avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2025-9-4-100-107CLUOTDavroen-139Research ArticleАВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКАAVIATION AND ROCKET-SPACE ENGINEERINGОптимизация E×B методики для исследования зарядового состава ионов в струе плазмы холловских двигателейOptimization of the E×B method for studying the charge composition of ions in the plasma jet of Hall effect thrustershttps://orcid.org/0000-0002-6434-6479МайстренкоД. А.MaystrenkoD. A.

Майстренко Дмитрий Александрович, соискатель, научный сотрудник; ассистент кафедры «Общая физика»

Россия, 125438, г. Москва, ул. Онежская, 8

Россия, 117303, г. Москва, ул. Керченская, 1А, корп. 1

Maystrenko Dmitry Alexandrovich, Applicant, Researcher; Assistant at the General Physics Department

Russia, Moscow, Onezhskaya St., 8, 125438

Russia, Moscow, Kerchenskaya St., 1 A, bld. 1, 117303

maystrenko.da@phystech.eduhttps://orcid.org/0000-0002-3188-2195ШагайдаА. А.ShagaydaA. A.

Шагайда Андрей Александрович, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудникAuthorID (РИНЦ): 476323ResearcherID: B-4816-2014

Россия, 125438, г. Москва, ул. Онежская, 8

Shagayda Andrey Alexandrovich, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Leading Researcher

Russia, Moscow, Onezhskaya St., 8, 125438

shagayda@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9363-4376СеливановМ. Ю.SelivanovM. Yu.

Селиванов Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, начальник отдела 120 AuthorID (РИНЦ): 784220

Россия, 125438, г. Москва, ул. Онежская, 8

Selivanov Michael Yurievich, Candidate of Technical Sciences, Head of the 120 Department

Russia, Moscow, Onezhskaya St., 8, 125438

selivanov@kerc.msc.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6047-7378ЛовцовА. С.LovtsovA. S.

Ловцов Александр Сергеевич, кандидат физико-математических наук, заместитель генерального директора по космическим аппаратам и энергетикеAuthorID (РИНЦ): 369460ResearcherID: B-2701-2014

Россия, 125438, г. Москва, ул. Онежская, 8

Lovtsov Alexander Sergeevich, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Deputy Director General for Spacecraft and Energy

Russia, Moscow, Onezhskaya St., 8, 125438

lovtsov@kerc.msk.ruИсследовательский центр имени М. В. Келдыша; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)РоссияKeldysh Research Center; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)Russian FederationИсследовательский центр имени М. В. КелдышаРоссияKeldysh Research CenterRussian Federation20253012202594100107Copyright © Майстренко Д.А., Шагайда А.А., Селиванов М.Ю., Ловцов А.С., 20252025Майстренко Д.А., Шагайда А.А., Селиванов М.Ю., Ловцов А.С.Maystrenko D.A., Shagayda A.A., Selivanov M.Y., Lovtsov A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/139

Электроракетные двигатели находят широкое применение на борту современных космических аппаратов. Для обеспечения эффективного использования таких двигателей особую важность имеют задачи, связанные с диагностикой струи плазмы двигателя. Измерение параметров плазмы струи позволяет как диагностировать работу самого двигателя и определить эффективность его работы, так и рассчитать влияние струи плазмы двигателя на бортовые устройства космических аппаратов. Одной из наиболее важных задач является исследование зарядового состава ионов в плазме струи электроракетных двигателей. В статье представлено расчетное исследование методики измерения зарядового состава плазмы струи электроракетных двигателей холловского типа. Проведено моделирование работы зондов различной геометрии в струях плазмы холловских двигателей с напряжением разряда от 100 до 2000 В, рабочим телом которых является ксенон. С помощью расчетов показаны особенности работы указанной методики и подобрана оптимальная геометрия для исследования доли двухзарядных ионов в струе холловского двигателя.

