Silniki Halla

Plazmowe silniki typu Ion Gridded oraz Halla stają się obecnie standardowymi układami napędowymi dla relatywnie dużych satelitów (segment mikro i większe) i wywarły już duży wpływ na eksplorację przestrzeni kosmicznej, by wspomnieć choćby misje Smart-1 lub Deep Space 1. Obecnie obie technologie wykorzystują jako materiał pędny ksenon, który ma szereg zalet, takich jak chemiczna obojętność, łatwość przechowywania, bezpieczeństwo czy niski koszt jonizacji w porównaniu z innymi gazami. Jednak dla długotrwałych misji wysoka cena ksenonu staje się czynnikiem zaporowym, dlatego ESA (i nie tylko) rozważa możliwość znalezienia alternatywnego paliwa o lepszym stosunku kosztów do efektów. Krypton (którego zastosowanie zaproponowano po raz pierwszy ponad 20 lat temu) posiada wiele zalet ksenonu przy tylko nieznacznie wyższym koszcie jonizacji. Jednak mimo kilkukrotnie niższej ceny rynkowej krypton jak dotąd wykorzystywany był jedynie w układach eksperymentalnych, ze względu na relatywnie niską wydajność silników uzyskiwaną w dotychczasowych testach laboratoryjnych. Dostępność kryptonowego silnika Halla o zwiększonej wydajności byłaby znaczącym osiągnięciem, które pozwoliłoby na stosowanie napędów plazmowych w dużych misjach międzyplanetarnych. W świetle dzisiejszych badań podniesienie wydajności silników kryptonowych Halla jest możliwe przy zwiększonym napięciu wyładowania, a wynikający stąd zwiększony impuls właściwy jest celem samym w sobie, ponieważ z punktu widzenia misji pozwala oszczędniej gospodarować paliwem.

Plazmowy silnik Halla IFPiLM o mocy nominalnej 500 W był od początku projektowany z myślą o zasilaniu kryptonem z uwzględnieniem wynikającej z tego faktu specyfiki, np. zwiększonych w odniesieniu do ksenonu obciążeń cieplnych. Punktem odniesienia jest znany i uważany za najbardziej dojrzały układ SPT-100 o mocy nominalnej 1350 W i zewnętrznej średnicy kanału wyładowania 100 mm.

Silniki typu Halla należą do grupy napędów elektrostatycznych pracy ciągłej, w których dla zapewnienia efektywnej jonizacji gazu i przyspieszania jonów niezbędne jest statyczne pole magnetyczne. Neutralny gaz wprowadzany jest przez anodę zamykającą jeden koniec koncentrycznej komory ceramicznej. Drugi koniec komory tworzącej kanał wyładowania jest otwarty. Katodę umieszcza się na zewnątrz komory tak, że w kanale ustala się pole elektryczne E o kierunku osiowym (głównie). Gęstość gazu jest na tyle niska, że średnia droga swobodna atomów znacznie przekracza rozmiary układu, co normalnie ogranicza skuteczną jonizację. By temu zaradzić, w obszarze ujścia kanału wytwarza się radialne pole magnetyczne B. „Schwytane” w nim elektrony wykonują azymutalny dryf w prostopadłych polach E×B (wzbudzany jest prąd Halla), który umożliwia efektywną jonizację atomów w zderzeniach z elektronami dostarczanymi przez wydajną katodę (zwykle wnękową, z własnym wyładowaniem łukowym) umieszczoną poza kanałem. Zderzenia, mimo pola magnetycznego, umożliwiają dyfuzyjny przepływ prądu elektronowego do anody. Pole magnetyczne jest jednak na tyle słabe, że nie modyfikuje w zauważalny sposób trajektorii jonów, dzięki czemu uzyskują one w podłużnym polu elektrycznym prędkości osiowe 15-25 km/s. Na zewnątrz kanału jony są neutralizowane przez dodatkowe elektrony emitowane z tej samej katody tak, że mogą dalej swobodnie się przemieszczać jako strumień plazmy quasi-neutralnej, nie prowadząc do ładowania się układu silnika i w konsekwencji samego satelity. Silnik pracuje tak długo, jak długo jest zasilany gazem i napięciem. Przedstawiony na fotografii silnik Halla to trzecia wersja wypracowana w ramach projektu KLIMT i stanowiąca punkt wyjścia dla projektu HIKHET.

