ЕЛЕКТРОРЕАКТИВНИЙ ДВИГУН ДЛЯ КОМПЕНСАЦІЇ АЕРОДИНАМІЧНОГО ГАЛЬМУВАННЯ МАЛОГО КОСМІЧНОГО АПАРАТА НА НАДНИЗЬКІЙ ОРБІТІ

Анотація

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2026.02.049

Метою даної роботи є дослідження можливості створення електрореактивного двигуна (ЕPД), призначеного для тривалої експлуатації на наднизькій орбіті Землі. В роботі відзначаються переваги використання  наднизьких орбіт і обгрунтовується актуальність їх освоєння. Наголошується, що основною перешкодою для освоєння цих орбіт є газодинамічне гальмування космічного апарата в верхній атмосфері Землі. На цей час панівною концепцією способу компенсації атмосферного гальмування космічного апарата є використання ЕРД, що використовує газ, який оточує апарат на орбіті, для створення компенсуючої тяги. При  створенні двигунної установки такого типу головною задачею є створення  пристрою для збору з оточуючої атмосфери достатньої кількості газового палива. При розробці виявилось, що властивості компонентів верхньої атмосфери не відповідають всім вимогам ефективного вироблення тяги, достатньої для компенсації атмосферного гальмування. Системи збору газу, які створені на цей час,  виявились не спроможними до накопичення  газового палива з необхідною швидкістю. В даній роботі пропонується альтернативна концепція ЕРД для компенсації атмосферного гальмування, що базується на досвіді розроблення технологічних плазмових пристроїв для нанесення функціональних металевих покриттів. В роботі розглядається можливість заміни газового палива для ЕРД на конденсоване робоче тіло  ̶  метал. З цією метою розроблялась концепція ЕРД «гібридного» типу. Концепція базується на   поєднанні вакуумно-дугового і магнетронного розрядів в спільній конструкції плазмового пристрою. Імпульсний вакуумно-дуговий розряд використовується як джерело електронів для  ініціювання і підтримання безгазового магнетронного саморозпилювального розряду. При цьому зберігається можливість створення мікротяги дуговим пристроєм. Основна тяга виробляється в магнетронному пристрої при розпиленні, іонізації і прискоренні іонів  металу. При спільній роботі обох розрядів, в магнетронному розряді реалізується безгазовий магнетронний режим саморозпилення, аналогічний режиму біполярного потужнострумового імпульсного магнетронного розпилювання BP HiPIMS.  Для верифікації можливості створення ЕРД «гібридного» типу була  розроблена концептуальна модель плазмового пристрою. Отримані попередні результати, що підтверджують працездатність конструктивної схеми плазмового пристрою і перспективність створення безгазової двигунної системи, альтернативної існуючій на цей час концепції.

ПОСИЛАННЯ

1. Crisp N. H., Roberts P. E., Livadiotti S. The benefits of very low earth orbit for earth observation missions. Progress in Aerospace. 2020. V. 117. Art. 100169. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2020.100619

2. State-of-the-Art Small Spacecraft Technology, NASA/TP−20260003140. URL: https://www.nasa.gov 2026/05soa-2026. (Last accessed on February 18, 2026).

3. Peng Zheng, Jianjun Wu, Yu Zhang. A comprehensive review of atmosphere breathing electric propulsion. International Journal of Aerospace Engineering. 2020. Art. 8811847. 21 pages. https://doi.org/10.1155/2020/8811847

4. Hsu Andrea, Dragnea Horatiu, Schilling John 2223. Small Satellite Propulsion Technologies. Compendium The Aerospace Corporation, DISTRO A, Version 1.41. DISTRO A: Approved for public release. OTR-2024-00338. URL: https://aerospace.org/sites/default/files/2024-02/20231218%20Small%20Satellite%20Propulsion%20Survey_DISTRO_A.pdf (Last accessed on February 18, 2026).

