ในระบบขับเคลื่อนยานอวกาศเครื่องยนต์ขับดันแบบฮอลล์เอฟเฟกต์ ( HET หรือบางครั้งเรียกว่าเครื่องยนต์ขับดันฮอลล์หรือเครื่องยนต์ขับดันกระแสฮอลล์) เป็น เครื่องยนต์ขับดันไอออนชนิดหนึ่งที่เร่งความเร็วเชื้อเพลิง ด้วย สนามไฟฟ้า โดย อิงจากการค้นพบของเอ็ดวิน ฮอลล์เครื่องยนต์ ขับดัน แบบฮอลล์เอฟเฟกต์ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อจำกัดการเคลื่อนที่ตามแนวแกนของอิเล็กตรอน จากนั้นใช้อิเล็กตรอนเหล่านั้นในการแตกตัวเป็นไอออนของเชื้อเพลิง เร่งความเร็วไอออน อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อสร้างแรงขับดันและทำให้ไอออนในพลาสมาเป็นกลาง เครื่องยนต์ขับดันแบบฮอลล์เอฟเฟกต์จัดอยู่ในกลุ่ม เทคโนโลยีขับเคลื่อนอวกาศ ที่มีแรงขับดันจำเพาะ ปานกลาง (1,600  วินาที) และได้รับประโยชน์จากการวิจัยเชิงทฤษฎีและเชิงทดลองอย่างมากตั้งแต่ทศวรรษ 1960 ^{[ 1 ]}

เครื่องยนต์ขับดันแบบฮอลล์ใช้เชื้อเพลิงได้หลากหลายชนิด โดยชนิดที่ใช้กันมากที่สุดคือซีนอนและคริปตอนเชื้อเพลิงชนิดอื่นๆ ที่น่าสนใจ ได้แก่อาร์กอนบิสมัทไอโอดีนแมกนีเซียมสังกะสีและอะดาแมนเทน

เครื่องขับดันฮอลล์สามารถเร่งไอเสียให้มีความเร็วระหว่าง 10 ถึง 80 กม./วินาที (แรงขับจำเพาะ 1,000–8,000 วินาที) โดยรุ่นส่วนใหญ่ทำงานที่ความเร็วระหว่าง 15 ถึง 30 กม./วินาที แรงขับที่ผลิตได้ขึ้นอยู่กับระดับพลังงาน อุปกรณ์ที่ทำงานที่ 1.35 กิโลวัตต์จะผลิตแรงขับได้ประมาณ 83 มิลลินิวตัน รุ่นที่มีกำลังสูงแสดงให้เห็นแรงขับได้ถึง 5.4 นิวตันในห้องปฏิบัติการ^{[ 2 ]}ระดับพลังงานสูงถึง 100 กิโลวัตต์ได้รับการสาธิตสำหรับเครื่องขับดันฮอลล์ซีนอน^{[ 3 ]}

ณ ปี 2552 เครื่องขับดันแบบฮอลล์เอฟเฟกต์มีกำลังไฟฟ้าขาเข้าตั้งแต่ 1.35 ถึง 10 กิโลวัตต์ และมีความเร็วไอเสีย 10–50 กิโลเมตรต่อวินาที โดยมีแรงขับ 40–600 มิลลินิวตันและประสิทธิภาพอยู่ในช่วง 45–60 เปอร์เซ็นต์^{[ 4 ]} การใช้งานเครื่องขับดันแบบฮอลล์เอฟเฟกต์ ได้แก่ การควบคุมทิศทางและตำแหน่งของดาวเทียม ที่โคจร และการใช้เป็นเครื่องยนต์ขับเคลื่อนหลักสำหรับยานอวกาศหุ่นยนต์ขนาดกลาง^{[ 4 ]}

เครื่องขับดันฮอลล์ได้รับการศึกษาแยกกันในสหรัฐอเมริกาและสหภาพโซเวียตมีการอธิบายต่อสาธารณะครั้งแรกในสหรัฐอเมริกาในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}อย่างไรก็ตาม เครื่องขับดันฮอลล์ได้รับการพัฒนาให้เป็นอุปกรณ์ขับเคลื่อนที่มีประสิทธิภาพเป็นครั้งแรกในสหภาพโซเวียต ในสหรัฐอเมริกา นักวิทยาศาสตร์มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาเครื่องขับดันไอออนแบบตะแกรง

ในสหภาพโซเวียตมีการพัฒนาเครื่องขับดันแบบฮอลล์สองประเภท:

• เครื่องขับที่มีโซนเร่งความเร็วกว้าง, SPT ( รัสเซีย : СПД, стационарный плазменный двигатель ; อังกฤษ: SPT , Stationary Plasma Thruster ) ที่Design Bureau Fakel
• เครื่องขับดันที่มีโซนเร่งความเร็วแคบ DAS ( รัสเซีย : ДАС, двигатель с анодным слоем ; อังกฤษ: TAL , Thruster พร้อม Anode Layer) ที่สถาบันวิจัยกลางสำหรับการสร้างเครื่องจักร (TsNIIMASH)

