Оптимизация E×B методики для исследования зарядового состава ионов в струе плазмы холловских двигателей

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Моделирование потоков заряженных частиц в ионнооптических системах ионных двигателей (IOS-3D): программа для ЭВМ / Шагайда А. А. Москва: ФИПС, 2014. № 2014612703.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Yassir A. Experimental and theoretical characterization of a Hall thruster plume: Ph. D. Dissertation. Massachusetts Institute of Technology, 2007. 231 p.

14. 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.

15. 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.