Обзор электроракетных двигателей холловского типа с магнитной системой, основанной на постоянных магнитах



В статье проведен обзор современного состояния развития электроракетных двигателей с магнитной системой, основанной на постоянных магнитах. Рассмотрены основные параметры таких двигателей и проведено сравнение с электроракетными двигателями с классической схемой магнитной системы на электромагнитных катушках.

Ключевые слова: электроракетные двигатели, постоянные магниты, ЭРД малой мощности

Электроракетные двигатели холловского типа могут быть нескольких видов. Одним из них являются стационарные плазменные двигатели (СПД). Данный вид двигателей находит широкое применение на борту современных космических аппаратов (КА). Так как в настоящее время всё больший интерес представляют малые космические аппараты, то расширяются работы по созданию малых КА нового поколения, которые могут быть использованы для решения различных задач, в том числе для телекоммуникации и дистанционного зондирования Земли. Интерес к созданию и последующему использованию малых космических аппаратов объясняется их относительно низкой стоимостью, сокращением сроков разработки и изготовления, снижением риска больших финансовых потерь в случае неудачного запуска, а также уменьшением стоимости вывода таких аппаратов на орбиту и их последующей эксплуатации.

В связи с этим значительно вырос интерес к созданию дешевых и надежных двигательных установок на базе электрических ракетных двигателей (ЭРД) малой мощности. Основные функции, которые должен выполнять двигатель на борту КА — это коррекция орбиты КА, удержание его на заданной орбите, сохранение нужной ориентации в пространстве. Под данное описание и задачи хорошо подходят стационарные плазменные двигатели малой мощности. Маленькими называют, как правило, ускорители с мощностью менее 500 Ватт и средним диаметром ускоряющего канала менее 50 мм. [1]

Так как маленькие двигатели предполагается использовать на малых космических аппаратах, возникает задача по снижению потребляемой двигателем электрической мощности. Значительную часть энергии, потребляемой СПД малых размеров, составляет энергия, используемая для создания необходимого магнитного поля в электромагнитных катушках. В качестве альтернативы, для создания необходимой конфигурации магнитного поля, но без затрат электроэнергии, предполагается использовать магнитную систему, основанную на постоянных магнитах. Данное изменение, а именно — выбор постоянных магнитов вместо электромагнитных катушек позволяет также убрать один источник питания, что благоприятно сказывается на массогабаритных характеристиках двигательной установки. Кроме прямого снижения затрачиваемой двигателем мощности это приводит еще и к снижению тепловыделения в двигателе.

Для создания представления о положении дел в данном направлении рассмотрим несколько типичных представителей СПД малой мощности, основанных на классической схеме с электромагнитными катушками. Характеристики двигателей для удобства сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Характеристики СПД малой мощности склассической схемой магнитной системы [2]

Модель ЭРД	Wd, [Вт]	Vd, [В]	mA, [г/с]	F, [мН]	Iуд., [с]	𝜂A	𝜂
SPT-50	310	280	1.26	18	1450	0.42	0.32
	138	282	0.68	8	1100	0.34	0.29
	110		0.60	8
	86	201	0.51	5.3	850	0.32	0.21
	47	135	0.30	3.2	950
KM-37	200	270	0.80	11.7	1405		0.40
	150	236	0.70	8.7	1180		0.34
	100	192	0.60	5.7	895		0.24
KM-32	160	168	0.74	10.4	1410	0.45
X-40	189	320	0.50	8.5	1700	0.38
	110	200	0.50	5.8	1160	0.31
SPT-30	202	200	0.98	11.3	1170	0.32	0.29
	90	150	0.61	4.9	819	0.22	0.19
SPT-25	134	180	0.59	5.5	948	0.22
	59	100	0.59	3.2	554	0.17	0.14
ВHТ-200	200	300	0.70	11.4	1500	0.41	0.35
	100	192	0.35	3.8	1100	0.20	0.15
D-38	212	95	2.23	12.9	700	0.21
	220	250	0.88	11.4	1336	0.33
	110	200	0.62	5.1	862	0.19
T-27	201	251	0.70	9.6	1430	0.33
	114	190	0.53	5.3	1033	0.23
MIT	100	250	0.21	1.6	773		0.063
	42	200	0.17	0.85	515		0.050