การออกแบบ SPT ส่วนใหญ่เป็นผลงานของ AI Morozov ^{[ 8 ] [ 9 ]} SPT เครื่องแรกที่ใช้งานในอวกาศคือ SPT-50 บนยานอวกาศ Meteor ของโซเวียต ซึ่งถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2514 โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับการรักษาเสถียรภาพของดาวเทียมในทิศเหนือ-ใต้และทิศตะวันออก-ตะวันตก ตั้งแต่นั้นมาจนถึงปลายทศวรรษ พ.ศ. 2533 เครื่องยนต์ SPT จำนวน 118 เครื่องได้เสร็จสิ้นภารกิจ และอีกประมาณ 50 เครื่องยังคงใช้งานอยู่ แรงขับของเครื่องยนต์ SPT รุ่นแรก SPT-50 และ SPT-60 คือ 20 และ 30 มิลลินิวตัน ตามลำดับ ในปี พ.ศ. 2525 ได้มีการนำ SPT-70 และSPT-100มาใช้ โดยมีแรงขับ 40 และ 83 มิลลินิวตัน ตามลำดับ ใน รัสเซียหลังยุคโซเวียต มีการนำ SPT-140 , SPT-160, SPT-200, T-160 ที่ มีกำลังสูง (ไม่กี่กิโลวัตต์ ) และ SPT-35 ที่มีกำลังต่ำ (น้อยกว่า 500 วัตต์) เข้ามาใช้^{[ 10 ]}

เครื่องขับดันแบบ TAL ของโซเวียตและรัสเซีย ได้แก่ D-38, D-55, D-80 และ D-100 ^{[ 10 ]}

เครื่องยนต์ขับดันที่ผลิตโดยสหภาพโซเวียตถูกนำมาใช้ในโลกตะวันตกในปี 1992 หลังจากที่ทีมผู้เชี่ยวชาญด้านระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าจากห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion Laboratory ของ NASA , ศูนย์วิจัย Glenn Research Centerและห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพอากาศภายใต้การสนับสนุนขององค์การป้องกันขีปนาวุธได้เดินทางไปเยี่ยมชมห้องปฏิบัติการของรัสเซียและทำการประเมิน SPT-100 (เช่น เครื่องยนต์ขับดัน SPT ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มม.) ในเชิงทดลอง เครื่องยนต์ขับดันแบบฮอลล์ยังคงถูกใช้ในยานอวกาศของรัสเซีย และยังถูกใช้ในยานอวกาศของยุโรปและอเมริกาด้วย บริษัท Space Systems/Loralผู้ผลิตดาวเทียมเชิงพาณิชย์ของอเมริกา ใช้ Fakel SPT-100 ในยานอวกาศสื่อสาร GEO ของตนในปัจจุบัน

นับตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 1990 เครื่องขับดันฮอลล์เป็นหัวข้อของการวิจัยจำนวนมากทั่วสหรัฐอเมริกา อินเดีย ฝรั่งเศส อิตาลี ญี่ปุ่น และรัสเซีย (รวมถึงความพยายามเล็กๆ น้อยๆ ที่กระจายอยู่ในประเทศต่างๆ ทั่วโลก) การวิจัยเครื่องขับดันฮอลล์ในสหรัฐอเมริกา ดำเนินการในห้องปฏิบัติการของรัฐบาล มหาวิทยาลัย และบริษัทเอกชนหลายแห่ง ศูนย์ของรัฐบาลและศูนย์ที่ได้รับทุนจากรัฐบาล ได้แก่ ห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion Laboratory ของ NASA ^{ศูนย์วิจัย Glenn Research Center ของ NASA ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพอากาศ (Edwards AFB รัฐแคลิฟอร์เนีย) และ The Aerospace Corporation มหาวิทยาลัย ได้แก่ สถาบันเทคโนโลยีของกองทัพอากาศสหรัฐฯ [} 11 ]มหาวิทยาลัยมิชิแกนมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์^{ดสถาบัน}เทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมิชิแกนและGeorgia Techในปี 2023 นักศึกษาที่วิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์ Olinได้สาธิตเครื่องขับดันฮอลล์แบบสภาวะคงที่ที่ออกแบบโดยนักศึกษาระดับปริญญาตรีเป็นครั้งแรก^{[ 12 ]} มีการพัฒนาจำนวนมากเกิดขึ้นในอุตสาหกรรม เช่นIHI Corporationในญี่ปุ่นAerojetและBusekในสหรัฐอเมริกาSafran Spacecraft Propulsion ในฝรั่งเศสLAJPในยูเครนSITAELในอิตาลี และSatrec Initiativeในเกาหลีใต้

การใช้งานเครื่องยนต์ขับดันแบบฮอลล์ครั้งแรกในวงโคจรดวงจันทร์คือภารกิจ SMART-1ขององค์การอวกาศยุโรป (ESA) ในปี 2546