Góra: fotografia trzeciej wersji silnika KLIMT. Dołączona komercyjna katoda HeatWaveLabs. Średnica zewnętrzna kanału wyładowania 50 mm, szerokość kanału 8 mm. Moc nominalna 500 W. Masa ok. 3 kg. Poniżej działający silnik z kryptonem (lewy panel) i z ksenonem (prawy)

Impulsowe silniki plazmowe

Długofalowa wizja rozwoju najmniejszych satelitów zakłada, że powinny one dysponować własnym napędem pozwalającym na kompensację resztkowych oporów w przestrzeni okołoziemskiej (zwykle umieszczane są na orbitach typu LEO), zmianę orientacji na orbicie lub nawet zmianę samej orbity (spiralne podnoszenie, deorbitacja), a więc posiadać układy zapewniające funkcjonalność od dawna dostępną na pokładach większych satelitów. Ze względu na ograniczoną masę jak i dostępną na pokładzie nanosatelity moc elektryczną (kilka W) z jednej strony oraz oferowany przez silnik potencjalny całkowity przyrost prędkości (ΔV) z drugiej, dobór właściwego typu napędu ma dla powodzenia misji znaczenie krytyczne. Według dzisiejszych ocen nadzieje na wydłużenie czasu życia nanosatelitów oraz stworzenie możliwości szeroko rozumianego ich pozycjonowania w oparciu o impulsowe silniki plazmowe są w pełni uzasadnione, a doskonalenie samych silników jest realne. Należy dodać, że ze względu na bardzo precyzyjne dozowanie impulsów ciągu (poprzez repetycję) tego typu silniki odpowiadają potrzebom także większych sond kosmicznych, gdy dokładność pozycjonowania staje się sprawą kluczową.

Impulsowe silniki plazmowe należą do grupy elektromagnetycznych napędów odrzutowych, w których masa uwalniana z izolatora (zwykle z Teflonu) w procesie ablacji (wstępnie zjonizowana chmura gazowa) jest przyspieszana przez siłę Ampera f=j×B działającą na prąd o gęstości j płynący w plazmie wytworzonej przez wyładowanie elektryczne powstające pomiędzy dwiema elektrodami zasilanymi z baterii kondensatorów. Potrzebne do wytworzenia tej siły pole magnetyczne B pochodzi od własnego prądu wyładowania, jaki ustala się w obwodzie. Efektywność przyspieszania masy zależy od parametrów fizycznych gazu (masa molekularna, potencjał jonizacji itd.), a jej utylizacja jest określona przez stosunek masy przyspieszonej do dostarczanej.

Innowacyjność zaproponowanego w ramach projektu L-μPPT rozwiązania polega przede wszystkim na zastosowaniu jako paliwa ciekłego polimeru fluorowęglowego o bardzo niskim ciśnieniu pary nasyconej (1e-9 mbar) i łańcuchach zawierających w dużej części monomery charakterystyczne dla stałego Teflonu używanego w układach klasycznych. Dzięki temu można w porównaniu z silnikami zasilanymi innymi cieczami (proponowane były woda, alkohole i inne łatwo parujące ciecze organiczne) zdecydowanie uprościć budowę i zwiększyć precyzję układu dozowania poprzez stosowanie układów otwartych (pompowanie paliwa siłami kapilarnymi w otwartych kanałach), lepszą lokalizację obszaru ablacji oraz zwiększyć masę paliwa w porównaniu z układami wykorzystującymi stały polimer. Możliwe jest też w stosunku do układów klasycznych zwiększenie całkowitego impulsu poprzez zwiększenie utylizacji paliwa biorącego udział w wyładowaniu. Dużą zaletę stanowi możliwość zastosowania wspólnego zbiornika paliwa dla kilku silników gwarantujących obsługę kilku stopni swobody ruchu satelity, a więc kontrolę położenia. Ten aspekt jest szczególnie interesujący w porównaniu np. z układami ze stałym polimerem, gdzie każdy z silników ma indywidualny zapas paliwa, co nie pozwala na wyrównywanie jego ubytków w zależności od obciążenia poszczególnych silników. Co więcej stałe dostarczanie paliwa do obszaru wyładowania zapobiega zmianie wydajności na skutek wypalania się bloku Teflonu.

Ogólny schemat silnika L-μPPT przedstawia rysunek poniżej. Podłączone do baterii kondensatorów rozbieżne elektrody o zwężającym się kształcie rozdziela ceramiczny izolator o powierzchni ok. 1 cm². Otwarty mikrorowek wycięty w izolatorze łączy obie elektrody. Rowek ten jest napełniany paliwem (PFPE) przez kapilarę, która stanowi zakończenie układu paliwowego złożonego ze zbiornika, mikropompy i zaworu. Na rysunku zostały zaznaczone czujniki temperatury i ciśnienia. Napięcie, do jakiego jest ładowana bateria kondensatorów (750-1500 V), nie wystarcza do zapłonu wyładowania na powierzchni paliwa wypełniającego rowek. Dlatego do inicjacji wyładowania z baterii głównej stosuje się dodatkowy układ iskiernika zasilanego z impulsowego generatora wysokiego napięcia (10-20 kV), tak jak w klasycznych silnikach teflonowych. Tak więc użycie układu zapłonowego pozwala kontrolować moment inicjacji wyładowania w miarę potrzeb, gdy dostarczone do rowka paliwo czeka bez parowania do próżni przy naładowanej baterii (podobnie do układów ze stałym polimerem).

Schemat ideowy silnika L-μPPT, widok elektrod wraz z kanałem wypełnionym paliwem oraz fotografia wyładowania na powierzchni izolatora i propagującej plazmy