ПАРАМЕТРИ ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА ST-40M ПРИ РОБОТІ НА КСЕНОНІ І КРИПТОНІ
Ключові слова:
холловський двигун, робоча речовина, ксенон, криптон, тяга, питомий імпульс.Анотація
DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.04.043
У статті наведено результати експериментального дослідження параметрів холловського двигуна ST-40M, розробленого в лабораторії SETS (Space Electric Propulsion Systems), при роботі на ксеноні та криптоні. Електрореактивні двигунні установки на базі холловського двигуна набули широкого застосування завдяки високим характеристикам і відносній простоті конструкції та експлуатації порівняно з іншими типами двигунних установок. Традиційно як робоча речовина в холловських двигунах використовується ксенон. Це інертний газ, який має низьку енергію іонізації та велику атомну масу, що дає змогу отримати високі характеристики електрореактивної двигунної установки при простоті її експлуатації. Проте висока вартість ксенону істотно впливає на загальні витрати під час випробувань і експлуатації двигуна та електрореактивної двигунної установки у цілому. У зв’язку з цим проводяться дослідження щодо застосування альтернативних робочих речовин, які дали б змогу зменшити вартість відпрацювання при збереженні характеристик двигуна на прийнятному рівні. Найбільш перспективною альтернативою ксенону вважається криптон. Він має нижчу вартість і забезпечує простоту експлуатації, проте має вищу енергію іонізації, що негативно впливає на ККД двигуна. Метою роботи було порівняння основних параметрів двигуна при роботі на ксеноні та криптоні в однакових умовах. Експериментальні випробування проводилися у вакуумній камері при розрядних напругах у діапазоні від 250 В до 500 В і витратах робочої речовини від 1 мг/с до 1,78 мг/с для ксенону та від 1 мг/с до 1,6 мг/с для криптону. Порівняльний аналіз параметрів двигуна при роботі на ксеноні і криптоні при витраті 1 мг/с показав, що використання криптону призводить до погіршення характеристик двигуна. Тяга та питомий імпульс аноду зменшилися на 25 % – 37 %, а ККД аноду знизився на 15 % – 24 %.
ПОСИЛАННЯ
1. Frongello B., Hoskins W., Cassagy R., Kalkowska L., Maliga R. Spacecraft electric propulsion at an inflection point. Proceedings of the ASCEND Conference, AIAA. 2021. Р. 2021–4151. https://doi.org/10.2514/6.2021-4151
2. Tirila V. G., Demairé A., Ryan C. N. Review of alternative propellants in Hall thrusters. Acta Astronautica. 2023. V. 212. P. 284–306. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.07.047
3. Асмоловський С., Юрков Б. Аналіз впливу зміни робочої речовини з ксенону на альтернативні інертні гази на параметри систем електрореактивної двигунної установки холловського типу. Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки. 2023. 33(2). Р. 3–22. https://doi.org/10.15421/472308
4. Thomas F., Munro-O’Brien, Ryan C. N. Effect of channel width on the performance of a modular Hall effect thruster operating on Xenon, Krypton, and Argon. 39th International Electric Propulsion Conference. 2025. IEPC-2025-193.
5. Thoreau P., Little J. M., Johansen A., Holmes M. R. Modeling and Optimization of Propellant Mixtures for Hall Thrusters. 39th International Electric Propulsion Conference. 2025. IEPC-2025-071.
6. Moghaddasi M. B., Byrne M., Glascock M., Foster A. Qualification of ExoTerra’s Halo8 Hall-Effect Thruster on Krypton Propellant. 39th International Electric Propulsion Conference. 2025. IEPC-2025-441.
7. Kitaeva A., Di Sarli A., Giusti N., Pisano V., Pieri L., Cecconi M., Binetti C., Torre L., Gregucci S., Cardelli M., & Ciampin, D. SITAEL HT5k and HT20k Propulsion Systems Readiness. 38th International Electric Propulsion Conference. 2024. IEPC-2024-726.
8. Petrenko O., Troyan A., Pererva V. Parameters of the ST-40M Hall Thruster with Increased Power Discharge Supply. Journal of Rocket-Space Technology 2023. 31(4). Р.50–58. https://doi.org/10.15421/452307
9. Tolok S., Shcherbak D., Petrenko O., Troian A., Yurkov B. LAB6 hollow cathode with wide range current operation. 73rd International Astronautical Congress. 2022.
10. Вороновський Д., Кулагін С., Юрков Б., Асмоловський С. Порівняння характеристик «класичного» холловського двигуна і магнітноекранованого. Технічна механіка. 2025. №2. С. 50–62. https://doi.org/10.15407/itm2025.02.050
11. Glascock M. S., Kiefer E., VanWoerkom M. Performance and Capability Overview of the Halo Electric Propulsion System. 37th International Electric Propulsion Conference. 2022. IEPC-2022-301.
12. Jakubczak M., Riazantsev A., Jardin A., Kurzyna J. Experimental optimization of small krypton hall thruster for operation at high voltage. 37th International Electric Propulsion Conference. 2022. IEPC-2022-360.
13. Xia G., Li H., Ding Y., Wei L., Chen S., & Yu D. Performance optimization of a krypton Hall thruster with a rotating propellant supply. Acta Astronautica. 2020. 171. Р. 290–299. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.021