เครื่องขับดันฮอลล์ได้รับการสาธิตครั้งแรกบนดาวเทียมตะวันตกบน ยานอวกาศ STEX ของ ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือ (NRL) ซึ่งใช้เครื่องยนต์ D-55 ของรัสเซีย เครื่องขับดันฮอลล์ของอเมริกาเครื่องแรกที่บินในอวกาศคือBusek BHT-200 บน ยานอวกาศสาธิตเทคโนโลยี TacSat-2การบินครั้งแรกของเครื่องขับดันฮอลล์ของอเมริกาในภารกิจปฏิบัติการคือAerojet BPT-4000 ซึ่งปล่อยในเดือนสิงหาคม 2010 บน ดาวเทียมสื่อสาร GEO ความถี่สูงพิเศษขั้นสูงของกองทัพ ด้วยกำลัง 4.5 กิโลวัตต์ BPT-4000 ยังเป็นเครื่องขับดันฮอลล์ที่มีกำลังสูงสุดที่เคยบินในอวกาศ นอกจากภารกิจการรักษาวงโคจรตามปกติแล้ว BPT-4000 ยังให้ความสามารถในการยกระดับวงโคจรแก่ยานอวกาศอีกด้วยX-37Bถูกใช้เป็นฐานทดสอบสำหรับเครื่องขับดันฮอลล์สำหรับดาวเทียม AEHF ซีรีส์^{[ 13 ]}หลายประเทศทั่วโลกยังคงพยายามรับรองเทคโนโลยีเครื่องขับดันฮอลล์สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ กลุ่ม ดาวเทียม Starlink ของ SpaceXซึ่งเป็นกลุ่มดาวเทียมที่ใหญ่ที่สุดในโลก ใช้เครื่องยนต์ขับดันแบบ Hall-effect ในตอนแรก Starlink ใช้ก๊าซคริปตอน แต่ในดาวเทียม V2 ได้เปลี่ยนมาใช้อาร์กอนเนื่องจากมีราคาถูกกว่าและหาได้ทั่วไป^{[ 14 ]}

การใช้งาน Hall thrusters ครั้งแรกนอกเขตอิทธิพลของโลกคือยานอวกาศPsycheซึ่งถูกปล่อยในปี 2023 ไปยังแถบดาวเคราะห์น้อยเพื่อสำรวจ16 Psyche ^{[ 15 ]}

การวิจัยในอินเดียดำเนินการโดยทั้งสถาบันวิจัยและบริษัทวิจัยทั้งภาครัฐและเอกชน

ในปี 2010 องค์การวิจัยอวกาศแห่งอินเดีย (ISRO)ได้ใช้เครื่องยนต์ขับดันไอออนแบบฮอลล์เอฟเฟกต์ในดาวเทียม GSAT-4ที่บรรทุกโดยจรวดGSLV -D3 โดยมีเครื่องยนต์ขับดันที่ใช้พลังงานจากซีนอน 4 ตัว สำหรับการรักษาระดับวงโคจรในแนวเหนือ-ใต้ สองตัวเป็นของรัสเซีย และอีกสองตัวเป็นของอินเดีย เครื่องยนต์ขับดันของอินเดียมีกำลังขับดัน 13 มิลลินิวตัน อย่างไรก็ตาม จรวด GSLV-D3 ไม่สามารถขึ้นสู่วงโคจรได้

ในปีถัดมาคือปี 2014 ISRO ได้ดำเนินการพัฒนาเครื่องขับดัน SPT ขนาด 75 mN และ 250 mN เพื่อใช้ในดาวเทียมสื่อสารกำลังสูงในอนาคต เครื่องขับดันขนาด 75 mN ถูกนำไปใช้บนดาวเทียมสื่อสารGSAT-9 ^{[ 16 ]}

ภายในปี 2021 การพัฒนาเครื่องขับดันขนาด 300 มิลลินิวตันเสร็จสมบูรณ์ ควบคู่ไปกับการพัฒนาเครื่องยนต์พลาสมาพลังงานคลื่นวิทยุขนาด 10 กิโลวัตต์ และระบบขับเคลื่อนไฟฟ้ากำลังต่ำที่ใช้คริปตอนเป็นเชื้อเพลิง

เมื่อบริษัทเอกชนเข้ามามีบทบาทในด้านอวกาศBellatrix Aerospaceจึงกลายเป็นบริษัทเชิงพาณิชย์แห่งแรกที่ผลิตเครื่องขับดันแบบ Hall-effect ออกมาจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ โดยรุ่นปัจจุบันของเครื่องขับดันนี้ใช้ซีนอนเป็นเชื้อเพลิง การทดสอบดำเนินการที่ห้องปฏิบัติการวิจัยระบบขับเคลื่อนยานอวกาศในสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งอินเดียเมืองเบงกาลูรูมีการใช้เทคโนโลยีแคโทดแบบไม่มีฮีตเตอร์เพื่อเพิ่มอายุการใช้งานและความซ้ำซ้อนของระบบ Bellatrix Aerospace เคยพัฒนาเครื่องขับดันแบบไมโครเวฟอิเล็กโทรเทอร์มอลเชิง พาณิชย์เครื่องแรก ซึ่งบริษัทได้รับคำสั่งซื้อจาก ISRO ^{[ 17 ]} เครื่องขับดัน HET รุ่น ARKA ถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศใน ภารกิจ PSLV-C55และได้รับการทดสอบสำเร็จบนPOEM- 2 ^{[ 18 ]}

หลักการทำงานที่สำคัญของเครื่องขับดันฮอลล์คือการใช้ศักย์ไฟฟ้าสถิตเพื่อเร่งไอออนให้มีความเร็วสูง ในเครื่องขับดันฮอลล์ ประจุลบที่ดึงดูดนั้นมาจากพลาสมาอิเล็กตรอนที่ปลายเปิดของเครื่องขับดันแทนที่จะเป็นตะแกรง สนามแม่เหล็กแนวรัศมีประมาณ 100–300  G (10–30  mT ) ถูกใช้เพื่อกักอิเล็กตรอน โดยการรวมกันของสนามแม่เหล็กแนวรัศมีและสนามไฟฟ้าตามแนวแกนจะทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปตามระนาบ จึงเกิดเป็นกระแสฮอลล์ซึ่งเป็นที่มาของชื่ออุปกรณ์นี้

