Моделирование взаимодействия плазменной струи электроракетного двигателя с панелями солнечных батарей космических аппаратов

Авиационная и ракетно-космическая техника

2026. Т. 33. № 1. С. 106-117.

Авторы

Канев С. В.1*, Надирадзе А. Б.1**, Грабовский И. И.1, 2***

1. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4
2. Корпорация «ВНИИЭМ», Москва, Российская Федерация

*e-mail: k208mai@mail.ru
**e-mail: nadiradze@mai.ru
***e-mail: parsec1.34@gmail.com

Аннотация

На орбите Земли работает множество космических аппаратов (КА) с электроракетными двигателями (ЭРД) на борту. С расширением функционала КА требуется расширить и диапазон рабочих напряжений солнечных батарей (БС) системы электропитания КА. Увеличение рабочего напряжения БС позволяет снизить омические потери в кабельной сети и потери на преобразование напряжения. Однако такой рост приводит к тому, что плазма, генерируемая при работе ЭРД, начинает взаимодействовать с электродами панелей солнечных батарей, приводя к возникновению электронного тока утечки из плазмы на открытые электроды БС и повышая вероятности возникновения дуговых разрядов. В совокупности эти явления могут стать причиной значительной потери мощности БС и нарушению нормальной работы КА. Так как моделирование процессов взаимодействия плазмы ЭРД с панелями БС в стендовых условиях затруднено, то единственным способом получения информации о параметрах взаимодействия остается численное моделирование. В связи с этим цель данной работы – построить численную модель и разработать методики определения вольт-амперных характеристик (ВАХ) открытых электродов БС с учетом их электрического потенциала и параметров окружающей плазмы струи ЭРД.

Ключевые слова:

стационарный плазменный двигатель, плазменная струя, солнечная батарея, вольт-амперная характеристика, экранирование, численная модель, токи утечки

