Стационарные плазменные двигатели на криптоне: результаты исследований функционирования, разработок и актуальные проблемы

Авиационная и ракетно-космическая техника

2025. Т. 32. № 4. С. 147-159.

Авторы

Пичужкин И. А.*, Приданников С. Ю., Берникова М. Ю.*, Румянцев А. В.**

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

*e-mail: info@fakel-russia.com
**e-mail: albert37@list.ru

Аннотация

В статье систематизируются и обобщаются имеющиеся на данный момент результаты исследований рабочих процессов в стационарных плазменных двигателях (СПД), работающих на криптоне, а также инженерных разработок. Высокая стоимость и дефицит ксенона стимулируют поиск альтернативных рабочих тел. Криптон обладает рядом преимуществ, каковым относятся меньшая стоимость и достаточно близкие к ксенону физические характеристики, что делает его перспективной заменой ксенону в качестве рабочего тела. Особое внимание уделено формированию магнитного поля в разрядной камере СПД, процессам ионизации и ускорения рабочего тела и процессу эрозии элементов конструкции двигателей, показано влияние физических свойств криптона на протекание этих процессов. Рассматриваются закономерности и способы увеличения эффективности работы СПД на криптоне. Подчеркивается актуальность обеспечения ресурса элементов двигателя при работе на криптоне, так как наблюдается повышенная скорость эрозии стенок разрядной камеры. Рассмотрены разработки СПД различной мощности, направленные на адаптацию СПД к использованию криптона, результаты их испытаний и достигнутые параметры.

Ключевые слова:

стационарный плазменный двигатель на криптоне, физические характеристики СПД, эрозия элементов конструкции двигателей, сечение ионизации

