En la propulsión de naves espaciales , un propulsor de efecto Hall (HET) es un tipo de propulsor iónico en el que el propulsor se acelera mediante un campo eléctrico . Los propulsores de efecto Hall (basados en el descubrimiento de Edwin Hall ) a veces se denominan propulsores Hall o propulsores de corriente Hall . Los propulsores de efecto Hall utilizan un campo magnético para limitar el movimiento axial de los electrones y luego los utilizan para ionizar el propulsor, acelerar eficientemente los iones para producir empuje y neutralizar los iones en la columna. El propulsor de efecto Hall se clasifica como una tecnología de propulsión espacial de impulso específico moderado (1600 s) y se ha beneficiado de una considerable investigación teórica y experimental desde la década de 1960. [1]
Los propulsores Hall funcionan con distintos combustibles, siendo los más comunes el xenón y el criptón . Otros combustibles de interés son el argón , el bismuto , el yodo , el magnesio , el zinc y el adamantano .
Los propulsores Hall pueden acelerar sus gases de escape a velocidades de entre 10 y 80 km/s (1000–8000 s de impulso específico), y la mayoría de los modelos funcionan a velocidades de entre 15 y 30 km/s. El empuje producido depende del nivel de potencia. Los dispositivos que funcionan a 1,35 kW producen unos 83 mN de empuje. Los modelos de alta potencia han demostrado hasta 5,4 N en el laboratorio. [2] Se han demostrado niveles de potencia de hasta 100 kW para propulsores Hall de xenón.
En 2009 [actualizar], los propulsores de efecto Hall tenían niveles de potencia de entrada que variaban de 1,35 a 10 kilovatios y tenían velocidades de escape de 10 a 50 kilómetros por segundo, con un empuje de 40 a 600 milinewtons y una eficiencia en el rango de 45 a 60 por ciento. [3] Las aplicaciones de los propulsores de efecto Hall incluyen el control de la orientación y posición de los satélites en órbita y su uso como motor de propulsión principal para vehículos espaciales robóticos de tamaño mediano. [3]
Los propulsores Hall se estudiaron de forma independiente en Estados Unidos y la Unión Soviética . Se describieron públicamente por primera vez en Estados Unidos a principios de la década de 1960. [4] [5] [6] Sin embargo, el propulsor Hall se desarrolló por primera vez como un dispositivo de propulsión eficiente en la Unión Soviética. En Estados Unidos, los científicos se centraron en el desarrollo de propulsores iónicos en rejilla .
En la Unión Soviética se desarrollaron dos tipos de propulsores Hall:
El diseño del SPT fue en gran parte obra de AI Morozov. [7] [8] El primer SPT que operó en el espacio, un SPT-50 a bordo de una nave espacial soviética Meteor , fue lanzado en diciembre de 1971. Se utilizaron principalmente para la estabilización de satélites en direcciones norte-sur y este-oeste. Desde entonces hasta finales de la década de 1990, 118 motores SPT completaron su misión y unos 50 continuaron en funcionamiento. El empuje de la primera generación de motores SPT, SPT-50 y SPT-60, fue de 20 y 30 mN respectivamente. En 1982, se introdujeron el SPT-70 y el SPT-100 , con empujes de 40 y 83 mN, respectivamente. En la Rusia postsoviética se introdujeron los modelos de alta potencia (unos pocos kilovatios ) SPT-140 , SPT-160, SPT-200, T-160 y de baja potencia (menos de 500 W) SPT-35. [9]
Los propulsores tipo TAL soviéticos y rusos incluyen el D-38, D-55, D-80 y D-100. [9]
Desde los años 1980 se han utilizado más de 200 propulsores Hall en satélites soviéticos y rusos, y nunca se ha producido ningún fallo en órbita. [ cita requerida ]
Los propulsores de fabricación soviética se introdujeron en Occidente en 1992 después de que un equipo de especialistas en propulsión eléctrica del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA , el Centro de Investigación Glenn y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea , con el apoyo de la Organización de Defensa de Misiles Balísticos , visitaran laboratorios rusos y evaluaran experimentalmente el SPT-100 (es decir, un propulsor SPT de 100 mm de diámetro). Los propulsores Hall siguen utilizándose en naves espaciales rusas y también han volado en naves espaciales europeas y estadounidenses. Space Systems/Loral , un fabricante estadounidense de satélites comerciales, ahora vuela con Fakel SPT-100 en su nave espacial de comunicaciones GEO.
