Hallov motor

Hallov motor ( anglicky Hall-effect thruster HET ) je typ iónového motora, v ktorom je hnací plyn urýchľovaný elektrickým poľom. Hnacie motory s Hallovým efektom používajú magnetické pole na obmedzenie axiálneho pohybu elektrónov a potom ich používajú na ionizáciu hnacieho plynu, účinne urýchľujú ióny na vytvorenie ťahu a neutralizujú ióny v oblaku. Hallovy motory (založené na objave Edwina Halla ) sa niekedy označujú ako Hall thrusters alebo Hall-current thrusters. Hallov motor má špecifický impulz (1600 s)  a od 60. rokov 20. storočia ťažia zo značného teoretického a experimentálneho výskumu.  
Hallové motory pracujú s rôznymi pohonnými látkami, najčastejšie látky sú xenón a kryptón. Ďalšie zaujímavé hnacie látky zahŕňajú argón, bizmut, jód, horčík a zinok . 
Hnacie motory sú schopné zrýchliť výtokový plyn na rýchlosti medzi 10 a 80 km/s (špecifický impulz (ISP) 1 000 – 8 000 s), pričom väčšina modelov pracuje medzi 15 a 30 km/s (špecifický impulz 1 500 - 3 000 s). Vyrobený ťah závisí od úrovne výkonu. Zariadenia s výkonom 1,35 kW produkujú asi 83 mN ťahu. Modely s vysokým výkonom preukázali až 5,4 N v laboratóriu.   
Vstupné výkony hnacých motorov s Hallovým efektom sa pohybovali od roku 2009 v úrovniach  od 1,35 do 10 kilowattov a mali výtokové rýchlosti 10 - 50 kilometrov za sekundu, s ťahom 40–600 milinewtonov a účinnosťou v rozsahu 45–60 percent.  
Aplikácie Hallových motorov zahŕňajú riadenie orientácie a polohy satelitov obiehajúcich na obežných dráhach a použitie ako hlavný hnací motor pre stredne veľké robotické vesmírne sondy.

Princíp

Základným princípom fungovania Hallového motora je, že využíva elektrostatický potenciál na urýchlenie iónov až do vysokých rýchlostí. V Hallovom motore je priťahovaný záporný náboj zabezpečený elektrónovou plazmou na otvorenom konci trysky namiesto mriežky. Radiálne magnetické pole približne 100 – 300 G (0,01–0,03 T ) sa používa na obmedzenie elektrónov, kde kombinácia radiálneho magnetického poľa a axiálneho elektrického poľa spôsobí, že elektróny sa posunú v azimute, čím sa vytvorí Hallov prúd, podľa ktorého zariadenie získalo svoje meno. 
Na obrázku je znázornená schéma Hallovho motora. Medzi anódou a katódou je aplikovaný elektrický potenciál medzi 150 až 800 voltov. 
Centrálny hrot tvorí jeden pól elektromagnetu a je obklopený prstencovým priestorom a okolo neho je druhý pól elektromagnetu s radiálnym magnetickým poľom medzi nimi. 
Hnací plyn, ako je napríklad xenónový plyn, sa privádza cez anódu, ktorá má v sebe množstvo malých otvorov, ktoré pôsobia ako rozdeľovač plynu. Xenónový hnací plyn sa používa z dôvodu jeho vysokej atómovej hmotnosti a nízkeho ionizačného potenciálu . Keďže neutrálne xenónové atómy difundujú do kanála trysky, sú ionizovaného kolíziami s cirkulujúcimi vysoko energetickými elektrónmi (typicky 10–40   eV, alebo približne 10% výstupného napätia). Po ionizácii ióny xenónu majú typicky náboj +1, hoci malá frakcia (~ 20%) má +2. 
Xenónové ióny sa potom urýchľujú elektrickým poľom medzi anódou a katódou. Pre výbojové napätie 300 V, ióny dosahujú rýchlosti okolo 15 km/s a špecifický impulz 1 500 sekúnd (15 kN·s/kg). Pri odchode však ióny vytiahnu s nimi rovnaký počet elektrónov, čím sa vytvorí plazma s nulovým nábojom. 
Radiálne magnetické pole je navrhnuté tak, aby bolo dostatočne silné na to, aby v podstate vychýlilo elektróny s nízkou hmotnosťou, ale nie ióny s vysokou hmotnosťou, ktoré majú oveľa väčší gyrorádius a  sotva prekážajú. Väčšina elektrónov je teda prilepená na obežnej dráhe v oblasti vysokého radiálneho magnetického poľa v blízkosti výstupnej roviny výtoku, zachytenej v E × B (axiálne elektrické pole a radiálne magnetické pole). Táto orbitálna rotácia elektrónov je cirkulujúcim Hallovým prúdom. Zrážky s inými časticami a stenami, ako aj nestabilita plazmy, umožňujú, aby sa niektoré elektróny uvoľnili z magnetického poľa a driftovali smerom k anóde. 
Približne 20 - 30% výbojového prúdu je elektrónový prúd, ktorý nevyvoláva ťah, čím sa obmedzuje energetická účinnosť hnacieho zariadenia; ďalších 70–80% prúdu je v iónoch. Pretože väčšina elektrónov je zachytená v Hallovom prúde, majú dlhú dobu zdržania vo vnútri trysky a sú schopné ionizovať takmer všetky xenónové hnacie látky, čo umožňuje masové použitie 90 - 99%. Účinnosť použitia hnacieho ústrojenstva je teda okolo 90%, zatiaľ čo účinnosť výbojového prúdu je okolo 70%, pre kombinovanú účinnosť hnacieho zariadenia okolo 63% (= 90% × 70%). Moderné moderné halové motory dosiahli vďaka vyspelým dizajnom efektívnosť až 75%. 
V porovnaní s chemickými raketami je ťah veľmi malý, rádovo 83 mN pre typický hnací motor pracujúci pri 300 V, 1,5 kW. Pre porovnanie, hmotnosť mince, ako je americká štvrť alebo 20-centová eurová minca, je približne 60 mN. Rovnako ako u všetkých foriem elektricky poháňaných kozmických lodí, ťah je obmedzený dostupným výkonom, účinnosťou a špecifickým impulzom . 
Hallove hnacie motory  však pracujú pri vysokých špecifických impulzoch, ktoré sú typické pre elektrický pohon. Zvláštnou výhodou Hallových trysiek v porovnaní s mriežkovým ionizujúcim motorom je to, že generovanie a urýchľovanie iónov prebieha v kvázi neutrálnej plazme, takže nie je žiadne obmedzenie nasýteného prúdu podľa Child-Langmuirovho náboja (priestorový náboj). hustota ťahu. To umožňuje oveľa menšie trysky v porovnaní s mriežkovými iónovými tryskami. 
Ďalšou výhodou je, že tieto motory môžu používať širšiu paletu pohonných látok dodávaných do anódy, dokonca kyslík, hoci na katóde je potrebné niečo ľahko ionizované.

