre thrusterens ydeevne.

Efterforskerne verificerede deres simulerings forudsigelser eksperimentelt, og vortex-indløbstilstanden producerede med succes højere trykværdier, især når en lav afladningsspænding blev brugt. I særdeleshed, den specifikke impuls fra thrusteren steg med 1,1 til 53,5 procent, når afladningsspændingen var i området 100 til 200 volt.

"Det arbejde, vi rapporterer her, bekræftede kun gennemførligheden af ​​dette gasindløbsdesign. Vi mangler stadig at studere effekten af ​​dysevinklen, diameter, forholdet mellem dybde og diameter og længden af ​​udløbskanalen, " sagde Wei. Han fortsatte med at forudsige, at vortex-designet snart vil blive testet i flyvetype HT'er og i sidste ende kan blive brugt i rumflyvning.