Список источников

  1.  Lindner M. Insights into the global xenon market // Workshop on Xenon Detector 0νββ Searches: Steps Towards the Kilotonne Scale (25-27 October 2023; California, USA).
  2.  Рожкова Е.А. Сравнение по технико-экономическим характеристикам два топлива для космических аппаратов ксенон и криптон // Современные технологии: проблемы и перспективы: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции для аспирантов, студентов и молодых ученых (15–18 апреля 2024; Севастополь). Севастополь: Изд-во СевГУ, 2024. С. 99-104. EDN JXOMZU 
  3.  Giannetti V., Andreussi T., Leporini A., et al. Electric propulsion system trade-off analysis based on alternative propellant selection // Space Propulsion Conference (02-06 May 2016; Rome, Italy). SP2016_3125194
  4.  Лазуренко А.В. Моделирование процессов ионизации и ускорения рабочего тела в стационарном плазменном двигателе (СПД) с учетом 3-х мерных эффектов: Дисс. ... канд. техн. наук. М., 2002. 115 с.
  5.  Митрофанова О.А. Влияние величины и топологии магнитного поля на интегральные характеристики стационарных плазменных двигателей: Дисс. ... канд. техн. наук. М., 2015. 147 с.
  6.  Горшков О.А., Муравлёв В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные двигатели для космических аппаратов. М.: Машиностроение, 2008. 280 с.
  7.  Ning Z.X., Xia G.J., Zhu X.M., et al. Исследование характеристик фокусировки ионного потока в двигателе Холла на криптоне // Физика плазмы. 2019. Т. 45. № 6. С. 498-512. DOI: 10.1134/S0367292119060088
  8.  Linnell J.A. An evaluation of krypton propellant in Hall thrusters. Ph.D. Thesis. University of Michigan; 2007.
  9.  Kim Y., Lee D., Doh G., et al. Performance comparison of xenon and krypton discharges in a 300 W-class Hall thruster // 37th International Electric Propulsion Conference (19-23 June 2022; Boston and Cambridge, USA). IEPC-2022-336.
  10.  Саевец П.А., Румянцев А.В. Разработка двигателя малой мощности для работы на криптоне // Вестник БФУ. 2016. № 3. С. 80-87.
  11.  Ким В.П., Меркурьев Д.В., Смирнов П.Г., и др. Влияние расхода криптона через ускорительный канал стационарного плазменного двигателя Морозова на его тяговую эффективность // Письма в журнал технической физики. 2017. Т. 43. № 23. С. 24-30. DOI: 10.21883/PJTF.2017.23.45272.16758
  12.  Ким В.П., Захарченко В.С., Меркурьев Д.В., и др. О влиянии расхода ксенона и криптона через ускорительный канал на тяговую эффективность стационарных плазменных двигателей Морозова // Физика плазмы. 2019. Т. 45. № 1. С. 14-24. DOI: 10.1134/s0367292119010086
  13.  Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы. М.: Наука, 1975. 176 с.
  14.  Kim V., Popov G., Kozlov V., et al. Investigation of SPT performance and Particularities of its operation with Kr and Kr/Xe mixtures // 27th International Electric Propulsion Conference (15-19 October 2001; Pasadena, CA). IEPC-01-065.
  15.  Kim V., Grdlichko D., Kozlov V., et al. Local Plasma Parameter Measurements by Nearwall Probes Inside the SPT Accelerating Channel Under Thruster Operation With Kr // 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion  (07-10 July 2002; Indianapolis, IN, USA). DOI: 10.2514/6.2002-4108
  16.  Архипов А.С., Ким В.П., Сидоренко Е.К. Стационарные плазменные двигатели Морозова. М.: Изд-во МАИ, 2012. 291с.
  17.  Жасан В.С., Ким В.П., Меркурьев Д.В., и др. Исследование интегральных характеристик и характеристик струи СПД малой мощности при работе на ксеноне, криптоне и их смесях // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2016. № 2. С. 66–79.
  18.  Raitses Y., Staack D., Keidar M., et al. Electron-wall interaction in Hall thrusters // Physics of Plasmas. 2005. Vol. 12. No. 5: 057104. DOI: 10.1063/1.1891747
  19.  Linnell J.A., Gallimore A D. Internal plasma structure measurements of a Hall thruster using xenon and krypton propellant // 29th International Electric Propulsion Conference (31 October – 4 November 2005; Princeton University). IEPC-2005-024.
  20.  Bugrova A.I., Morozov A.I., Lipatov A.S., et al. Integral and spectral characteristics of ATON stationary plasma thruster operating on krypton and xenon // 28th International Electric Propulsion Conference (17-21March 2003; Toulouse, France).
  21.  Su L.L., Marks T.A., Jorns B.A. Investigation into the efficiency gap between krypton and xenon operation on a magnetically shielded Hall thruster // 37th International Electric Propulsion Conference (19-23 June 2022; Boston and Cambridge, USA). IEPC-2022-366. 
  22.  Hargus W.A., Azarnia G.M., Nakles M.R. Kr II laser-induced fluorescence for measuring plasma acceleration // Review of Scientific Instruments. 2012. Vol. 83. No. 10:103111. DOI: 10.1063/1.4754889
  23.   Hargus Jr W.A., Cappelli M.A. Laser-induced fluorescence measurements of velocity within a Hall discharge // Applied Physics B. 2001. Vol. 72. No. 8, pp. 961-969. DOI: 10.1007/s003400100589