ภาพด้านข้างแสดงแผนผังของเครื่องขับดันแบบฮอลล์ มีการจ่าย ศักย์ไฟฟ้าขนาดระหว่าง 150 ถึง 800 โวลต์ระหว่าง ขั้วบวกและขั้วลบ

ส่วนแหลมตรงกลางเป็นขั้วหนึ่งของแม่เหล็กไฟฟ้าและล้อมรอบด้วยช่องว่างรูปวงแหวน โดยรอบๆ ช่องว่างนั้นจะเป็นอีกขั้วหนึ่งของแม่เหล็กไฟฟ้า และมีสนามแม่เหล็กในแนวรัศมีอยู่ตรงกลาง

เชื้อเพลิง เช่น ก๊าซ ซีนอนจะถูกป้อนผ่านขั้วบวก ซึ่งมีรูเล็กๆ จำนวนมากเพื่อทำหน้าที่เป็นตัวกระจายก๊าซ เมื่ออะตอมซีนอนที่เป็นกลางแพร่กระจายเข้าไปในช่องของเครื่องยนต์ขับดัน พวกมันจะถูกแตกตัวเป็นไอออนโดยการชนกับอิเล็กตรอนพลังงานสูงที่ไหลเวียนอยู่ (โดยทั่วไป 10–40 eV หรือประมาณ 10% ของแรงดันไฟฟ้าในการปล่อยประจุ) อะตอมซีนอนส่วนใหญ่จะถูกแตกตัวเป็นไอออนจนมีประจุสุทธิ +1 แต่มีส่วนหนึ่งที่สังเกตได้ (ประมาณ 20%) ที่มีประจุสุทธิ +2

จากนั้นไอออนซีนอนจะถูกเร่งความเร็วโดยสนามไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ สำหรับแรงดันไฟฟ้าในการปล่อยประจุ 300 โวลต์ ไอออนจะมีความเร็วประมาณ 15 กิโลเมตรต่อวินาที (9.3 ไมล์ต่อวินาที) สำหรับแรงกระตุ้นจำเพาะ 1,500 วินาที (15 กิโลนิวตัน·วินาที/กิโลกรัม) อย่างไรก็ตาม เมื่อไอออนออกจากระบบ มันจะดึงอิเล็กตรอนจำนวนเท่ากันไปด้วย ทำให้เกิดพลาสมาที่มีประจุสุทธิเป็นศูนย์

สนามแม่เหล็กแนวรัศมีถูกออกแบบมาให้มีความแรงมากพอที่จะเบี่ยงเบนอิเล็กตรอนมวลน้อยได้อย่างมาก แต่ไม่มากพอที่จะเบี่ยงเบนไอออนมวลมาก ซึ่งมีรัศมีวงโคจร ที่ใหญ่กว่ามาก และแทบจะไม่ถูกขัดขวาง อิเล็กตรอนส่วนใหญ่จึงติดอยู่ในวงโคจรในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กแนวรัศมีสูงใกล้กับระนาบทางออกของเครื่องยนต์ขับดัน โดยถูกดักจับอยู่ในE × B (สนามไฟฟ้าตามแนวแกนและสนามแม่เหล็กแนวรัศมี) การหมุนวนของอิเล็กตรอนนี้ก่อให้เกิดกระแสฮอลล์ หมุนเวียน และนี่คือที่มาของชื่อเครื่องยนต์ขับดันฮอลล์ การชนกับอนุภาคอื่นๆ และผนัง รวมถึงความไม่เสถียรของพลาสมา ทำให้อิเล็กตรอนบางส่วนหลุดออกจากสนามแม่เหล็ก และเคลื่อนที่ไปยังขั้วบวก

ประมาณ 20–30% ของกระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาเป็นกระแสอิเล็กตรอน ซึ่งไม่ก่อให้เกิดแรงขับ จึงจำกัดประสิทธิภาพด้านพลังงานของเครื่องขับดัน ส่วนอีก 70–80% ของกระแสไฟฟ้าอยู่ในรูปของไอออน เนื่องจากอิเล็กตรอนส่วนใหญ่ถูกดักจับอยู่ในกระแสฮอลล์ พวกมันจึงมีระยะเวลาอยู่ในเครื่องขับดันนาน และสามารถทำให้เชื้อเพลิงซีนอนเกือบทั้งหมดแตกตัวเป็นไอออนได้ ทำให้สามารถใช้มวลได้ถึง 90–99% ดังนั้นประสิทธิภาพการใช้มวลของเครื่องขับดันจึงอยู่ที่ประมาณ 90% ในขณะที่ประสิทธิภาพของกระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาอยู่ที่ประมาณ 70% ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องขับดันอยู่ที่ประมาณ 63% (= 90% × 70%) เครื่องขับดันฮอลล์สมัยใหม่ได้บรรลุประสิทธิภาพสูงถึง 75% ผ่านการออกแบบขั้นสูง

