Разработка плазменных двигателей сверхмалой мощности серии ПлаС

Авиационная и ракетно-космическая техника

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов


DOI: 10.34759/vst-2021-1-74-85

Авторы

Каплин М. А.*, Митрофанова О. А.*, Берникова М. Ю.*

Опытное конструкторское бюро «Факел», ОКБ «Факел», Московский проспект, 181, Калининград, 236001, Россия

*e-mail: info@fakel-russia.com

Аннотация

Представлен обзор и текущий статус работ по созданию в ОКБ «Факел» перспективных плазменных двигателей сверхмалой мощности ПлаС-10 и ПлаС-10С для применения в составе малых космических аппаратов. Выполнено исследование мирового технического уровня разработок плазменных двигателей. Сформулированы основные требования, определяющие конкурентоспособность и высокий потенциал коммерциализации разрабатываемых в ОКБ «Факел» двигателей на мировом космическом рынке. Изложена краткая хронология этапов разработки, продемонстрированы экспериментальные результаты испытаний лабораторной модели двигателя. Сформулированы дальнейшие задачи по проекту.

Ключевые слова:

холловский двигатель, плазменный двигатель, ускоритель плазмы, сверхмалая мощность, сверхмалые размеры, малый космический аппарат, CubeSat

Библиографический список

  1. Hofacker C. How to make a megaconstellation // Aerospace America. 2020. URL: https://aerospaceamerica.aiaa.org/features/how-to-make-a-megaconstellation/

  2. Klesh A., Krajewski J. MarCO: Mars Cube One — Lessons Learned from Readying the First Interplanetary CubeSats for Flight // 49th Lunar and Planetary Science Conference 2018 (Woodlands, Texas). LPI Contribution No. 2083. URL: https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2018/pdf/2923.pdf

  3. World’s largest database of nanosatellites, over 2700 nanosats and CubeSats, https://www.nanosats.eu

  4. Гришин С.Д., Захаров Ю.А., Оделевский В.К. Проектирование космических аппаратов с двигателями малой тяги. — М.: Машиностроение, 1990. — 224 с.

  5. Goebel D.M., Katz I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. — Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 2008. — 486 p.

  6. Ткачук А.В., Козубский К.Н., Румянцев А.В. Двигательная установка с плазменными двигателями для космических микроаппаратов // Вестник Московского авиационного института. 2014. Т. 21. № 2. С. 49-54.

  7. Парахин Г.А., Румянцев А.В., Панков Б.Б., Каташова М.И. Создание слаботочного катода для малого стационарного плазменного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 4. С. 81-89. DOI: 10.34759/vst-2019-4-81-89

  8. Горшков О.А., Муравлёв В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / Под ред. А.С. Коротеева. — М.: Машиностроение, 2008. — 280 с.

  9. Zhang G., Ren J., Liang W. et al. Coupling plasma plume of a low power magnetically shielded Hall thruster with a hollow cathode // Chinese Journal of Aeronautics. 2020. DOI: 10.1016/j.cja.2020.03.023

  10. Lee D., Kim H., Lee S., Doh G., Choe W. Development and Performance Test of a 50 W class Hall Thruster // 36th International Electric Propulsion Conference (University of Vienna, Vienna, Austria; 15–20 September 2019). IEPC-2019-599. URL: http://electricrocket.org/2019/599.pdf

  11. Gurciullo A., Jarrige J., Lascombes P., Packan D. Experimental performance and plume characterisation of a miniaturised 50W Hall thruster // 36th International Electric Propulsion Conference (University of Vienna, Vienna, Austria; 15–20 September 2019). IEPC-2019-142. URL: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02422774

  12. Dignani D., Ducci C., Cifali G., Rossetti P., Andrenucci M. HT-100 Hall thruster characterization tests results // 32nd International Electric Propulsion Conference (Wiesbaden, Germany; 11–15 September 2011). IEPC-2011-191. URL: http://electricrocket.org/IEPC/IEPC-2011-191.pdf

  13. Hall-effect electric Thrusters, lajp.org.ua/products/hall-effect-electric-thrusters

  14. Herscovitz J., Zuckerman Z., Lev D. Electric Propulsion Developments at Rafael // 30th International Electric Propulsion Conference and 6th Nano satellite Symposium (Hyogo Kobe, Japan; 4–10 July 2015). IEPC-2015-30. URL: http://electricrocket.org/2015/30.pdf

  15. Lev D.R., Zimmerman R., Shoor B. et al. Electric Propulsion Activities at Rafael in 2019 // 36th International Electric Propulsion Conference (University of Vienna, Vienna, Austria; 15–20 September 2019). IEPC-2019-600. URL: http://electricrocket.org/2019/600.pdf