Desde principios de los años 1990, los propulsores Hall han sido objeto de un gran número de esfuerzos de investigación en Estados Unidos, India, Francia, Italia, Japón y Rusia (con muchos esfuerzos más pequeños dispersos en varios países de todo el mundo). La investigación sobre propulsores Hall en Estados Unidos se lleva a cabo en varios laboratorios gubernamentales, universidades y empresas privadas. Los centros gubernamentales y financiados por el gobierno incluyen el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, el Centro de Investigación Glenn de la NASA , el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (Edwards AFB, California) y The Aerospace Corporation . Las universidades incluyen el Instituto de Tecnología de la Fuerza Aérea de Estados Unidos , [10] la Universidad de Michigan , la Universidad de Stanford , el Instituto Tecnológico de Massachusetts , la Universidad de Princeton , la Universidad Tecnológica de Michigan y Georgia Tech . Se está llevando a cabo una cantidad considerable de desarrollo en la industria, como IHI Corporation en Japón, Aerojet y Busek en Estados Unidos, SNECMA en Francia, LAJP en Ucrania, SITAEL en Italia y Satrec Initiative en Corea del Sur.
El primer uso de propulsores Hall en la órbita lunar fue la misión lunar SMART-1 de la Agencia Espacial Europea (ESA) en 2003.
Los propulsores Hall se demostraron por primera vez en un satélite occidental en la nave espacial STEX del Laboratorio de Investigación Naval (NRL), que voló el D-55 ruso. El primer propulsor Hall estadounidense en volar al espacio fue el Busek BHT-200 en la nave espacial de demostración de tecnología TacSat-2 . El primer vuelo de un propulsor Hall estadounidense en una misión operativa fue el Aerojet BPT-4000, que se lanzó en agosto de 2010 en el satélite militar de comunicaciones GEO de frecuencia extremadamente alta avanzada . Con 4,5 kW, el BPT-4000 es también el propulsor Hall de mayor potencia que jamás haya volado en el espacio. Además de las tareas habituales de mantenimiento de la posición, el BPT-4000 también proporciona capacidad de elevación de órbita a la nave espacial. El X-37B se ha utilizado como banco de pruebas para el propulsor Hall de la serie de satélites AEHF. [11] Varios países de todo el mundo siguen esforzándose por calificar la tecnología de propulsores Hall para usos comerciales. La constelación Starlink de SpaceX , la constelación de satélites más grande del mundo, utiliza propulsores de efecto Hall. Starlink inicialmente utilizó gas criptón, pero en sus satélites V2 cambió a argón debido a su precio más barato y amplia disponibilidad. [12]
El primer despliegue de propulsores Hall más allá de la esfera de influencia de la Tierra fue la nave espacial Psyche , lanzada en 2023 hacia el cinturón de asteroides para explorar 16 Psyche . [13]
La investigación en la India la llevan a cabo institutos de investigación y empresas tanto públicas como privadas.
En 2010, la ISRO utilizó propulsores de iones de efecto Hall en el GSAT-4 transportado por el GSLV Mk2 D3. Tenía cuatro propulsores alimentados por xenón para mantener la posición Norte-Sur. Dos de ellos eran rusos y los otros dos, indios. Los propulsores indios tenían una potencia nominal de 13 mN. Sin embargo, el GSLV D3 no llegó a la órbita.
En 2013, la ISRO financió el desarrollo de otra clase de propulsor eléctrico llamado propulsor de propulsión eléctrica magnetoplasmadinámica. Posteriormente, el proyecto desarrolló un prototipo de demostración tecnológica, el propulsor dinámico de plasma magneto (MPD), que utiliza propulsor de argón con un impulso específico de 2500 s a un empuje de 25 mN.