เมื่อเทียบกับจรวดเคมี แรงขับนั้นน้อยมาก อยู่ในระดับประมาณ 83 มิลลินิวตัน สำหรับเครื่องยนต์ขับดันทั่วไปที่ทำงานที่ 300 โวลต์และ 1.5 กิโลวัตต์ เพื่อเปรียบเทียบ น้ำหนักของเหรียญ เช่น เหรียญควอเตอร์ของสหรัฐฯหรือเหรียญ 20 เซนต์ของยูโร มีน้ำหนักประมาณ 60 มิลลินิวตัน เช่นเดียวกับ ระบบขับเคลื่อนยานอวกาศที่ใช้พลังงานไฟฟ้าทุกรูปแบบแรงขับถูกจำกัดด้วยกำลังไฟฟ้าที่มีอยู่ ประสิทธิภาพ และ แรง ดล จำเพาะ

อย่างไรก็ตาม เครื่องขับดันแบบฮอลล์ทำงานที่แรงขับจำเพาะ สูง ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่งของเครื่องขับดันแบบฮอลล์ เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องขับดันไอออนแบบตะแกรงคือ การสร้างและการเร่งความเร็วของไอออนเกิดขึ้นในพลาสมากึ่งเป็นกลาง ดังนั้นจึงไม่มี ข้อจำกัดของ กระแสอิ่มตัวของประจุ Child-Langmuir (ประจุอวกาศ) ต่อความหนาแน่นของแรงขับ ทำให้สามารถสร้างเครื่องขับดันที่มีขนาดเล็กกว่าเครื่องขับดันไอออนแบบตะแกรงได้มาก

ข้อดีอีกประการหนึ่งคือเครื่องขับดันเหล่านี้สามารถใช้เชื้อเพลิงได้หลากหลายชนิดมากขึ้นที่จ่ายให้กับขั้วบวก แม้กระทั่งออกซิเจน แม้ว่าจะต้องใช้สารที่แตกตัวเป็นไอออนได้ง่ายที่ขั้วลบก็ตาม^{[ 19 ]}

การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุในเครื่องขับดันแบบฮอลล์เอฟเฟกต์นั้นถูกควบคุมโดยแรงลอเรนซ์ :

${\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )}$

โดยที่คือประจุของอนุภาคคือสนามไฟฟ้าคือความเร็วของอนุภาค และคือสนามแม่เหล็กในเครื่องขับดันฮอลล์แบบวงแหวนทั่วไป สนามไฟฟ้าที่เด่นจะมีทิศทางตามแนวแกนโดยประมาณ และสนามแม่เหล็กจะมีทิศทางตามแนวรัศมีโดยประมาณ^{[ 20 ]}สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่ตัดกันทำให้อิเล็กตรอนที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กเกิดการดริฟท์แบบ E-cross-B ในแนวราบ : ${\displaystyle q}$${\displaystyle \mathbf {E} }$${\displaystyle \mathbf {v} }$${\displaystyle \mathbf {B} }$

${\displaystyle \mathbf {v} _{E\times B}={\frac {\mathbf {E} \times \mathbf {B} }{B^{2}}}}$

การเคลื่อนที่แบบดริฟต์นี้ก่อให้เกิดกระแสฮอลล์หมุนเวียน ซึ่งเป็นที่มาของชื่อเครื่องขับดัน (thruster) ระดับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของอิเล็กตรอนมักถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ฮอลล์ :

${\displaystyle \โอเมก้า _{e}={\frac {\omega _{ce}}{\nu _{e}}}}$

โดยที่ คือ ความถี่ไซโคลตรอนของอิเล็กตรอนและคือความถี่การชนกัน ของอิเล็กตรอนที่มีประสิทธิภาพ ไอออนถูกเร่งความเร็วเป็นหลักโดยสนามไฟฟ้าตามแนวแกน สำหรับไอออนที่มีมวลและสถานะประจุที่ถูกเร่งความเร็วผ่านแรงดันลำแสงที่มีประสิทธิภาพการอนุรักษ์พลังงานให้ผลลัพธ์ดังนี้: ${\displaystyle \โอเมก้า _{ce}=eB/m_{e}}$${\displaystyle \nu _{e}}$${\displaystyle m_{i}}$${\displaystyle Z}$${\displaystyle V_{b}}$

${\displaystyle {\frac {1}{2}}m_{i}v_{i}^{2}=ZeV_{b}\implies v_{i}={\sqrt {\frac {2ZeV_{b}}{m_{i}}}}}$

แรงขับที่เหมาะสมที่เกี่ยวข้องกับลำแสงไอออนโดยที่คืออัตราการไหลของมวลไอออน ในทางปฏิบัติ แรงขับจะลดลงเนื่องจากการสูญเสีย เช่น การเบี่ยงเบนของลำแสง การใช้เชื้อเพลิงไม่สมบูรณ์ ไอออนที่มีประจุหลายตัว การสูญเสียที่ผนัง และกระแสอิเล็กตรอนที่ไปถึงขั้วบวกโดยไม่ก่อให้เกิดแรงขับ^{[ 21 ]}${\displaystyle T\approx {\dot {m}}_{i}v_{i}}$${\displaystyle {\dot {m}}_{i}}$

