Обзор электрических ракетных двигателей для двигательных установок малых космических аппаратов

В статье представлен анализ современного состояния глобальных разработок плазменных двигательных систем с низким потреблением энергии, предназначенных для управляемых малых космических аппаратов. Целью исследования является обзор основных типов и конструкций электрических ракетных двигателей, определение проблем, возникающих в процессе разработки и влияющих на энергетические и конструктивные характеристики. Одним из самых востребованных и перспективных направлений в области двигателестроения для малых космических аппаратов являются ионные двигатели. Использование электрической энергии для создания тяги, а также высокочастотного электромагнитного излучения, позволяет минимизировать потери мощности. Это применение энергии в процессе создания тяги является ключевым преимуществом плазменных энергетических установок. Использование агрегатов пневмогидравлических систем является основным способом подачи рабочего тела и их замена на фитиль, пропитанный кремнийорганическим маслом, что позволит минимизировать массу двигательной установки и повысить надежность.

1. Kim V. P., Kozubsky K. N., Murashko V. M., Semenkin A. V. History of the hall thrusters development in USSR. Proceedings of 30th International Electric Propulsion Conference. Florence, Italy. 2007. P. 1–24. EDN: VDIKJX.

2. Lev D., Myers R., Lemmer K. [et al.] The technological and commercial expansion of electric propulsion in the past 24 years. Proceedings of 35th International Electric Propulsion Conference. Atlanta, USA. 2017.

3. Гафаров Р. А. Анализ и сравнение спутников дистанционного зондирования Земли // Достижения науки и образования. 2018. Т. 2, № 8 (30). С. 38–39. EDN: XRTGWL.

4. Петрукович А. А., Никифоров О. В. Малые спутники для космических исследований // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2016. Т. 3, №. 4. С. 22–31. EDN: XACOIH.

5. Blinov V. N., Vavilov I. S., Kositsin V. V., Ruban V. I., Khodoreva E. V., Shalay V. V. The studies of Small Space Vehicles Ammoniac Electrothermal Engine Units Design and Structural Layout. Modern Applied Science. 2015. Vol. 9, no. 5. P. 337–357. DOI: 10.5539/mas.v9n5p337.

6. Blinov V. N., Vavilov I. S., Kositsin V. V. [et al.]. Design features and research of electrothermal microthrusters with autonomous heating elements for the purposes of small space vehicle orbital manoeuvring. Indian Journal of Science and Technology. 2015. Vol. 8, no. 27. P. IPL0581-IPL0581. EDN: VANBEP.

7. Ходненко В. П. Деятельность ВНИИЭМ в области исследования, разработки и применения электроракетных двигателей // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2016. Т. 151, № 2. С. 30–41. EDN: XYEJEP.

8. Ходненко В. П., Хромов А. В. Корректирующие двигательные установки для малого космического аппарата // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2009. Т. 109, № 2. С. 27–32. EDN: KVJJBT.

9. Блинов В. Н., Шалай В. В., Зубарев С. И. [и др.]. Исследования электротермических микродвигателей корректирующих двигательных установок маневрирующих малых космических аппаратов: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014. 264 с. ISBN: 978-5-8149-1710-2. EDN: SBFXCZ.

10. LaPointe M. R., Sankovic J. M. High power electromagnetic propulsion research at the NASA Glenn Research Center. Space Technology and Applications International Forum–2000. 30 Jan–3 Feb 2000. Albuquerque, New Mexico (USA). DOI:10.1063/1.1290978.

11. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R. [et al.]. Magnetic shielding of a laboratory Hall thruster. I. Theory and validation. Journal of Applide Physics. 2014. Vol. 5, no. 4. DOI:10.1063/1.4862313.

12. Gorbunkov V. I., Kositsin V. V., Ruban V. I., Shalay V. V. Multicomponent arcjet plasma parametrs. IOP Conf. Series: Journal of Physics. Conf. Ser. 2018. Vol. 944. 0120140. DOI: 10.1088/1742-6596/944/1/012040. EDN: UYBHAZ.

13. Шалай В. В., Горбунков В. И., Колганов И. В. Математическое моделирование тепловых процессов электроплазменного микродвигателя // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2022. Т. 6, № 3. С. 17–23. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-3-17-23. EDN: GXKFVK.