Electric propulsion rocket engines are widely used on board modern spacecraft. To ensure the efficient use of such engines, it is important to diagnose the plasma plume of the engine. Measuring the parameters of the plasma plume is used for the determining its efficiency, and calculating the impact of the engine plasma plume on the onboard devices of spacecraft. One of the most important tasks is to study the charge state composition of the ions in the plasma plume of an electric propulsion. The article presents a computational study of the method for measuring the charge composition of the plasma plume of a Hall effect thruster. The operation of probes of various geometries in plasma plume of the Hall effect thruster with discharge voltages from 100 to 2000 V, the propellant of which is xenon, is simulated. Using calculations, the features of this technique are shown, and the optimal geometry is selected for studying the fraction of two-charge ions in the Hall effect thruster.

электроракетный двигательхолловский двигательдиагностика плазмызарядовый состав ионов плазмыE×B зондмоделирование ионных пучковelectric propulsionHall effect thrusterplasma diagnosision charge stateWien Filterion plume simulationReferencesLev D., Myers R. M., Lemmer K. M. [et al.]. The technological and commercial expansion of electric propulsion. Acta Astronaut. 2019. Vol. 159. P. 213–227. DOI: 10.1016/j.actaastro.2019.03.058.Lev D., Myers R. M., Lemmer K. M. [et al.]. The technological and commercial expansion of electric propulsion. Acta Astronaut. 2019. Vol. 159. P. 213–227. DOI: 10.1016/j.actaastro.2019.03.058.Levchenko I., Xu S., Mazouffre S. [et al.]. Perspectives, frontiers, and new horizons for plasma-based space electric propulsion. Physics of Plasmas. 2020. Vol. 27. P. 020601. DOI: 10.1063/1.5109141.Levchenko I., Xu S., Mazouffre S. [et al.]. Perspectives, frontiers, and new horizons for plasma-based space electric propulsion. Physics of Plasmas. 2020. Vol. 27. P. 020601. DOI: 10.1063/1.5109141.Колганов И. В. Обзор электрических ракетных двигателей для двигательных установок малых космических аппаратов // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2025. Т. 9, № 2. С. 94–103. DOI: 10.25206/2588-0373-2025-9-2-94-103. EDN: URYXIV.Kolganov I. V. Obzor elektricheskikh raketnykh dvigateley dlya dvigatel’nykh ustanovok malykh kosmicheskikh apparatov [Review of electric rocket engines for small spacecraft propulsion systems]. Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2025. Vol. 9, no. 2. P. 94–103. DOI: 10.25206/2588-0373-2025-9-2-94-103. EDN: URYXIV. (In Russ.).Gorshkov O. A., Shagayda A. A. Determining the efficiency of a plasma thruster with closed electron drift. Technical Physics Letters. 2008. Vol. 34. P. 153–155. DOI: 10.1134/S106378500802020X.Gorshkov O. A., Shagayda A. A. Determining the efficiency of a plasma thruster with closed electron drift. Technical Physics Letters. 2008. Vol. 34. P. 153–155. DOI: 10.1134/S106378500802020X.King L. B. Transport-property and mass spectral measurements in the plasma exhaust plume of a Hall-effect space propulsion system: Ph. D. Dissertation. University of Michigan, 1998. 262 p.King L. B. Transport-property and mass spectral measurements in the plasma exhaust plume of a Hall-effect space propulsion system: Ph. D. Dissertation. University of Michigan, 1998. 262 p.Hofer R. R., Gallimore A. D. Ion species fractions in the farfield plume of a high-specific impulse Hall thruster. 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. 2003. DOI: 10.2514/6.2003-5001.Hofer R. R., Gallimore A. D. Ion species fractions in the farfield plume of a high-specific impulse Hall thruster. 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. 2003. DOI: 10.2514/6.2003-5001.