El año siguiente, en 2014, la ISRO se dedicó al desarrollo de propulsores SPT de 75 mN y 250 mN para utilizarlos en sus futuros satélites de comunicaciones de alta potencia. Los propulsores de 75 mN se utilizaron en el satélite de comunicaciones GSAT-9. [14]
En 2021 se completó el desarrollo de un propulsor de 300 mN. Junto con él, se estaba desarrollando un motor de plasma de 10 kW alimentado por radiofrecuencia y una propulsión eléctrica de baja potencia basada en criptón. [15]
Con la entrada de empresas privadas en el ámbito espacial, Bellatrix Aerospace se convirtió en la primera empresa comercial en sacar al mercado propulsores de efecto Hall. El modelo actual del propulsor utiliza xenón como combustible. Las pruebas se llevaron a cabo en el laboratorio de investigación de propulsión de naves espaciales del Instituto Indio de Ciencias de Bengaluru. La tecnología de cátodo sin calentador es la innovación clave que los distingue de la competencia al aumentar la vida útil y la redundancia del sistema. La empresa emergente de tecnología espacial había desarrollado anteriormente el primer propulsor de plasma de microondas comercial del mundo, que utilizaba agua como combustible y lo calentaba instantáneamente mediante plasma inducido por microondas, y para el cual la empresa había conseguido un pedido de ISRO. [16]
El principio de funcionamiento esencial del propulsor Hall es que utiliza un potencial electrostático para acelerar los iones hasta alcanzar altas velocidades. En un propulsor Hall, la carga negativa atractiva la proporciona un plasma de electrones en el extremo abierto del propulsor en lugar de una rejilla. Se utiliza un campo magnético radial de aproximadamente 100–300 G (10–30 mT ) para confinar los electrones, donde la combinación del campo magnético radial y el campo eléctrico axial hace que los electrones se desplacen en acimut formando así la corriente Hall de la que el dispositivo obtiene su nombre.
En la imagen adjunta se muestra un esquema de un propulsor Hall. Se aplica un potencial eléctrico de entre 150 y 800 voltios entre el ánodo y el cátodo .
La punta central forma un polo de un electroimán y está rodeada por un espacio anular, y alrededor de éste está el otro polo del electroimán, con un campo magnético radial en el medio.
El propulsor, como el gas xenón , se introduce a través del ánodo, que tiene numerosos orificios pequeños que actúan como distribuidor de gas. A medida que los átomos neutros de xenón se difunden en el canal del propulsor, se ionizan por colisiones con electrones de alta energía circulantes (normalmente de 10 a 40 eV, o aproximadamente el 10 % del voltaje de descarga). La mayoría de los átomos de xenón se ionizan hasta una carga neta de +1, pero una fracción notable (aproximadamente el 20 %) tiene una carga neta de +2.
Los iones de xenón son acelerados por el campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo. Para voltajes de descarga de 300 V, los iones alcanzan velocidades de alrededor de 15 km/s (9,3 mi/s) para un impulso específico de 1.500 s (15 kN·s/kg). Sin embargo, al salir, los iones arrastran un número igual de electrones, creando una columna de plasma sin carga neta.
El campo magnético radial está diseñado para ser lo suficientemente fuerte como para desviar sustancialmente los electrones de baja masa, pero no los iones de alta masa, que tienen un radio de giro mucho mayor y apenas se ven obstaculizados. La mayoría de los electrones quedan así atrapados en órbita en la región de alto campo magnético radial cerca del plano de salida del propulsor, atrapados en E × B (campo eléctrico axial y campo magnético radial). Esta rotación orbital de los electrones es una corriente Hall circulante , y es de esto que el propulsor Hall obtiene su nombre. Las colisiones con otras partículas y paredes, así como las inestabilidades del plasma, permiten que algunos de los electrones se liberen del campo magnético y se desplacen hacia el ánodo.
Entre el 20 y el 30 % de la corriente de descarga es una corriente de electrones, que no produce empuje, lo que limita la eficiencia energética del propulsor; el 70-80 % restante de la corriente está en los iones. Debido a que la mayoría de los electrones están atrapados en la corriente Hall, tienen un largo tiempo de residencia dentro del propulsor y pueden ionizar casi todo el propulsor de xenón, lo que permite un uso masivo del 90-99 %. La eficiencia de uso masivo del propulsor es, por lo tanto, de alrededor del 90 %, mientras que la eficiencia de la corriente de descarga es de alrededor del 70 %, para una eficiencia combinada del propulsor de alrededor del 63 % (= 90 % × 70 %). Los propulsores Hall modernos han logrado eficiencias de hasta el 75 % mediante diseños avanzados.
En comparación con los cohetes químicos, el empuje es muy pequeño, del orden de 83 mN para un propulsor típico que funciona a 300 V y 1,5 kW. A modo de comparación, el peso de una moneda como la de veinticinco centavos de dólar estadounidense o una de veinte céntimos de euro es de aproximadamente 60 mN. Como ocurre con todas las formas de propulsión eléctrica de naves espaciales , el empuje está limitado por la potencia disponible, la eficiencia y el impulso específico .