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องขับดันฮอลล์จะใช้ก๊าซเฉื่อยเป็นเชื้อเพลิง เนื่องจากก๊าซเฉื่อยทางเคมี สามารถเก็บในรูปก๊าซอัด และไม่จำเป็นต้องทำให้ระเหยก่อนใช้งาน ก๊าซซีนอนเป็นที่นิยมใช้มาแต่เดิม เนื่องจากมีมวลอะตอมสูงและพลังงานไอออนไนเซชันค่อนข้างต่ำ ช่วยลดการสูญเสียไอออนไนเซชันและสนับสนุนการสร้างแรงขับดันที่มีประสิทธิภาพ ทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำกว่า เช่น คริปตอนและอาร์กอน ได้รับความสนใจมากขึ้นสำหรับกลุ่มดาวเทียมขนาดใหญ่ ซึ่งราคาและปริมาณเชื้อเพลิงอาจมีความสำคัญพอๆ กับประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องขับดัน นอกจากนี้ยังมีการใช้ปรอทในการทดลอง เนื่องจากมีน้ำหนักมากกว่าซีนอนหรือคริปตอน ราคาถูก และมีประสิทธิภาพในการจัดเก็บในรูปของเหลว^{[ 22 ] [ 23 ]}

ซีนอนเป็นตัวเลือกทั่วไปของเชื้อเพลิงสำหรับระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าหลายระบบ รวมถึงเครื่องขับดันฮอลล์^{[ 24 ]}เชื้อเพลิงซีนอนถูกใช้เนื่องจากมีน้ำหนักอะตอม สูง และมีศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออน ต่ำ ซีนอนจัดเก็บได้ค่อนข้างง่าย และเมื่ออยู่ในสถานะก๊าซที่อุณหภูมิการทำงานของยานอวกาศ ไม่จำเป็นต้องทำให้ระเหยก่อนใช้งาน ซึ่งแตกต่างจากเชื้อเพลิงโลหะ เช่น บิสมัท น้ำหนักอะตอมที่สูงของซีนอนหมายความว่าอัตราส่วนของพลังงานที่ใช้สำหรับการแตกตัวเป็นไอออนต่อหน่วยมวลนั้นต่ำ ทำให้เครื่องขับดันมีประสิทธิภาพมากขึ้น^{[ 25 ]}

คริปตอนเป็นเชื้อเพลิงอีกทางเลือกหนึ่งสำหรับเครื่องยนต์ขับดันฮอลล์ ซีนอนมีศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออนที่ 12.1298 eV ในขณะที่คริปตอนมีศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออนที่ 13.996 eV ^{[ 26 ]}ซึ่งหมายความว่าเครื่องยนต์ขับดันที่ใช้คริปตอนต้องใช้พลังงานต่อโมลที่สูงกว่าเล็กน้อยในการแตกตัวเป็นไอออน ซึ่งลดประสิทธิภาพลง นอกจากนี้ คริปตอนยังเป็นไอออนที่เบากว่า ดังนั้นมวลต่อหน่วยต่อพลังงานการแตกตัวเป็นไอออนจึงลดลงเมื่อเทียบกับซีนอน อย่างไรก็ตาม ซีนอนอาจมีราคาแพงกว่าคริปตอนมากกว่าสิบเท่าต่อกิโลกรัมทำให้คริปตอนเป็นตัวเลือกที่ประหยัดกว่าสำหรับการสร้างกลุ่มดาวเทียมเช่นStarlink V1 ของSpaceXซึ่งเครื่องยนต์ขับดันฮอลล์ดั้งเดิมใช้คริปตอนเป็นเชื้อเพลิง^{[ 24 ] [ 27 ]}

SpaceXได้พัฒนาระบบขับเคลื่อนใหม่ที่ใช้อาร์กอนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับStarlink V2 mini ระบบขับเคลื่อนใหม่นี้มีแรงขับมากกว่าระบบขับเคลื่อนรุ่นก่อนหน้าของSpaceX ที่ใช้คริปตอนถึง 2.4 เท่า และมีแรงขับจำเพาะมากกว่าถึง 1.5 เท่า ^{[ 14 ]}อาร์กอนมีราคาถูกกว่าคริปตอนประมาณ 100 เท่า และถูกกว่าซีนอนประมาณ 1,000 เท่า^{[ 28 ]}

นอกจากปืนกลประเภท SPT และ TAL ของโซเวียตที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว ยังมีปืนกลประเภทอื่นๆ อีก ได้แก่:

แม้ว่าเครื่องขับดันฮอลล์แบบดั้งเดิม (แบบวงแหวน) จะมีประสิทธิภาพใน ช่วงกำลังไฟฟ้า ระดับกิโลวัตต์แต่กลับไม่มีประสิทธิภาพเมื่อลดขนาดลง เนื่องจากความยากลำบากในการรักษาพารามิเตอร์การปรับขนาดประสิทธิภาพให้คงที่ในขณะที่ลดขนาดช่องและเพิ่ม ความแรง ของสนามแม่เหล็ก ที่ใช้ จึงนำไปสู่การออกแบบเครื่องขับดันฮอลล์ทรงกระบอก เครื่องขับดันฮอลล์ทรงกระบอกสามารถลดขนาดลงได้ง่ายกว่าเนื่องจากรูปทรงห้องปล่อยประจุที่ไม่ธรรมดาและโปรไฟล์สนามแม่เหล็ก ที่เกี่ยวข้อง ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}เครื่องขับดันฮอลล์ทรงกระบอกนั้นเหมาะสมกับการย่อขนาดและการทำงานที่กำลังไฟต่ำมากกว่าเครื่องขับดันฮอลล์แบบดั้งเดิม (แบบวงแหวน) เหตุผลหลักสำหรับเครื่องขับดันฮอลล์ทรงกระบอกคือเป็นเรื่องยากที่จะสร้างเครื่องขับดันฮอลล์แบบปกติที่ทำงานในช่วงกว้างตั้งแต่ประมาณ 1 กิโลวัตต์ลงมาถึงประมาณ 100 วัตต์ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพไว้ที่ 45–55% ^{[ 33 ]}