Кожевников В. В., Смирнов А. А., Смирнов П. Е., Черный И. А. Автоматизированная система диагностики параметров выходного пучка радиочастотного ионного двигателя // Труды МАИ. 2014. № 75. С. 11. EDN: SHCHMN.Kozhevnikov V. V., Smirnov A. A., Smirnov P. E., Chernyy I. A. Avtomatizirovannaya sistema diagnostiki parametrov vykhodnogo puchka radiochastotnogo ionnogo dvigatelya [Automated diagnostic system for parameters of the output beam of a radio frequency ion engine]. Trudy MAI. 2014. No. 75. P. 11. EDN: SHCHMN. (In Russ.).Shastry R., Hofer R. R., Reid B. M., Gallimore A. D. Method for analyzing probe spectra from Hall thruster plumes. The Review of Scientific Instruments. 2009. Vol. 80. P. 063502. DOI: 10.1063/1.3152218.Shastry R., Hofer R. R., Reid B. M., Gallimore A. D. Method for analyzing probe spectra from Hall thruster plumes. The Review of Scientific Instruments. 2009. Vol. 80. P. 063502. DOI: 10.1063/1.3152218.Моделирование потоков заряженных частиц в ионнооптических системах ионных двигателей (IOS-3D): программа для ЭВМ / Шагайда А. А. Москва: ФИПС, 2014. № 2014612703.Modelirovaniye potokov zaryazhennykh chastits v ionnoopticheskikh sistemakh ionnykh dvigateley (IOS-3D): programma dlya EVM [Simulation of charged particle fluxes in ion-optical systems of ion engines (IOS-3D): computer program] / Shagayda A. A. Moscow, 2014. No. 2014612703. (In Russ.).Shagayda A. A., Madeev S. Performance limits of ion extraction systems with non-circular apertures. The Review of Scientific Instruments. 2016. Vol. 87. P. 043301. DOI: 10.1063/1.4945565.Shagayda A. A., Nikitin V., Tomilin D. A. Three-dimensional analysis of ion optics with misalignments of apertures. Vacuum. 2016. Vol. 123. P. 140–150. DOI: 10.1016/j.vacuum.2015.10.030.Maystrenko D. A., Shagayda A. A., Kravchenko D. A., Tomilin D. A. [et al.]. High dynamic range retarding potential analyzer operation verification. Plasma Physics Reports. 2024. Vol. 50. P 1142–1157. DOI: 10.1134/S1063780X24601135.Shagayda A. A., Madeev S. Performance limits of ion extraction systems with non-circular apertures. The Review of Scientific Instruments. 2016. Vol. 87. P. 043301. DOI: 10.1063/1.4945565.Abroyan I. A., Eremeev M. A., Petrov N. N. Excitation of electrons in solids by relatively slow atomic particles. Soviet Physics Uspekhi. 1967. Vol. 10. P. 332–367. DOI: 10.3367/UFNr.0092.196705e.0105.Maystrenko D. A., Shagayda A. A., Kravchenko D. A., Tomilin D. A. [et al.]. High dynamic range retarding potential analyzer operation verification. Plasma Physics Reports. 2024. Vol. 50. P 1142–1157. DOI: 10.1134/S1063780X24601135.Yassir A. Experimental and theoretical characterization of a Hall thruster plume: Ph. D. Dissertation. Massachusetts Institute of Technology, 2007. 231 p.Abroyan I. A., Eremeev M. A., Petrov N. N. Excitation of electrons in solids by relatively slow atomic particles. Soviet Physics Uspekhi. 1967. Vol. 10. P. 332–367. DOI: 10.3367/UFNr.0092.196705e.0105.Goebel D. M., Katz I. Fundamentals of electric propulsion: Ion and Hall Thrusters. JPL Space Science and Technology Series. 2008. Vol. 493. DOI: 10.1002/9780470436448.Yassir A. Experimental and theoretical characterization of a Hall thruster plume: Ph. D. Dissertation. Massachusetts Institute of Technology, 2007. 231 p.Sang-Wook K. Experimental investigations of plasma parameters and species-dependent ion energy distribution in the plasma exhaust plume of a hall thruster: Ph. D. Dissertation. University of Michigan, 1999. 241 p.Goebel D. M., Katz I. Fundamentals of electric propulsion: Ion and Hall Thrusters. JPL Space Science and Technology Series. 2008. Vol. 493. DOI: 10.1002/9780470436448.Sang-Wook K. Experimental investigations of plasma parameters and species-dependent ion energy distribution in the plasma exhaust plume of a hall thruster: Ph. D. Dissertation. University of Michigan, 1999. 241 p.Sang-Wook K. Experimental investigations of plasma parameters and species-dependent ion energy distribution in the plasma exhaust plume of a hall thruster: Ph. D. Dissertation. University of Michigan, 1999. 241 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.