Из таблицы видно, что многие двигатели могут работать в различных режимах, а не только в расчётных. Таблица помогает получить представления о значениях основных параметров, к которым стоит стремиться при разработке нового двигателя, если стоит задача проектирования. При этом важно отметить, что КПД двигателей, представленных в таблице, достаточно мал (10–30 %), что является характерной чертой маленьких холловских ускорителей. [3]

Далее в статье будут рассматриваться различные двигатели холловского типа, в основе магнитной системы которых применяются постоянные магниты. Как правило, это небольшие двигатели, так как эффективное отведение тепла из конструкции двигателя в космосе является сложной задачей, однако есть и крупные лабораторные образцы, охлаждение которых на Земле не составляет проблем. Рассматриваемые двигатели разработаны в различных странах, имеющих собственные космические программы. Основная цель таких разработок — доведение конструкций до состояния, пригодного для использования на борту космических аппаратов.

1. CHTpm[4]

Данный двигатель (рис. 1) был разработан и изготовлен в Принстонской лаборатории физики плазмы (США). Двигатель цилиндрического типа с диапазоном мощности от 50 до 300 ватт. Диаметр разрядной камеры составляет 26 мм. Габаритные размеры двигателя составляют: 55 мм диаметр и 35 мм длина. Магнитная система состоит из магнитопровода и двух кольцевых Co-Sm магнитов, расположенных на внешней части магнитопровода. Масса двигателя составляет 350 грамм. Для сравнения, аналогичный двигатель, но с магнитной системой на электромагнитных катушках имеет массу в 2 раза больше — 700 грамм и значительно большие габаритные размеры: 78 мм в диаметре и 70 мм в длину.

Рис. 1. Цилиндрический холловский двигатель CHTpm на постоянных Co-Sm магнитах

При одинаковых геометрических параметрах магнитной системы постоянные магниты позволяют получать различную конфигурацию магнитного поля, зависящую от взаимного расположения магнитных полюсов кольцевых магнитов (рис. 2). Магнитопровод двигателя изготовлен из низкоуглеродистой стали.

Рис. 2. Различные конфигурации магнитного поля двигателя, при (а) сонаправленном расположении магнитных полюсов, (b) противоположном

2. TCHT-5[5]

Данный двигатель (рис. 3) был разработан и изготовлен в университете технологий города Осака, Япония. Двигатель цилиндрического типа с диапазоном мощности от 30 до 190 ватт. При различных условиях удавалось получить значения тяги от 1,8 мН до 7,3 мН, а также значения удельного импульса от 250 до 940 секунд. Однако КПД данного двигателя очень мал и составляет менее 3 %. Магнитная система состоит из магнитопровода и цилиндрических постоянных Co-Sm магнитов, расположенных в 8 сборках, равномерно распределенных по радиусу. Каждая сборка состоит из 5 магнитов. В качестве рабочего тела в двигателе используется ксенон.

Рис. 3. Двигатель TCHT-5 в разрезе

Далее будем рассматривать более привычные холловские ускорители, не цилиндрические, а те в которых присутствует ускоряющий канал. В связи с тем, что в космической отрасли все изменения происходят плавно, такие конструкции имеют гораздо большие шансы на воплощение, так как данный тип конструкции является более отработанным на двигателях с электромагнитными катушками.

3. Двигателилинейки PHALL [6,7]

Двигатели данной линейки разрабатываются для будущих миссий космической программы Бразилии. Разработки ведутся совместно в лаборатории физики плазмы университета Бразилии и на факультете аэрокосмической промышленности университета Бразилии.

Двигатель PHALL 1 (рис. 4, 5) имеет внешний диаметр 30 см. Тягу в диапазоне от 26,5 до 126 мН, удельный импульс от 803,5 до 1607 секунд. Потребляемая им мощность составляет 1250 ватт и КПД до 8,4 %. В магнитной системе данного двигателя используются постоянные Co-Sm магниты в форме параллелепипедов.