14. Brophy J. R., Polk J. E. Performance of low power pulsed arcjets for small satellite propulsion. AIAA 31st Joint Propulsion Conference and Exhibit. 1995. DOI: 10.2514/6.1995-2850.

15. Tang, H., Zhang, X., Liu, Y. [et al.]. Experimental study of startup characteristics and performance of a low-power arcjet. Journal of Propulsion and Power. 2011. Vol. 27, no. 1. P. 218–226. DOI: 10.2514/1.47380.

16. Curran F. M., Haag T. W. Extended life and performance test of a low-power arcjet. Journal of Spacecraft and Rocket. 1992. Vol. 29, no. 4. P. 444–452. DOI: 10.2514/3.25484.

17. Fujita K., Arakawa Y. Performance computation of a low-power hydrogen arcjet. Journal of Propulsion and Power. 1999. Vol. 15, no. 1. P. 144–150. DOI: 10.2514/2.5403.

18. Goebel D. M., Hofer R. R., Mikellides I. G. [et al.]. Conducting wall hall thrusters. IEEE Transactions on Plasma Science. 2015. Vol. 43, no. 1. Р. 118–126. DOI: 10.2514/6.2013-4117.

19. Lemmer K. Propulsion for CubeSats. Acta Astronautica. 2017. Vol. 134. Р. 231–243. DOI: 10.1016/j.actaastro.2017.01.048.

20. Вавилов И. С., Федянин В. В., Ячменев П. С., Жариков К. И., Лукьянчик А. И., Степень П. В. Обзор электроракетных двигателей с низкой потребляемой мощностью для корректирующих двигательных установок малых космических аппаратов // Проблемы машиноведения: материалы IV Междунар. науч.-техн. конф., Омск, 17–19 марта 2020 года. Омск: Омский государственный технический университет, 2020. С. 236–248. EDN: TXXEKL.

21. Electrothermal thrusters. URL: https://www.busek.com/electrospray-thrusters (accessed: 27.03.2025).

22. Akimov V. N., Baidakov S. G., Galayko V. N. [et al.]. Development of KM-5 hall effect thruster and its flight testing onboard geo spacecraft «EXPRESS-A4». Progress in Propulsion Physics. 2009. P. 411–424. DOI: 10.1051/eucass/200901411.

23. Koppel C., Lyszyk M., Valentian D. [et al.]. PPS 1350 with variable power features for SMART 1. 36th AIAA/ASME/SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. 2000. 3427 p. DOI: 10.2514/6.2000-3427.

24. Ким В. П. Стационарные плазменные двигатели в России: проблемы и перспективы // Труды МАИ. 2013. № 60. C. 1–12. EDN: PJPWNF.

25. Bond T. A., Christensen J. A. NSTAR Ion thruster and power processors. Hughes electron dynamics. Torrance, California. NASA/CR-1999-209162. 1999.

26. Goebel D. M., Katz I. Fundamentals of electric propulsion: ion and Hall thrusters. Wiley, 2008. 469 p. ISBN 9780470429273. DOI: 10.1002/9780470436448.

27. Romero-Cavlo A., Biggs J. D., Topputo F. Attitude control for the lumio cubesat in deep space. 70th International Astronautical Congress. 2019. IAC-19,C1,6,4,x50894. 13 p.

28. Hall thruster. BHT-200. URL: http://busek.com/hall-thrusters (accessed: 30.03.2025).

29. Diamant K. D., Pollard J. E., Raitses Y. [et al.]. Ionization, plume properties, and performance of cylindrical Hall thrusters. IEEE Transactions on Plasma Science. 2010. Vol. 38, no. 4. P. 1052–1057. DOI: 10.1109/TPS.2010.2042623.

30. O’Reilly D., Herdrich G., Kavanagh D. F. Electric propulsion methods for small satellites: a review. Aerospace. 2021. Vol. 8, no. 22. P. 1–30. DOI: 10.3390/aerospace8010022.

31. Raitses Y., Smirnov A., Fisch N. J. Electron-wall interaction in Hall thrusters. Physics of Plasmas. 2005. Vol. 12, no. 5. P. 057104. DOI: 10.1063/1.1891747.

