طراحی نوعی پیشرانه‌ جدیدی برای سفرهای فضایی آینده

از هال تراسترها (HTs) در ماهواره‌هایی که در مدار زمین در چرخش هستند، استفاده می‌شوند؛ همچنین می‌توان از این پیشرانه‌ها در سفرهای فضایی طولانی، نظیر سفر از کره‌ی زمین به مریخ استفاده کرد. به‌طورمعمول سوخت مورد استفاده در هال تراسترها گاز زنون است؛ زنون با استفاده از میدان الکتریکی شتاب گرفته و الکترون‌ها از شبکه‌ی این گاز بی‌اثر خارج می‌شوند که درنتیجه پلاسما ایجاد می‌شود؛ پلاسمای خروجی از بخش انتهایی پیشرانه می‌تواند به‌سرعت بسیار بالای ۱۱۲ هزار کیلومتر بر ساعت، برسد.

هال تراسترهای استوانه‌ای شکل ابعاد کوچک‌تری دارند و با نسبت سطح به حجم کمتر خود مانع از فرسایش و خوردگی کانال تراستر می‌شوند. محققان انستیتو فناوری هاربین در چین موفق به توسعه‌ی طراحی ورودی جدیدی برای هال تراسترهای استوانه‌ای شکل شده‌اند که مقدار نیروی تراست را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد؛ شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌های تجربی انجام‌شده این طراحی جدید در ژورنال Physics of Plasmas منتشرشده است.

هال تراسترهای استوانه‌ای‌شکل برای کارکرد با توان کم، طراحی‌شده‌اند؛ با این حال، استفاده از جریان سوخت با چگالی کم می‌تواند باعث یونیزاسیون نامناسب شود که قدمی کلیدی برای تولید پلاسما و نیروی تراست است. به طور معمول، افزایش چگالی گاز در کانال تخلیه، همراه با کاهش سرعت محوری جریان، سرعت عمود بر مسیر نیروی تراست، باعث بهبود عملکرد پیشرانه می‌شود.

Hall thrusters

دینامیک جریان خنثی

لی‌کیِی وِی، نویسنده‌ی ارشد این مقاله، می‌گوید:

کاربردی‌ترین راه برای تغییر در دینامیک جریان خنثی در کانال تخلیه، تغییر روش تزریق گاز یا تغییر ساختار هندسی کانال تخلیه است.

محققان تغییر کوچکی در طراحی را آزمایش کردند. سوخت به کمک تعدادی نازل که عموماً آرایشی مستقیم دارند، به سمت مرکز محفظه‌ی سیلندری شکل پیشرانه، تزریق می‌شود؛ هنگامی‌که زاویه‌ی نازل‌های ورودی کمی تغییر می‌کند، سوخت با حرکتی دایروی شکل و سرعت بیشتر تزریق می‌شود و باعث ایجاد گردابه در کانال تخلیه می‌شود.

وِی و همکارانش با استفاده از نرم‌افزار مدل‌سازی و آنالیز COMSOL به شبیه‌سازی حرکت پلاسما در کانال برای هر دو مدل مورد استفاده برای نازل‌ها با استفاده از روش اِلمان محدود و مدل‌سازی مولکولی جریان، پرداختند. نتایج نشان می‌دهند که چگالی گاز در نزدیکی بدنه‌ی کانال، در حالتی که نازل‌ها زاویه‌دار نصب‌شده‌اند و پیشرانه در وضعیت جریان گردابه قرار دارد، بیشتر است. در این حالت، چگالی گاز به طور قابل‌ملاحظه‌ای بالاست و یکنواختی بیشتری دارد که درنتیجه به بهبود عملکرد پیشرانه کمک می‌کند. محققان درستی نتایج شبیه‌سازی‌های کامپیوتری خود را از طریق آزمایش‌های تجربی، تایید کردند و حالت ورودی گردابه‌ای جریان با موفقیت مقدار نیروی تراست بیشتری تولید کرد؛ این نیرو مخصوصاً در حالتی که ولتاژ خروجی پایینی استفاده‌شده باشد، مقدار بیشتر دارد. به‌طور خاص، مقدار ضربه‌ی خاص (specific impulse) این پیشرانه از ولتاژ خروجی ۱۰۰ تا ۲۰۰ ولت، با ۱.۱ تا ۵۳.۵ درصد افزایش همراه است. وِی می‌گوید:

کار ما در این گزارش تنها عملی بودن این طراحی ورودی گاز را تایید می‌کند و ما همچنان نیازمند بررسی تأثیرات زاویه، قطر، نسبت عمق به قطر نازل و طول کانال تخلیه، هستیم. وِی پیش‌بینی می‌کند که طراحی گردابه‌ای در پرواز هال تراسترها به‌زودی مورد آزمایش قرار خواهد گرفت و در نهایت ممکن است در پرواز‌های فضایی از این پیشرانه‌ها استفاده شود.

منبع: زومیت