การกัดเซาะแบบสปัตเตอร์ของผนังช่องปล่อยประจุและชิ้นส่วนขั้วที่ป้องกันวงจรแม่เหล็กทำให้การทำงานของเครื่องขับดันล้มเหลว ดังนั้น เครื่องขับดันฮอลล์แบบวงแหวนและทรงกระบอกจึงมีอายุการใช้งานจำกัด แม้ว่าการป้องกันด้วยสนามแม่เหล็กจะช่วยลดการกัดเซาะของผนังช่องปล่อยประจุได้อย่างมาก แต่การกัดเซาะของชิ้นส่วนขั้วยังคงเป็นปัญหาอยู่^{[ 34 ]}ในฐานะทางเลือกอื่น ได้มีการนำการออกแบบเครื่องขับดันฮอลล์แบบไม่ธรรมดาที่เรียกว่าเครื่องขับดันฮอลล์แบบปล่อยประจุภายนอกหรือเครื่องขับดันพลาสมาแบบปล่อยประจุภายนอก (XPT) มาใช้^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}เครื่องขับดันฮอลล์แบบปล่อยประจุภายนอกไม่มีผนังช่องปล่อยประจุหรือชิ้นส่วนขั้วใดๆ การปล่อยพลาสมาถูกผลิตและคงอยู่ได้อย่างสมบูรณ์ในพื้นที่เปิดโล่งภายนอกโครงสร้างเครื่องขับดัน ดังนั้นจึงสามารถทำงานได้โดยปราศจากการกัดเซาะ

เครื่องยนต์ขับดันฮอลล์ถูกใช้งานในอวกาศตั้งแต่เดือนธันวาคม พ.ศ. 2514 เมื่อสหภาพโซเวียตปล่อย SPT-50 บนดาวเทียมเมเทอร์^{[ 38 ]}มีเครื่องยนต์ขับดันมากกว่า 240 เครื่องถูกใช้งานในอวกาศนับตั้งแต่นั้นมา โดยมีอัตราความสำเร็จ 100% ^{[ 39 ]}ปัจจุบันเครื่องยนต์ขับดันฮอลล์ถูกใช้งานเป็นประจำบนดาวเทียมสื่อสาร LEO และ GEO เชิงพาณิชย์ ซึ่งใช้สำหรับการเข้าสู่วงโคจรและ การ รักษา สถานี

เครื่องขับดันฮอลล์เครื่องแรกที่ใช้บนดาวเทียมตะวันตกคือ D-55 ของรัสเซียที่สร้างโดย TsNIIMASH บน ยานอวกาศ STEX ของ NRO ซึ่งปล่อยขึ้นสู่อวกาศเมื่อวันที่ 3 ตุลาคม พ.ศ. 2541 ^{[ 40 ]}

ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ของ ยานอวกาศ SMART-1ขององค์การอวกาศยุโรปใช้เครื่องขับดันฮอลล์ Snecma PPS-1350 -G ^{[ 41 ]} SMART-1 เป็นภารกิจสาธิตเทคโนโลยีที่โคจรรอบดวงจันทร์การใช้ PPS-1350-G นี้ เริ่มต้นเมื่อวันที่ 28 กันยายน 2546 ถือเป็นการใช้เครื่องขับดันฮอลล์ครั้งแรกนอกวงโคจรค้างฟ้าของโลก (GEO) เช่นเดียวกับระบบขับเคลื่อนด้วยเครื่องขับดันฮอลล์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ เครื่องขับดันฮอลล์บน SMART-1 สามารถปรับกำลัง แรงขับจำเพาะ และแรงผลักได้ในช่วงต่างๆ^{[ 42 ]}มีช่วงกำลังการปล่อย 0.46–1.19 กิโลวัตต์แรงขับจำเพาะ 1,100–1,600 วินาที และแรงผลัก 30–70 มิลลินิวตัน

ดาวเทียมขนาดเล็กรุ่นแรกๆ ของ กลุ่มดาวเทียม SpaceX Starlinkใช้เครื่องยนต์ขับดันฮอลล์ที่ใช้เชื้อเพลิงคริปตอนสำหรับการรักษาตำแหน่งและการลดระดับวงโคจร^{[ 27 ]}ในขณะที่ดาวเทียม Starlink รุ่นหลังๆ ใช้เครื่องยนต์ขับดันฮอลล์ที่ใช้เชื้อเพลิงอาร์กอน^{[ 14 ]}