  24.  Andreussi T., Giannetti V., Leporini A., et al. Temporal evolution of the performance and channel erosion of a 5kW-class Hall effect thruster operating with alternative propellants // 5th Space Propulsion Conference (2–6 May 2016; Rome, Italy). SP2016_3125164.
  25.  Nakles M.R., Hargus W.A., Delgado J.J., et al. A 205 Hour Krypton Propellant Life Test of the SPT-100 Operating at 2 kW // 33rd International Electric Propulsion Conference (06–10 October 2013; Washington, DC, USA). IEPC-2013-347. 
  26.  Шагайда А.А., Горшков О.А., Томилин Д.А. Влияние эрозии стенок разрядного канала на эффективность работы стационарного плазменного двигателя // Журнал технической физики. 2012. Т. 82. № 8. С. 42-49.
  27.  Ким В.П., Гниздор Р.Ю., Ермошкин Ю.М., и др. Влияние состояния поверхности и геометрии выходных участков стенок разрядной камеры на характеристики стационарного плазменного двигателя Морозова при его длительной работе // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2018. № 3. С. 18-30. DOI: 10.7868/S0207352818030046
  28.  Hofer R., Kamhawi H., Peterson P., et al. Development and qualification of a 12-kw hall thruster for deep-space missions // 73rd International Astronautical Congress (IAC; 18-22 September 2022; Paris, France). IAC-22-C4-5-15.
  29.  De Grys K., Mathers A., Welander B., et al. Demonstration of 10,400 hours of operation on 4.5 kw qualification model hall thruster // 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit (25-28 July 2010; Nashville, TN). DOI: 10.2514/6.2010-6698
  30.  Hofer R.R., Goebel D.M., Mikellides I.G., et al. Magnetic shielding of a laboratory Hall thruster. II. Experiments // Journal of Applied Physics. 2014. Vol. 115. No. 4: 043304-043304-13. DOI: 10.1063/1.4862314
  31.  Mikellides I.G., Katz I., Hofer R.R., et al. Magnetic shielding of a laboratory Hall thruster. I. Theory and validation // Journal of Applied Physics. 2014. Vol. 115. No. 4: 043303-043303-20. DOI: 10.1063/1.4862313
  32.  Ким В.П., Семенкин А.В., Шилов Е.А. Физические положения и основные результаты исследований, определяющие развитие двигателей с замкнутым дрейфом электронов // Физика плазмы. 2024. Т. 50. № 9. С. 1008-1061.
  33.  Гниздор Р.Ю., Пятых И.Н., Каплин М.А., и др. Разработка и исследование характеристик инженерной модели двигателя СПД-70М, работающего на ксеноне и криптоне // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 2. С. 106-115. DOI: 10.34759/vst-2023-2-106-115. EDN PUGTWL.
  34.  Ловцов А.С. Основные направления развития электроракетных двигательных установок. Опыт разработок ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» // Доклад на видеоконференции «Электроракетные двигатели и их использование на автоматических космических аппаратах», НТС Госкорпорации «Роскосмос» - 2024.
  35.  Kurzyna J., Szelecka A., Daniłko D., et al. Testing KLIMT prototypes at IPPLM and ESA Propulsion Laboratories // Space Propulsion (02-06 May 2016; Rome, Italy).
  36.  Kurzyna J., Jakubczak M., Szelecka A., et al. Preliminary Tests of HIKHET Laboratory Model at IFPiLM // 36th International Electric Propulsion Conference (15-20 September 2019; Vienna, Austria). EPC-2019-591.
  37.  Jakubczak M., Riazantsev A., Jardin A., et al. Experimental optimization of small krypton hall thruster for operation at high voltage // 37th International Electric Propulsion Conference (19-23 June 2022; Boston and Cambridge, USA). IEPC-2022-360.
  38.  Simmonds J.B., Hofer R.R., Firdosy S., et al. Thermal Management and Krypton Performance of the H10 High Power Density Hall Thruster // 38th International Electric Propulsion Conference (23–28 June 2022; Toulouse, France). IEPC-2024-257.
  39.  Абраменков Г.В., Вертаков Н.М., Дронов П.А. и др. Ракетные двигатели АО «ОКБ «Факел» для космических аппаратов - опыт лётного применения и новые разработки // Космическая техника и технологии. 2023. № 4(43). С. 36-55. EDN CCTTMW.
  40.  Grdlichko D.P., Zakharchenko V.S., Kim V.P., et al. Investigation of the possibility to develop an efficient stationary plasma thruster operating with krypton // 2nd IAA/AAS Conference on Space Flight Mechanics and Space Structures and Materials, SciTech Forum (25–27 June 2019; Moscow). p. 857-870. EDN DJMJCP 
  41.  Ducci C., Andreussi T., Arkhipov A., et al. Investigation of a 5 kW class Hall-effect thruster operating with different xenon-krypton mixtures // 34th International Electric Propulsion Conference (04–10 July 2015; Kobe, Japan). IEPC-2015-126.
  42.  Szabo J., Tedrake R., Kolencik G., et al. Measurements of a krypton fed 1.5 kW Hall effect thruster with a centrally located cathode // 35th International Electric Propulsion Conference (08–12 October 2017; Atlanta, Georgia). IEPC-2017-26.
  43.  Морозов А.И., Меликов И.В. О подобии процессов в плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП) при наличии ионизации // Журнал технической физики. 1974. Т. 44. С. 544-549.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2025