  16. Titov M., Loyan A., Rybalov O., Maksymenko T. The Comparison of Results of Tests of Low Power Hall Thrusters: SPT and TAL // 32nd International Electric Propulsion Conference (Wiesbaden, Germany; 11–15 September 2011). IEPC-2011-199. URL: http://electricrocket.org/IEPC/IEPC-2011-199.pdf

  17. Warner N.Z. Theoretical and Experimental Investigation of Hall Thruster Miniaturization. The certified thesis. — Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Aeronautics and Astronautics. 2007. URI: http://hdl.handle.net/1721.1/42044

  18. Hillier A.C., Branam R.D., Huffman R.E., Szabo J., Paintal S. High Thrust Density Propellants in Hall Thrusters // 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition (Orlando, Florida; 4–7 January 2011). AIAA 2011-524. DOI: 10.2514/6.2011-524

  19. Hruby P., Demmons N., Courtney D., Tsay M., Szabo J., Hruby V. Overview of Busek Electric Propulsion // 36th International Electric Propulsion Conference (University of Vienna, Vienna, Austria; 15–20 September 2019). IEPC-2019-926. URL: http://electricrocket.org/2019/926.pdf

  20. Mani K.V. Combined Chemical Electric Propulsion Design and Hybrid Trajectories for Stand alone Deep Space CubeSats. Doctor of Philosophy Thesis, Politecnico di Milano, Department of Aerospace Science and Technology, Milano, Italy, 2020.

  21. Polzin K.A., Markusic T.E., Stanojev B.J. et al. Performance of a Low Power Cylindrical Hall Thruster // 29th International Electric Propulsion Conference (Princeton University, USA, 31 October—04 November 2005). IEPC-2005-011. URL: https://htx.pppl.gov/publication/Conference/CHT_IEPC_2005-011.pdf

  22. Smirnov A., Raitses Y., Fisch N.J. Enhanced ionization in the Cylindrical Hall Thruster // Journal of Applied Physics. 2003. Vol. 94. No. 2, pp. 852-857. DOI: 10.1063/1.1585114

  23. Ellison C.L., Raitses Y., Fisch N.J. Direct measurement of spoke induced, cross field electron transport in a cylindrical Hall thruster // 32nd International Electric Propulsion Conference (Wiesbaden, Germany; 11–15 September 2011). IEPC-2011-173. URL: http://electricrocket.org/IEPC/IEPC-2011-173.pdf

  24. Smirnov A., Raitses Y., Fisch N.J. Parametric Investigations of Miniaturized Cylindrical and Annular Hall Thrusters // Journal of Applied Physics. 2002. Vol. 92. No. 10, pp. 5673-5676. DOI: 10.1063/1.1515106

  25. Spektor R., Diamant K.D., Beiting E.J. et al. Characterization of a Cylindrical Hall Thruster with Permanent Magnets // 32nd International Electric Propulsion Conference (Wiesbaden, Germany; 11–15 September 2011). IEPC-2011-264. URL: https://htx.pppl.gov/publication/Conference/IEPC2011%20pmCHT%20Slava.pdf

  26. Ikeda T., Togawa K., Tahara H., Watanabe Y. Performance characteristics of very low power cylindrical Hall thrusters for the nano satellite «PROITERES 3» // Vacuum. 2013. Vol. 88, pp. 63-69. DOI: 10.1016/j.vacuum.2012.04.012

  27. Ikeda T., Obara H., Taguchi S., Neko R., Matsuo T., Tahara H. Development of low power micro cylindrical hall thruster «SCHT 1» // 36th International Electric Propulsion Conference (University of Vienna, Vienna, Austria; 15–20 September 2019). IEPC-2019-A-779. URL: http://electricrocket.org/2019/779.pdf

  28. Bernikova M.Yu., Gopanchuk V.V. Parametric family of the PlaS type thrusters: development status and future activities // 35th International Electric Propulsion Conference (Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, USA; 8–12 October 2017). IEPC-2017-39. URL: http://electricrocket.org/IEPC/IEPC_2017_39.pdf

  29. Ким В.П., Гниздор Р.Ю., Грдличко Д.П. и др. Основные положения, используемые для управления слоем ионизации и ускорения в разряде стационарного плазменного двигателя // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2018. № 12. С. 101-112. DOI: 10.1134/S0207352818120107

  30. Potapenko M.Yu., Gopanchuk V.V. Characteristic Relationship between Dimensions and Parameters of a Hybrid Plasma Thruster // 32nd International Electric Propulsion Conference (Wiesbaden, Germany; 11–15 September 2011). IEPC-2011-042. DOI: http://electricrocket.org/IEPC/IEPC-2011-042.pdf

  31. Берникова М.Ю., Гопанчук В.В., Коркунов М.В. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов. Патент RU 2659009 C1. Бюл. № 18, 26.06.2018.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024