สถานีอวกาศเทียนกงติดตั้งเครื่องยนต์ขับดันแบบฮอลล์เอฟเฟกต์^{โมดูล}หลักเทียนเหอขับเคลื่อนด้วยทั้งเครื่องยนต์ขับดันเคมีและเครื่องยนต์ขับดันไอออน สี่ตัว [ ^{43 ]}ซึ่งใช้ในการปรับและรักษาวงโคจรของสถานี เครื่องยนต์ขับดันแบบฮอลล์เอฟเฟกต์ถูกสร้างขึ้นโดยคำนึงถึงความปลอดภัยของภารกิจที่มีลูกเรือ โดยพยายามป้องกันการกัดเซาะและความเสียหายที่เกิดจากอนุภาคไอออนที่เร่งความเร็ว สนามแม่เหล็กและเกราะเซรามิกที่ออกแบบมาเป็นพิเศษถูกสร้างขึ้นเพื่อขับไล่อนุภาคที่ก่อให้เกิดความเสียหายและรักษาความสมบูรณ์ของเครื่องยนต์ขับดัน ตามรายงานของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีนเครื่องยนต์ขับดันไอออนที่ใช้ในเทียนกงทำงานต่อเนื่องเป็นเวลา 8,240 ชั่วโมงโดยไม่มีปัญหาใดๆ ซึ่งบ่งชี้ถึงความเหมาะสมสำหรับอายุการใช้งาน 15 ปีที่กำหนดไว้ของสถานีอวกาศจีน^{[ 44 ]}นี่คือเครื่องยนต์ขับดันแบบฮอลล์เครื่องแรกของโลกที่ใช้ในภารกิจที่มีมนุษย์ควบคุม^{[ 45 ]}

ห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion Laboratory (JPL) มอบใบอนุญาตเชิงพาณิชย์แต่เพียงผู้เดียวให้กับ Apollo Fusion ซึ่งนำโดยMike Cassidyสำหรับเทคโนโลยีเครื่องยนต์ขับดันฮอลล์ขนาดเล็กที่มีการป้องกันสนามแม่เหล็ก (MaSMi) ^{[ 46 ]}ในเดือนมกราคม 2021 Apollo Fusion ประกาศว่าพวกเขาได้รับสัญญาจาก York Space Systems สำหรับการสั่งซื้อรุ่นล่าสุดที่มีชื่อว่า "Apollo Constellation Engine" ^{[ 47 ]}

ภารกิจของ NASA ไปยังดาวเคราะห์น้อย Psyche ใช้เครื่องยนต์ขับดันฮอลล์ที่ใช้ก๊าซซีนอน^{[ 48 ]}กระแสไฟฟ้ามาจากแผงโซลาร์เซลล์ขนาด 75 ตารางเมตรของยาน^{[ 49 ]}

จรวดขับดันฮอลล์ชุดแรกของ NASA สำหรับภารกิจที่มีมนุษย์ควบคุมนั้น วางแผนไว้ว่าจะเป็นการผสมผสานระหว่างจรวดขับดันฮอลล์ขนาด 6 กิโลวัตต์ที่จัดหาโดยBusekและ จรวดขับดันฮอลล์ ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าขั้นสูง ของ NASA (AEPS) ขนาด 12.5 กิโลวัตต์ที่ผลิตโดย Aerojet Rocketdyne ^{[ 50 ]}ซึ่งเป็นบริษัทในเครือ L3Harris Technologies โดยมีจุดประสงค์เพื่อใช้เป็นระบบขับเคลื่อนหลักบนPower and Propulsion Element (PPE) ของMaxar สำหรับ Lunar Gateway ที่ถูกยกเลิก ภายใต้โครงการ Artemis ของ NASA ^{[ 51 ]}แรงขับดันจำเพาะสูงของจรวดขับดันฮอลล์นั้นคาดว่าจะช่วยให้การยกระดับวงโคจรและการรักษาสถานีสำหรับวงโคจรใกล้เส้นตรงขั้วโลก ของ Lunar Gateway มี ประสิทธิภาพ

เครื่องขับดันฮอลล์เอฟเฟกต์ที่มีกำลังสูงสุดที่อยู่ระหว่างการพัฒนา (ณ ปี 2021) คือ เครื่องขับดันฮอลล์แบบช่องซ้อน X3 ขนาด 100 กิโลวัตต์ของ มหาวิทยาลัยมิชิแกนเครื่องขับดันนี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 80 ซม. และมีน้ำหนัก 230 กก. และแสดงให้เห็นแรงขับดันที่ 5.4 นิวตัน^{[ 52 ]}

เครื่องขับดันกำลังสูงอื่นๆ ได้แก่ ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าขั้นสูง (AEPS) ขนาด 40 กิโลวัตต์ของ NASA ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อขับเคลื่อนภารกิจทางวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่และการขนส่งสินค้าในห้วงอวกาศ^{[ 53 ]}

• เอ็ดการ์, วาย. (2009). รุ่งอรุณใหม่สำหรับจรวดไฟฟ้าเก็บถาวรเมื่อวันที่ 18 ตุลาคม 2016 ที่Wayback Machine
• "ปรากฏการณ์ฮอลล์ยังคงส่งผลก้องกังวานอย่างไร" IEEE Spectrum 28 มกราคม 2022

• SITAEL SpA (อิตาลี) เก็บถาวรเมื่อวันที่ 21 มกราคม 2021 ที่Wayback Machine — หน้าเว็บที่นำเสนอผลิตภัณฑ์และเอกสารข้อมูลของระบบขับเคลื่อนแบบ Hall effect
• ระบบย่อยการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า เก็บถาวรเมื่อวันที่ 7 มกราคม 2014 ที่Wayback Machine (PDF)
• เครื่องขับดันพลาสมาแบบอยู่กับที่ (PDF)
• หน้าเว็บของ ESA เกี่ยวกับเครื่องยนต์ขับดันฮอลล์
• อพอลโล ฟิวชั่น