Рис. 4. Двигатель PHALL 1 в разрезе

Рис. 5. Компьютерная модель двигателя PHALL 1

Однако гораздо более интересным двигателем с точки зрения малых КА можно считать двигатель PHALL 2 (рис. 6). Так как он имеет меньший внешний диаметр (15 сантиметров), тягу от 23 до 150 мН, удельный импульс от 1500 до 2000 секунд, а потребляемая двигателем мощность находится в интервале от 500 до 1000 ватт. При этом двигатель обладает высоким КПД: от 45 до 60 %. В случае с данной модификацией проводились опыты с разными магнитами в магнитной системе. В первом случае это были Co-Sm магниты (рис. 6), а во втором — применялись магниты с составом Nd-Fe-B, при сохранении геометрии магнитопроводов (рис. 7).

Рис. 6. Двигатель PHALL 2 с Co-Sm магнитами

Рис. 7. Магнитная система двигателя PHALL 2 с Nd-Fe-B магнитами

4. PPI (Propulseur Plasma Innovant) [8]

Разработки электроракетного двигателя PPI с магнитной системой, основанной на постоянных магнитах, ведутся также и во Франции. Этим занимается международная команда специалистов из нескольких человек. На данный момент разработан и изготовлен первый опытный образец (рис. 8).

Рис. 8. Двигатель PPI

В основе магнитной системы данного двигателя применяются постоянные Co-Sm магниты. Для их эффективного охлаждения используется медное охлаждаемое основание. Путем многочисленных замен магнитов и изменения их геометрии была создана необходимая конфигурация магнитного поля в ускорительном канале. Для данного двигателя приводится крайне мало характеристик, известно лишь то, что тяга данного двигателя составляет 10 мН.

5. МНТ-9 [9]

Данный двигатель (рис. 9, 10) был разработан, а затем полностью протестирован в Массачусетском технологическом институте, США. При своем маленьком диаметре канала — 9 мм, двигатель способен работать в очень широком диапазоне мощности от 20 до 516 ватт. Расчетная мощность данного двигателя 200 ватт, рабочий газ — ксенон. В магнитной системе применялись специальные Co-Sm магниты с точкой Кюри около 860 градусов Цельсия. Перед установкой в двигатель данные магниты проходили процедуру термостабилизации. Это необходимо для того, чтобы в процессе работы двигателя и нагрева магнитов не происходило изменения направления вектора намагниченности магнитов. Для того, чтобы не допустить нагрева магнитов выше их рабочей температуры, все магниты имели контакт с теплоотводящими медными элементами, которые отводили тепло на охлаждаемое основание.

Рис. 9. Модель двигателя MHT-9

Рис. 10. Двигатель MHT-9 в разрезе

Магнитная система данного двигателя не имеет центральных элементов для создания магнитного поля. Магнитное поле создается кольцевыми магнитами на периферии и далее с помощью магнитопровода создается необходимая конфигурация и индукция поля в разрядном промежутке. Это также является важным моментом с точки зрения охлаждения магнитов. Их охватывает втулка, изготовленная из меди. А сама втулка находится в непосредственном контакте с медным основанием. Сечение магнитной системы и геометрия создаваемого ею поля представлены на рис. 11.

Рис. 11. Сечение магнитной системы двигателя MHT-9 и геометрия создаваемого поля

В зависимости от того, какой параметр двигателя (мощность, КПД, удельный импульс) являлся приоритетным при проведении испытаний, получались различные значения основных параметров двигателя (рис. 12).

Рис. 12. Основные характеристики двигателя при разных режимах работы

6. Micro-Hall Thruster

Еще одним интересным и во многом уникальным является двигатель, разработанный в Стендфордском университете, США. Этот двигатель является самым маленьким из созданных холловских двигателей (рис. 13). Внешний диаметр канала составляет всего 4 мм, а ширина — 0,5 мм. При этом магнитное поле создается постоянным Co-Sm магнитом, а индукция поля в канале достигает величины 1 Тесла. При использовании ксенона была подтверждена работоспособность в диапазоне мощности от 10 до 40 Ватт. Тяга изменялась от 0,6 до 1,6 мН. В ходе проведения испытаний двигатель показал крайне низкую эффективность и невысокие значения удельного импульса, который изменялся в диапазоне от 300 до 850 секунд.

