РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РЕАКТИВНОГО ДВИГУНА НА МЕТАЛЕВІЙ ПЛАЗМІ

Анотація

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2026.02.069

Вакуумно-дугові реактивні двигуни на металевій плазмі привертають до себе підвищену увагу через простоту їхньої конструкції, легку масштабованість і стійку, надійну роботу.

Метою статті є розробка електричного вакуумно-дугового двигуна на металевій плазмі з високим ресурсом роботи, а також дослідження його характеристик.

Методи дослідження: бібліографічний аналіз науково-технічної літератури, гравіметричний метод вимірювання тяги, вимірювання електричних характеристик.

У статті наведено результати розробки та дослідження вакуумно-дугового реактивного двигуна на металевій плазмі з дисковим катодом з алюмінієвого сплаву 5056 (аналог сплаву АмГ6). Реактивний двигун на металевій плазмі – це новий клас електричних рушійних установок, у яких метал переводиться в плазмовий стан за допомогою електричного розряду, і прискорений потік металевої плазми створює реактивну тягу. Порівняно з відомими конструкціями вакуумно-дугових реактивних двигунів на металевій плазмі розроблений двигун має значну масу катода (805 г) при площі його робочої поверхні 298 см^2.. Двигун має спеціальну магнітну систему для керування переміщенням катодних плям розряду по робочій поверхні катода. Досліджено характер переміщення катодних плям при зміні величини та конфігурації магнітного поля, визначено величину реактивної тяги двигуна при різних величинах розрядного струму. Проведено порівняння величини реактивної тяги розробленого двигуна з величиною тяги відомих конструкцій вакуумно-дугових реактивних двигунів на металевій плазмі.

Наукова новизна результатів, отриманих автором, полягає в тому, що вперше в конструкції електричних вакуумно-дугових реактивних двигунів використано примусове переміщення катодних плям по поверхні катода для забезпечення рівномірної ерозії матеріалу катода та підвищення ресурсу роботи двигуна. Також вперше розроблена та досліджена конструкція електричного реактивного двигуна на металевій плазмі з дисковим катодом та управлінням переміщенням катодних плям дугового розряду за рахунок магнітного поля соленоїда та постійного магніту.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці рекомендацій щодо інженерного створення електричних реактивних двигунів на металевій плазмі та в результатах дослідження параметрів електричного реактивного двигуна з дисковим катодом.

Статтю призначено для фахівців у галузі ракетного двигунобудування.

ПОСИЛАННЯ

1. O’Reilly D., Herdrich G., Kavanagh D. F. Electric Propulsion Methods for Small Satellites: A Review. Aerospace. 2021. vol. 8, No. 1, Art. no. 22. https://doi.org/10.3390/aerospace8010022

2. Kolbeck J., Anders A., Beilis II, Keidar M. Micro-propulsion based on vacuum arcs. J Appl Phys. 2019. Vol.125. https://doi.org/10.1063/1.5081096

3. Pietzka M. Development and Characterization of a Propulsion System for CubeSats Based on Vacuum Arc Thrusters. Ph.D. Thesis, University of the Bundeswehr Munich, Munich, Germany, 2016. 177 рр.

4. Polk J. E., Sekerak M. J., Ziemer J. K., Schein J., and Anders A. A. Theoretical analysis of vacuum arc thruster and vacuum arc ion thruster performance. IEEE Trans. Plasma Sci. 2008. Vol. 36, No. 5. P. 2167–2179. https://doi.org/10.1109/TPS.2008.2004374

5. Krishnan M., Velas K., and Leemans S. Metal Plasma Thruster for Small Satellites. AIAA Journal. 2020. Vol. 36, No. 4. P. 535–539. https://doi.org/10.2514/1.B37603

6. Anders A. Cathodic Arcs: From Fractal Spots to Energetic Condensation. Springer Science Business Media. New York. 2008. 540 pр. https://doi.org/10.1007/978-0-387-79108-1

7. Lun J. Performance improvement of vacuum arc thrusters. A thesis submitted to the Faculty of Engineering and the Built Environment at the University of the Witwatersrand, Johannesburg, in fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. 2015. 270 pр.

8.Marvin Kühn and Jochen Schein. Development of a High-Reliability Vacuum Arc Thruster System. Journal of Propulsion and Power. 2022. Vol. 38, No 5. P. 752–758. https://doi.org/10.2514/1.B38202

9.Taploo A., Jake Spinelli J., Michael Keidar J. Toward achieving longevity of micro cathode thrusters. Guru Sankar Duppada. Appl. Phys. Vol. 138, No 2. https://doi.org/10.1063/5.0273158

10. Schein J., Qi N., Binder R., Krishnan M., Ziemer J. K., Polk J. E., & Anders A. Inductive Energy Storage Driven Vacuum Arc Thruster. Review of Scientific Instruments. 2022. Vol. 73, No.2. P. 925–927. https://doi.org/10.1063/1.1428784

11. Спірін Є. В., Надтока В. М. Електричні реактивні двигуни на металевій плазмі. Космічна техніка. Ракетне озброєння. 2025. Вип. 2 (123). С. 24–34. https://doi.org/10.33136/stma2025.02.024

12. Frankovich J. K., Krishnan M., Mackey J. et al. Qualification of a pulsed, millinewton class metal plasma thruster for broad mission applications. J Electr Propuls. 2025. Vol. 4, No. 65. https://doi.org/10.1007/s44205-025-00139-9

13. Kent Frankovich, Mahadevan Krishnan. Metal plasma thruster (MPT): from garage to orbit in 4 years.  3AF Space Propulsion Conference in Glasgow, Scotland, 20 – 23 Мay 2024.

14. Krishnan M, Frankovich J. K., and Mackey J. Impulse Bit Measurements from Metal Plasma Thruster. Journal of Propulsion and Power. 2021. Vol. 37, No. 4. Pp. 577–583. https://doi.org/10.2514/1.B38191

15. Sethuraman S. K., Barrault М. R. Study of the Motion of Vacuum Arcs in High Magnetic Field. Journal of Nuclear Materials. 1980. Vol. 93–94. P. 791–798. https://doi.org/10.1016/0022-3115(80)90209-3

16. Духопельников  Д. В., Кириллов Д. В., Рязанов В. А., Наинг Чжо Вин. Оптимизация траектории движения катодного пятна для повышения равномерности выработки катода вакуумного дугового испарителя. Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. Вып. 10. URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/plasma/1042.html (дата звернення 19.11.2013).

17. Спірін Є. В. Електрореактивний двигун малої тяги з використанням електродугового розряду. XXV Міжнародна конференція «Людина і космос»: тези доп. XXV Міжнародної молодіжної науково-практичної конференції «Людина і Космос» м. Дніпро 12–14 квітня 2023 р. Національний центр аерокосмічної освіти молоді ім. О. М. Макарова. Дніпро, 2023. С. 50–51.

18. Спірін Є., Надтока В. Дослідження магнітного поля електродугового реактивного двигуна на металевій плазмі. Журнал ракетно-космічних технологій. 2024. Вип. 33, № (4–28).  С. 45–48.