Sin embargo, los propulsores Hall funcionan con los altos impulsos específicos que son típicos de la propulsión eléctrica. Una ventaja particular de los propulsores Hall, en comparación con un propulsor iónico enrejado , es que la generación y aceleración de los iones se lleva a cabo en un plasma casi neutro, por lo que no hay limitación de corriente saturada de carga Child-Langmuir (carga espacial) en la densidad de empuje. Esto permite propulsores mucho más pequeños en comparación con los propulsores iónicos enrejados.
Otra ventaja es que estos propulsores pueden utilizar una variedad más amplia de propulsores suministrados al ánodo, incluso oxígeno, aunque se necesita algo fácilmente ionizable en el cátodo. [17]
El xenón ha sido el combustible elegido habitualmente para muchos sistemas de propulsión eléctrica, incluidos los propulsores Hall. [18] El combustible xenón se utiliza debido a su alto peso atómico y su bajo potencial de ionización . El xenón es relativamente fácil de almacenar y, como gas a las temperaturas de funcionamiento de las naves espaciales, no necesita ser vaporizado antes de su uso, a diferencia de los combustibles metálicos como el bismuto. El alto peso atómico del xenón significa que la relación de energía gastada para la ionización por unidad de masa es baja, lo que conduce a un propulsor más eficiente. [19]
El criptón es otra opción de propulsor para los propulsores Hall. El xenón tiene un potencial de ionización de 12,1298 eV, mientras que el criptón tiene un potencial de ionización de 13,996 eV. [20] Esto significa que los propulsores que utilizan criptón necesitan gastar una energía ligeramente mayor por mol para ionizarse, lo que reduce la eficiencia. Además, el criptón es un ion más ligero, por lo que la unidad de masa por energía de ionización se reduce aún más en comparación con el xenón. Sin embargo, el xenón puede ser más de diez veces más caro que el criptón por kilogramo , lo que hace que el criptón sea una opción más económica para construir constelaciones de satélites como la del Starlink V1 de SpaceX , cuyos propulsores Hall originales estaban alimentados con criptón. [18] [21]
SpaceX desarrolló un nuevo propulsor que utilizaba argón como combustible para su Starlink V2 mini. El nuevo propulsor tenía 2,4 veces más empuje y 1,5 veces más impulso específico que el propulsor anterior de SpaceX que utilizaba criptón. [12] El argón es aproximadamente 100 veces más barato que el criptón y 1000 veces más barato que el xenón. [22]
Además de los tipos soviéticos SPT y TAL mencionados anteriormente, existen:
Aunque los propulsores Hall convencionales (anulares) son eficientes en el régimen de potencia de kilovatios , se vuelven ineficientes cuando se escalan a tamaños pequeños. Esto se debe a las dificultades asociadas con mantener constantes los parámetros de escala de rendimiento mientras se reduce el tamaño del canal y se aumenta la intensidad del campo magnético aplicado . Esto condujo al diseño del propulsor Hall cilíndrico. El propulsor Hall cilíndrico se puede escalar más fácilmente a tamaños más pequeños debido a su geometría de cámara de descarga no convencional y al perfil de campo magnético asociado . [24] [25] [26] El propulsor Hall cilíndrico se presta más fácilmente a la miniaturización y al funcionamiento de baja potencia que un propulsor Hall convencional (anular). La razón principal de los propulsores Hall cilíndricos es que es difícil lograr un propulsor Hall regular que funcione en una amplia gama de potencias desde aproximadamente 1 kW hasta aproximadamente 100 W manteniendo una eficiencia del 45-55 %. [27]
La erosión por pulverización de las paredes del canal de descarga y de las piezas polares que protegen el circuito magnético provoca el fallo del funcionamiento del propulsor. Por tanto, los propulsores Hall anulares y cilíndricos tienen una vida útil limitada. Aunque se ha demostrado que el blindaje magnético reduce drásticamente la erosión de las paredes del canal de descarga, la erosión de las piezas polares sigue siendo un problema. [28] Como alternativa, se ha introducido un diseño de propulsor Hall no convencional denominado propulsor Hall de descarga externa o propulsor de plasma de descarga externa (XPT). [29] [30] [31] El propulsor Hall de descarga externa no posee paredes de canal de descarga ni piezas polares. La descarga de plasma se produce y se mantiene completamente en el espacio abierto fuera de la estructura del propulsor, y así se consigue un funcionamiento sin erosión.