Valcové Hallové motory

Hoci konvenčné (prstencové) Hallové motory sú účinné v režime kilowattového výkonu, stávajú sa neefektívnymi, keď sú zmenšené na malé veľkosti. Je to spôsobené ťažkosťami spojenými s udržiavaním konštantných parametrov škálovania výkonu pri súčasnom znižovaní veľkosti kanála a zvyšovaní použitej sily magnetického poľa . To viedlo k vytvoreniu valcového hnacieho zariadenia. Valcová Hallova raketa môže byť vďaka svojej netradičnej geometrii výbojovej komory a príslušnému profilu magnetického poľa ľahšie zmenšená na menšie veľkosti.    Valcová Hallova raketa sa ľahšie hodí na miniaturizáciu a nízko energetickú prevádzku ako konvenčný (prstencový) Hallov motor. Primárnym dôvodom pre cylindrické Hallové motory je, že je ťažké dosiahnuť pravidelný Hallov motor, ktorý pracuje na širokej obálke od ~ 1   kW až do ~ 100 W pri zachovaní účinnosti 45-55%.

Vonkajší výbojový prepínač

Rozprašovacia erózia stien výpustných kanálov a pólových nástavcov, ktoré chránia magnetický obvod, spôsobuje poruchu činnosti hnacieho zariadenia. Preto prstencové a valcové Hallové motory majú obmedzenú životnosť. Hoci sa ukázalo, že magnetické tienenie dramaticky znižuje eróziu steny výpustného kanála, erózia pólového nástavca je stále problémom.  Ako alternatíva, netradičné Hall   Bola zavedená konštrukcia hnacieho ústrojenstva nazývaná externý výbojový Halter alebo externý výbojový plazmový motor (XPT).    Vonkajší výbojový halový pohon nemá žiadne steny výpustného kanála alebo pólové nástavce. Plazmový výboj sa vyrába a udržiava úplne v otvorenom priestore mimo štruktúry prítlačného zariadenia, čím sa dosahuje prevádzka bez erózie.

Aplikácie

Hallové motory lietajú vo vesmíre od decembra 1971, keď Sovietsi spustili SPT-50 na meteorickom satelite.  Viac ako 240 rakiet lietalo vo vesmíre od tej doby so 100% úspešnosťou.  Hallove motory teraz bežne lietajú na komerčných geostacionárnych komunikačných satelitoch, kde sa používajú na orbitálne umiestnenie a udržanie polohy . 
Prvý Hallov motor na západnom satelite bol ruský D-55 postavený TsNIIMASH, na satelite NRO's STEX  ktorá bol vypustený 3. októbra 1998.  
Systém slnečného elektrického pohonu kozmickej lode SMART-1 Európskej vesmírnej agentúry používal Hallov motor Snecma PPS-1350 -G.  SMART-1 bola technologická demonštračná misia, ktorá obiehala okolo Mesiaca . Toto použitie PPS-1350-G, počnúc 28. septembrom 2003, bolo prvým použitím Hall thrusteru mimo geosynchrónnej orbity Zeme (GSO). Na rozdiel od väčšiny propulzných systémov používaných v komerčných aplikáciách, Hall thruster na SMART-1 mohol byť škrtený cez rozsah sily, špecifický impulz a ťah.  Mal výkon 0,46–1,19   kW, špecifický impulz 1 100 - 1 600 s a ťah 30-70 mN.

Vo vývoji

Najväčší plánovaný Hallov motor je 40 kW pokročilý elektrický pohonný systém NASA (AEPS), určený na podporu rozsiahlych vedeckých misií a nákladnej dopravy v hlbokom vesmíre.