5. Goebel D. M., Katz I., Mikellides I. G. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. Jet Propulsion Lab. California Institute of Technology. March 2008. 486 pp. URL: https://descanso.jpl.nasa.gov/SciTechBook/series1/Goebel__cmprsd_opt.pdf (Last accessed on February 18, 2026).https://doi.org/10.1002/9780470436448

6. Navarro-Cavalle J., Wijnen M., Fajardo P., Ahedo E. Development and characterization of the helicon plasma thruster prototype HPT05M. 36th International Electric Propulsion Conference. Vienna. Austria. September 15-20, 2019. URL: https://ep2.uc3m.es/assets/docs/pubs/conference_proceedings/nava19.pdf (Last accessed on February 18, 2026).

7. Giannetti V., Ferrato E., Andreussi T. On the critical parameters for feasibility and advantage of air-breathing electric propulsion systems. Acta Astronautica. 2024. V. 220. P. 345–355. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2024.04.042

8. Reinhard P., Neumann C. Centre-Triggered Pulsed Cathodic Arc Spacecraft Propulsion. URL: http://hdl.handle.net/2123/13810 (Last accessed on February 18, 2026).

9. Аксенов И. И., Андреев и др. Вакуумная дуга: источники плазмы, осаждение покрытий, поверхностное модифицирование. Киев: Наукова думка, 2012. 727 с.

10. Месяц Г. А. Эктон – лавина электронов из металла. УФН. 1995. Т. 165, № 6. С. 567–590. https://doi.org/10.3367/UFNr.0165.199506a.0601

11. Duppada Guru Sankar, Taploo Anmol, Soni Vikas, Karp Adam, Spinelli Jake, Keidar Michael. Side feeding mechanism for micro cathode arc thruster. Journal of Electric Propulsion. 2025. V. 4. Art. 16 https://doi.org/10.2514/6.2025-2385

12. Merino M. Ahedo E. Magnetic nozzles for space plasma thrusters. Encyclopedia of Plasma Technology. 2016. URL: https://www.taylorfrancis.com/books/e/9781351204958/chapters/10.10 (Last accessed on February 18, 2026).

13. Кузьмичев А. И. Магнетронные распылительные системы. Киев, Аверс, 2008, 244 с.

14. Anders André High Power Impulse Magnetron Sputtering: A journey from early research, Encyclopedia of Plasma Technology - Two Volume Set, eBook ISBN9781351204958 Guðmundsson J. T. аt al AVS Seminar - Plasma Applications Group Santa Clara, CA. 2011. May 12. URL: https://nccavs-usergroups.avs.org/wp-content/uploads/PAG2011/2011_5anders.pdf (Last accessed on February 18, 2026).

15. Anders Andre, Andersson J. Gasless sputtering: Opportunities for ultraclean metallization, coatings in space, and propulsion. Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. Art. 221503. https://doi.org/10.1063/1.2938414

16. Гришкевич А. Д., Хитько А. В. Использование плазменного Источника электронов в магнетронной системе ионного распыления. Проблемы высокотемпературной техники. 2011. С. 42–45.

17. Tiron V., Velicu I-L. Understanding the ion acceleration mechanism in bipolar HiPIMS: the role of the double Layer structure developed in the after-glow plasma. Plasma Sources Science and Technology. 2020. V. 29. No. 1. Art. 015003. https://doi.org/10.1088/1361-6595/ab6156

18. Avino F. at al. After-glow dynamics of plasma potential in bipolar HiPIMS discharges. Plasma Sources Sci. Technol. 2021. V. 30. Art. 115015. https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac2aed

19. Yang Luo, Mingyue Han, Duoduo Li, Ling Tang et al. Plasma potential and ion energy characteristics in BP-HiPIMS discharge with double layer. Plasma Sources Science and Technology. 2024. V. 33. Art. 105007. https://doi.org/10.1088/1361-6595/ad52bf

20. Гришкевич А. Д., Гринюк С. И. Магнетронное формирование и применение интенсивных потоков газометаллической плазмы. Техническая механика. 2019. № 2. С. 102–113. https://doi.org/10.15407/itm2019.02.102

21. Гришкевич А. Д., Гринюк С. И. Разработка и исследование макета источника питания сильноточного импульсного магнетронного разряда. Техническая механика. 2019. № 4. С. 137–147. https://doi.org/10.15407/itm2019.04.137

22. Райзер Ю. П. Основы современной физики газорозрядных процессов. М.: Наука, 1980. 415 c.