ПОРІВНЯННЯ ХАРАКТЕРИСТИК «КЛАСИЧНОГО» ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА І МАГНІТНО-ЕКРАНОВАНОГО

Анотація

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.02.050

Метою цієї роботи є аналіз та порівняння експлуатаційних характеристик двох типів холловських двигунів (ХД): «класичного» і магнітно-екранованого. Дослідження спрямоване для визначення їх ефективності, зносостійкості та можливостей для застосування в космічних місіях. Особливу увагу приділено впливу магнітного екранування (МЕ) на довговічність ХД, ефективність використання робочого тіла та енергетичні параметри.

Дослідження проводилось на основі теоретичних розрахунків, експериментальних даних та числового моделювання роботи ХД. Для аналізу застосовувалися методи математичного моделювання плазмових процесів, а також експериментальні тести на стенді. Особливу увагу приділено вивченню процесів іонізації, динаміки заряджених частинок та розподілу магнітного поля у двигунах.

Проведене дослідження дозволило визначити ключові відмінності між «класичним» та магнітно-екранований ХД. Зокрема:

• магнітно-екранований двигун демонструє суттєво нижчий рівень ерозії стінок, що підвищує його ресурс роботи;
• «класичний» двигун має вищу ефективність, проте поступається магнітно-екранованому за довговічністю;
• МЕ впливає на розподіл плазми, що змінює динаміку витоку іонів і може впливати на форму струменя;
• загальна ефективність магнітно-екранованого двигуна може бути покращена за рахунок оптимізації параметрів магнітного поля та геометрії каналу.

У роботі проведено детальний аналіз впливу МЕ на характеристики ХД. Встановлено, що МЕ дозволяє знизити ерозію каналів без суттєвого зменшення питомого імпульсу, що є важливим фактором для збільшення ресурсу двигуна. Запропоновано вдосконалену методику оцінки ефективності плазмових процесів у магнітно-екранованому ХД, яка враховує просторову конфігурацію магнітного поля та динаміку частинок. Отримані результати можуть сприяти подальшій оптимізації конструкції електрореактивних двигунів.

Результати роботи можуть бути використані для вдосконалення існуючих конструкцій ХД, оптимізації їх параметрів та розробки нових моделей із покращеними характеристиками. МЕ може стати ключовим технологічним рішенням для збільшення терміну дії двигунів, що особливо важливо для довготривалих космічних місій.

ПОСИЛАННЯ

1. Dankanich J. Low-Thrust Mission Design and Application. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2010, Nashville, TN. Reston, Virigina. Paper 2010-6857. https://doi.org/10.2514/6.2010-6857

2. De Grys K. H., Mathers A., Welander B., Khayms V. Demonstration of 10,400 Hours of Operation on 4.5 kW Qualification Model Hall Thruster. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2010, Nashville, TN. Reston, Virigina. Paper 2010-6698. https://doi.org/10.2514/6.2010-6698

3. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R., Goebel D. M., De Grys K. H., Mathers A. Magnetic Shielding of the Acceleration Channel in a Long -Life Hall Thruster. Physics of Plasmas. 2011. V. 18. 033501. https://doi.org/10.1063/1.3551583

4. Hofer R. R., Goebel D. M., Mikellides I. G., Katz I. Design of a Laboratory Hall Thruster with Magnetically Shielded Channel Walls, Phase II: Experiments. 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit,  July, 2012, Atlanta, Georgia. Reston, Virigina. AIAA-2012-3788. https://doi.org/10.2514/6.2012-3788

5. Mikellides, I. G., Katz, I., Hofer, R. R. Design of a Laboratory Hall Thruster with Magnetically ShieldedChannel Walls, Phase I: Numerical Simulations. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit,  July, 2011, Atlanta, Georgia. Reston, Virigina. Paper 2011-5809. https://doi.org/10.2514/6.2011-5809

6. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R., Goebel D. M. Design of a Laboratory Hall Thruster with Magnetically Shielded Channel Walls, Phase III: Comparison of Theory with Experiment. 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2012,  Atlanta, Georgia. Reston, Virigina. AIAA -2012-3789. https://doi.org/10.2514/6.2012-3789

7. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R., Goebel D. M. Magnetic Shielding of Walls from the Unmagnetized Ion Beam in a Hall Thruster. Applied Physics Letters. 2013. V.102, 2. 023509. https://doi.org/10.1063/1.4776192

8. Cosimo D., Misuri T., Gregucci S., Pedrini D., Dannenmayer K. Magnetically Shielded HT100 Experimental Campaign. IEPC. October, 2017, м. Atlanta, Georgia. 2017. Paper 2017-372.

9. Hofer R. R., Cusson S. E., Lobbia R. B., Gallimore R. D. The H9 Magnetically Shielded Hall Thruster. IEPC, October, 2017, м. Atlanta, Georgia. 2017. Paper 2017-332.

10. Hofer R. R., Polk J., Mikellides I., Ortega A. L., Conversano R., Chaplin V., Lobbia R. B., Goebel D., Kamhawi H., Verhey T., Williams G., Mackey J., Huang W., Yim J., Herman D., Peterson P. Development status of the 12.5 kW hall effect rocket with magnetic shielding (HERMeS). 35th IEPC, October, 2017, м. Atlanta, Georgia. 2017. Paper 2017-232. https://doi.org/10.2514/6.2016-4825