Hall thrusters (HT's) worden gebruikt in satellieten in een baan om de aarde, en ook belofte tonen om robotruimtevaartuigen over lange afstanden voort te stuwen, zoals van de aarde naar Mars. Het drijfgas in een HT, meestal xenon, wordt versneld door een elektrisch veld dat elektronen onttrekt van neutrale xenon-atomen, het creëren van een plasma. Plasma dat uit de uitlaat van de boegschroef wordt geworpen, kan grote snelheden opleveren, meestal rond de 70, 000 km/u.

Cilindrisch gevormde Hall-thrusters (CHT's) lenen zich voor miniaturisatie en hebben een kleinere oppervlakte-tot-volumeverhouding die erosie van het boegschroefkanaal voorkomt. Onderzoekers van het Harbin Institute of Technology in China hebben een nieuw inlaatontwerp voor CHT's ontwikkeld dat de stuwkracht aanzienlijk verhoogt. Simulaties en experimentele tests van het nieuwe ontwerp worden deze week gerapporteerd in het tijdschrift Fysica van plasma's .

CHT's zijn ontworpen voor bewerkingen met een laag vermogen. Echter, lage drijfgasstroomdichtheid kan onvoldoende ionisatie veroorzaken, een belangrijke stap in het creëren van het plasma en het genereren van stuwkracht. In het algemeen, het verhogen van de gasdichtheid in het afvoerkanaal terwijl de axiale snelheid wordt verlaagd, d.w.z., de snelheid loodrecht op de stuwkrachtrichting, zal de prestatie van de boegschroef verbeteren.

"De meest praktische manier om de neutrale stromingsdynamiek in het afvoerkanaal te veranderen, is door de gasinjectiemethode of de geometrische morfologie van het afvoerkanaal te veranderen, " zei Liqiu Wei, een van de hoofdauteurs van het artikel.

De onderzoekers testten een eenvoudige ontwerpwijziging. Het drijfgas wordt in de cilindrische kamer van de boegschroef geïnjecteerd door een aantal sproeiers die meestal recht naar binnen wijzen, naar het midden van de cilinder. Wanneer de hoek van de inlaatmondstukken enigszins wordt gewijzigd, het drijfgas wordt in een snelle cirkelvormige beweging gestuurd, het creëren van een vortex in het kanaal.

Wei en zijn collega's simuleerden de beweging van het plasma in het kanaal voor beide mondstukhoeken met behulp van modellerings- en analysesoftware (COMSOL) die een eindige-elementenbenadering gebruikt voor het modelleren van moleculaire stroming. De resultaten toonden aan dat de gasdichtheid nabij de omtrek van het kanaal hoger is wanneer de sproeiers gekanteld zijn en de boegschroef in vortex-modus draait. In deze modus, gasdichtheid is aanzienlijk hoger en uniformer, wat ook helpt om de prestaties van de boegschroef te verbeteren.

De onderzoekers hebben de voorspellingen van hun simulatie experimenteel geverifieerd, en de vortex-inlaatmodus produceerde met succes hogere stuwkrachtwaarden, vooral wanneer een lage ontlaadspanning werd gebruikt. Vooral, de specifieke impuls van de boegschroef nam toe met 1,1 tot 53,5 procent wanneer de ontlaadspanning in het bereik van 100 tot 200 Volt lag.

"Het werk dat we hier rapporteren, verifieerde alleen de uitvoerbaarheid van dit gasinlaatontwerp. We moeten het effect van de mondstukhoek nog bestuderen, diameter, de verhouding van diepte tot diameter en de lengte van het afvoerkanaal, " Zei Wei. Hij voorspelde verder dat het ontwerp van de vortex binnenkort zal worden getest in HT's van het vluchttype en uiteindelijk in ruimtevluchten kan worden gebruikt.