Список источников

  1. Валиуллин В.В., Кочура С.Г., Максимов И.А., и др. Вопросы обеспечения стойкости высоковольтных солнечных батарей космических аппаратов к воздействию вторичных дуговых разрядов // Сибирский аэрокосмический журнал. 2024. Т. 25. № 1. С. 85–105. DOI: 10.31772/2712-8970-2024-25-1-85-105
  2. Schneider TA, Mikellides IG, Jongeward GA, et al. Solar Arrays for Direct-Drive Electric Propulsion: Arcing at High Voltages // Journal of Spacecraft and Rockets. 2005. Vol. 42. No. 3, pp. 543–549. DOI: 10.2514/1.5636 
  3. Валиуллин В.В., Надирадзе А.Б. Исследование электроразрядных явлений, инициированных плазмой электроракетных двигателей в электрических цепях высоковольтных солнечных батарей // Космическая техника и технологии. 2024. № 3(46). С. 89–105.
  4. Minow JI, Jordanova VK, Pitchford D, et al. ISWAT spacecraft surface charging review // Advances in Space Research. 2024. С. 26. DOI: 10.1016/j.asr.2024.08.058
  5. Валиуллин В.В., Надирадзе А.Б. Потенциал высоковольтной солнечной батареи космического аппарата в плазме электроракетного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 3. С. 125–135.
  6. Howell JT, O’Neill MJ, Mankins JC High-voltage array ground test for direct-drive solar electric propulsion // Acta Astronautica. 2006. Vol. 59. No. 1-5, pp. 206–215. DOI: 10.1016/j.actaastro.2006.02.050
  7. Yoke T, Iwai S, Khan AR, et al. Development of Mission Payloads Onboard High Voltage Technology Demonstration Satellite HORYU-II // IEEE Transactions on Plasma Science. 2013. Vol. 41. No. 12, pp. 3477–3486. DOI: 10.1109/TPS.2013.2276439
  8. Mazouffre S. Electric propulsion for satellites and spacecraft: established technologies and novel approaches // Plasma Sources Science and Technology. 2016. Vol. 25. No. 3: 033002. DOI: 10.1088/0963-0252/25/3/033002
  9. Lev D, Myers R, Lemmer K, et al. The technological and commercial expansion of electric propulsion // Acta Astronautica. 2019. Vol. 159, pp. 213–227. DOI: 10.1016/j.actaastro.2019.03.058
  10. Arkhipov AS, Kim V, Sidorenko EK Characteristics of jets from stationary plasma thrusters under different operating conditions // Technical Physics. 2012. Vol. 57. No. 5, pp. 621–630. DOI: 10.1134/S1063784212050040
  11. Yang Y, Zhou S, Yan K, et al. Measurement and diagnosis of miniaturized ion thruster plume // AIP Advances. 2023. Vol. 13. No. 3: 035036. DOI: 10.1063/5.0143330
  12. Hofer R, Jankovsky R. A Hall thruster performance model incorporating the effects of a multiply-charged plasma // 37th Joint Propulsion Conference and Exhibit (08-11 July 2001; Salt Lake City, UT, USA). DOI: 10.2514/6.2001-3322
  13. Brophy JR, Kakuda RY, Polk JE, et al. Ion Propulsion System (NSTAR). Deep Space 1 Technology Validation Report. JPL, 2000. 45 p.
  14. Beal BE, Gallimore A, Hargus WA. Preliminary Plume Characterization of a Low-Power Hall Thruster Cluster // 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit (07–10 July 2002; Indianapolis, Indiana). DOI: 10.2514/6.2002-4251
  15. Myers RM, Manzella DH Stationary plasma thruster plume characteristics // International Electric Propulsion Conference (13–16 September 1993; Seattle, WA, USA).
  16. Zhong Q, Pingyang W, Zhaohui D, et al. Study of Plume Characteristics of a Stationary Plasma Thruster // Plasma Science and Technology. 2008. Vol. 10. No. 5, pp. 612–618. DOI: 10.1088/1009-0630/10/5/17
  17. Ким В.П. Стационарные плазменные двигатели в России: проблемы и  перспективы // Труды МАИ. 2012. № 60. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=35374
  18. Mikellides IG, Jongeward GA, Katz IJ, et al. Plume Modeling of Stationary Plasma Thrusters and Interactions with the Express-A Spacecraft // Journal of Spacecraft and Rockets. 2002. Vol. 39. No. 6, pp. 894–903. DOI: 10.2514/2.3896
  19. Jongeward GA, Katz IJ, Carruth MR, et al. High Voltage Solar Arrays for a Direct Drive Hall Effect Propulsion System // 27th International Electric Propulsion Conference (15-19 October 2001; Pasadena, California). IEPC-01-327.
  20. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969. 292 с.
  21. Абрамешин А.Е. Методология проектирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов с учетом воздействия поражающих факторов электризации. Дисс. ... д-ра техн. наук. СПб.: ЛЭТИ, 2016. 262 с.
  22. Рябцева М.В., Лебедев А.А., Наумова А.А., и др. Анализ конструкций перспективных солнечных батарей космических аппаратов // Инженерный журнал: наука и инновации. 2022. № 3(123). DOI: 10.18698/2308-6033-2022-3-2162
  23. Казанцев З.А., Ерошенко А.М., Бабкина Л.А., и др. Анализ конструкций солнечных батарей космических аппаратов // Космическая техника и технологии. 2021. Т. 5. № 3(37). С. 121–136. DOI: 10.26732/j.st.2021.3.01
  24. Валиуллин В.В. Воздействие плазмы электроракетных двигателей на высоковольтные солнечные батареи космических аппаратов: Дисс. ... канд. техн. наук. Москва, 2024. 152 с.
  25. Roussel J-F, Rogier F, Dufour G, et al. SPIS Open-Source Code: Methods, Capabilities, Achievements, and Prospects // IEEE Transactions on Plasma Science. 2008. Vol. 36. No. 5, pp. 2360–2368. DOI: 10.1109/TPS.2008.2002327
  26. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975. 272 с.
  27. 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
  28. 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
  29. Goebel DM, Katz I. Fundamentals of Electric Propulsion. Ion and Hall Thurusters. California: Jhon Wiley & Sons, Inc., 2008. 508 p. 
  30. Zhang X, Wang W, Bai C, et al. An Analysis of the Effect of Hall Thruster Plumes on Surface Charging of a Complex Spacecraft Structure // Applied Sciences. 2024. Vol. 14. No. 6: 2650. DOI: 10.3390/app1406265
  31. Shinde TL. Electric Thruster Modeling and its Influence on Spacecraft Charging in Varied Plasma Environments. PhD Thesis. The University of Sydney, 2024.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2026