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Los propulsores Hall han estado volando en el espacio desde diciembre de 1971, cuando la Unión Soviética lanzó un SPT-50 en un satélite Meteor. [32] Más de 240 propulsores han volado en el espacio desde entonces, con una tasa de éxito del 100%. [33] Los propulsores Hall ahora vuelan rutinariamente en satélites de comunicaciones comerciales LEO y GEO, donde se utilizan para inserción orbital y mantenimiento de posición .
El primer propulsor Hall [ verificación fallida ] que voló en un satélite occidental fue un D-55 ruso construido por TsNIIMASH, en la nave espacial STEX de la NRO , lanzado el 3 de octubre de 1998. [34]
El sistema de propulsión eléctrica solar de la nave espacial SMART-1 de la Agencia Espacial Europea utilizó un propulsor Hall Snecma PPS-1350 -G. [35] SMART-1 fue una misión de demostración de tecnología que orbitó la Luna . Este uso del PPS-1350-G, que comenzó el 28 de septiembre de 2003, fue el primer uso de un propulsor Hall fuera de la órbita terrestre geosincrónica (GEO). Como la mayoría de los sistemas de propulsión con propulsor Hall utilizados en aplicaciones comerciales, el propulsor Hall de SMART-1 podría regularse en un rango de potencia, impulso específico y empuje. [36] Tiene un rango de potencia de descarga de 0,46–1,19 kW, un impulso específico de 1100–1600 s y un empuje de 30–70 mN.
Los primeros satélites pequeños de la constelación Starlink de SpaceX utilizaban propulsores Hall alimentados con criptón para mantener la posición y salir de la órbita, [21] mientras que los satélites Starlink posteriores utilizaban propulsores Hall alimentados con argón. [12]
La estación espacial Tiangong está equipada con propulsores de efecto Hall. El módulo central Tianhe es propulsado por propulsores químicos y cuatro propulsores iónicos , [37] que se utilizan para ajustar y mantener la órbita de la estación. Los propulsores de efecto Hall se crearon teniendo en cuenta la seguridad de la misión tripulada y con el esfuerzo de prevenir la erosión y el daño causado por las partículas de iones aceleradas. Se creó un campo magnético y un escudo cerámico especialmente diseñado para repeler partículas dañinas y mantener la integridad de los propulsores. Según la Academia China de Ciencias , el motor iónico utilizado en Tiangong ha funcionado de forma continua durante 8.240 horas sin ningún problema, lo que indica su idoneidad para la vida útil designada de 15 años de la estación espacial china. [38] Este es el primer propulsor Hall del mundo en una misión apta para humanos. [39]
El Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) otorgó licencia comercial exclusiva a Apollo Fusion, dirigido por Mike Cassidy , para su tecnología de propulsor Hall Magnetically Shielded Miniature (MaSMi). [40] En enero de 2021, Apollo Fusion anunció que había conseguido un contrato con York Space Systems para un pedido de su última iteración denominada "Apollo Constellation Engine". [41]
La misión de la NASA al asteroide Psyche utiliza propulsores Hall de gas xenón. [42] La electricidad proviene de los paneles solares de 75 metros cuadrados de la nave. [43]
Los primeros propulsores Hall de la NASA en una misión con capacidad para humanos serán una combinación de propulsores Hall de 6 kW proporcionados por Busek y propulsores Hall del Sistema de Propulsión Eléctrica Avanzada (AEPS) de la NASA. Servirán como propulsión principal en el Elemento de Propulsión y Potencia (PPE) de Maxar para el Lunar Gateway bajo el programa Artemis de la NASA . [44] El alto impulso específico de los propulsores Hall permitirá una elevación de órbita eficiente y el mantenimiento de la posición para la órbita de halo casi rectilínea polar del Lunar Gateway .
El propulsor de efecto Hall de mayor potencia en desarrollo (a fecha de 2021) es el propulsor Hall de canal anidado X3 de 100 kW de la Universidad de Michigan . El propulsor tiene aproximadamente 80 cm de diámetro y pesa 230 kg, y ha demostrado un empuje de 5,4 N. [45]
Otros propulsores de alta potencia incluyen el Sistema de Propulsión Eléctrica Avanzada (AEPS) de 40 kW de la NASA, destinado a impulsar misiones científicas a gran escala y transporte de carga en el espacio profundo. [46]