Рис. 13. Схема двигателя Micro-Hall Thruster

Заключение

Для удобного сравнения рассмотренных двигателей, их основные характеристики (мощность, тяга, удельный импульс, КПД) сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Характеристики некоторых ЭРД на постоянных магнитах

Двигатель	Мощность, W, [Вт]	Тяга, F, [Н]	Удельный импульс, Isp, [с]	КПД, 𝜂, [%]
CHTpm	50–300	–	–	–
TCHT-5	30–190	1,8–7,3	250–940	< 3
PHALL-1	1250	26,5–126	–	< 8,4
PHALL-2	500–1000	23–150	1500–2000	45–60
PPI	–	10	–	–
MHT-9	20–516 (200)*	7,1	1676	–
Micro-Hall Thruster	10–40	0,6–1,6	300–850	< 3
*- значение в скобках обозначает номинальную (расчетную) мощность двигателя.

Из таблицы следует, что при разработке электроракетных двигателей с магнитной системой, основанной на постоянных магнитах, удается достичь конкурентоспособных значений основных параметров. Однако данные двигатели являются еще только лабораторными образцами, для которых требуется проведение многочисленных испытаний и доработка конструкции, прежде чем можно будет говорить об их использовании в составе космических аппаратов.

Также необходимо помнить, что постоянные магниты и созданные на их основе магнитные системы двигателей могут иметь недостатки. К таким недостаткам можно отнести постоянное магнитное поле, влияние которого на аппаратуру космического аппарата сложно оценить без соответствующих испытаний. Еще одним недостатком таких конструкций является то, что постоянные магниты чувствительны к нагреву (падает коэрцитивная сила). Также необходимо не допускать нагрева магнитов до температур выше рабочих, так как они начинают размагничиваться и полностью размагничиваются при достижении точки Кюри. Соответственно, постоянные магниты и вся конструкция двигателя целиком требует хорошего охлаждения. Для постоянных магнитов также характерно, хоть и незначительное, но изменение направления вектора намагничивания с течением времени, что может отрицательно сказаться на симметрии магнитного поля двигателя и выдаваемых двигателем параметрах.

Суммируя вышесказанное, можно прийти к выводу, что создание электроракетных двигателей с магнитной системой, основанной на постоянных магнитах, является перспективным направлением. Проблемы при создании таких двигателей могут быть решены с использованием современных знаний и технологий.

Литература:

1. Grimaud L., Vaudolon J., Mazouffre S. Design and characterization of a 200W Hall thruster in “magnetic shielding” configuration // 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. — Salt Lake City, UT, 2016.
2. Ahedo E., Gallardo J. M. Scaling down Hall thrusters // 28th International Electric Propulsion Conference. — Madrid, Spain, 2003. — P. 104.
3. Smirnov A., Raitses Y., Fisch N. J. Parametric investigation of miniaturized cylindrical and annular Hall thrusters // Journal of Applied Physics. — 2002. — Vol. 92, № 10. — P. 5673–5679.
4. Cylindrical Hall thrusters with permanent magnets / Raitses Y., Merino E., Fisch N. J. // Journal of Applied Physics. — 2010. — № 108.
5. Ikeda T., Mito Y., Nishida M., Kagota T., Kawamura T., Tahara H. Development of Low-Power Cylindrical type Hall Thrusters for Nano Satellite // 33rd International Electric Propulsion Conference. — Osaka, Japan, 2013. — P. 109
6. A Permanent Magnet Hall Thruster for Pulsed Orbit Control of Lunar Polar Satellites / Moraes B. S., Ferreira J. L., Ferreira I. S., Winter O. C., Mourao D. C. // Journal of Physics: Conference Series. — 2014. — № 511.
7. Ferreira J. L. A review on the performance and development of permanent magnet hall thrusters at university of Brasilia // 16 congresso brasileiro de dinâmica orbital. — Serra Negra, Brazil, 2012.
8. Ionization and acceleration processes in a small, variable channel width, permanent-magnet Hall thruster / Mazouffre S., Bourgeois G., Dannenmayer K., Lejeune A. // Journal of Physics D: Applied Physics. — 2012. — № 45.
9. Warner N. Z. Theoretical and Experimental Investigation of Hall Thruster Miniaturization: Ref … degree of Dr. of Ph. in Aeronautics and Astronautics. — Massachusetts: MIT, 2007. — 264 p.
10. Ito T., Gascon N., Crawford W. S., Cappelli M. A. Experimental Characterization of a Micro-Hall Thruster // Journal of Propulsion and Power. — 2007. — Vol. 23, No. 5. — P. 1068–1074.