طراحی نوعی پیشرانه‌ جدید برای سفرهای فضایی آینده

از هال تراستر (HT) در ماهواره‌هایی که در مدار زمین در چرخش هستند، استفاده می‌شود؛ همچنین می‌توان از این پیشرانه‌ در سفرهای فضایی طولانی، نظیر سفر از کره‌ی زمین به مریخ استفاده کرد. به‌طور معمول سوخت مورد استفاده در هال تراستر گاز زنون است؛ زنون با استفاده از میدان الکتریکی شتاب می‌گیرد 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 استوانه‌ای‌شکل، 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 تراستر استوانه‌ای شکل شده‌اند که مقدار نیروی تراست را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد؛ شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌های تجربی انجام‌شده در این طراحی جدید، در ژورنال Physics of Plasmas منتشر شده است.

هال تراسترهای استوانه‌ای‌شکل برای کارکرد با توان کم طراحی‌ شده‌اند؛ 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. به‌طور معمول، افزایش چگالی گاز در کانال تخلیه همراه با کاهش سرعت محوری جریان (سرعت عمود بر مسیر نیروی تراست) باعث بهبود عملکرد پیشرانه می‌شود.

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 نصب‌ شده‌اند و پیشرانه در وضعیت جریان گردابه قرار دارد، بیشتر است. در این حالت، چگالی گاز به‌طور قابل‌ ملاحظه‌ای بالا است و یکنواختی بیشتری دارد که درنتیجه به بهبود عملکرد پیشرانه کمک می‌کند. محققان درستی نتایج شبیه‌سازی‌های کامپیوتری خود را از طریق آزمایش‌های تجربی، تأیید کردند و حالت ورودی گردابه‌ای جریان با موفقیت مقدار نیروی تراست بیشتری تولید کرد؛ این نیرو مخصوصاً در حالتی که ولتاژ خروجی پایینی استفاده‌ شده 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 تأیید 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.