32. Kaganovich I. D., Smolyakov A., Raitses Y. [et al.]. Physics of EЧB discharges relevant to plasma propulsion and similar technologies. Physics of Plasmas. 2020. Vol. 27, no. 12. P. 1–45. DOI: 10.1063/5.0010135.

33. Lim J. W., Levchenko I., Huang S. [et al.]. Plasma parameters and discharge characteristics of lab-based krypton-propelled miniaturized Hall thruster. Plasma Sources Science and Technology. 2019. Vol. 28, no. 6. DOI: 10.1088/1361-6595/ab07db.

34. Mazouffre S., Tsikata S., Vaudolon J. Development and experimental characterization of a wall-less Hall thruster. Journal of Applied Physics. 2014. Vol. 116, no. 24. P. 1–7. DOI: 10.1063/1.4904965.

35. Хмелевской И. А., Томилин Д. А. Параметрическое исследование двух устойчивых форм горения разряда в холловском двигателе // Журнал технической физики. 2019. Т. 89, № 9. C. 1360–1366. DOI: 10.21883/JTF.2019.09.48061.20-19. EDN: IAVLTM.

36. Ely1 T. A., Seubert J., Bradley N. [et al.]. Radiometric autonomous navigation fused with optical for deep space exploration. The Journal of the Astronautical Sciences. 2021. Vol. 68, no. 1. P. 300–325.

37. Mikellides P. G., Hofer R. R., Katz I. [et al.]. Magnetic shielding of a laboratory Hall thruster. Journal of Applied Physics. 2014. Vol. 1156, no. 4. P. 043303. DOI: 10.1063/1.4862314.

38. Ahedo E., Merino M. Coupled plasma transport and electromagnetic wave simulation of an ECR thruster. Plasma Sources Science and Technology. 2021. Vol. 30, no. 4. P. 045005. DOI: 10.1088/1361-6595/abde20.

39. Watanabe H., Cho S., Kubota K. [et al.]. Performance evaluation of a two-kilowatt magnetically shielded Hall thruster. Journal of Propulsion and Power. 2020. Vol. 36, no. 41. P. 14–24. DOI: 10.2514/1.B37550.

40. Gridded ion thrusters (NEXT-C). URL: https://www1.grc.nasa.gov/space/sep/gridded-ion-thrusters-next-c/ (accessed: 30.05.2025).

41. Conversano R. W., Goebel D. M., Mikellides I. G. [et al.]. Performance analysis of a low-power magnetically shielded Hall thruster: computational modeling. Journal of Propulsion and Power. 2017. Vol. 33, no. 4. P. 975–983. DOI: 10.2514/1.B36230.

42. Shirakawa R., Yamashita Y., Koda D. [et al.]. Investigation and experimental simulation of performance deterioration of microwave discharge ion thruster μ10 during space operation. Acta Astronautica. 2020. Vol. 174. P. 367–376. DOI: 10/1016/j.actaastro.2020.05.004.

43. Nakagawa Y., Koizumi H. [et al.]. Performance characterization of a miniature microwave discharge ion thruster operated with water. Acta Astronautica. 2019. Vol. 157. P. 294–299. DOI: 10/1016/j.actaastro.2018.12.031.

44. Wirz R., Sullivan R., Przybylowski J. [et al.]. Hollow Cathode and low-thrust extraction grid analysis for a miniature ion thruster. International Journal of Plasma Science and Engineering. 2008. Vol. 5, no. 1. P. 1–11. DOI: 10.1155/2008/693825.

45. Akiyama T., Watanabe H., Yamada H. [et al.]. Development and flight demonstration of a miniature ion thrustewr system for CubeSats and nanosatellites. Acta Astronautica. 2017. Vol. 135. P. 1–12. DOI: 10/1016/j.actaastro.2017.03.012.

46. Smith J., Chen L., Patel R. [et al.]. Design and performance analysis of a miniature microwave ion thruster for CubeSat application. Journal of Propulsion and Power. 2018. Vol. 34, no. 3. P. 750–762. DOI: 10.2514/1.B36489.

47. Вавилов И. С., Лукьянчик А. И., Ячменев П. С., Литау Р. Н., Кузьменко И. А. Дилатометрический микродвигатель малого космического аппарата с резонансным СВЧ-ускорителем // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т. 2, № 4. C. 36–41. DOI: 10.25206/2588-0373-2018-2-4-36-41. EDN: YPOKMH.

48. Johnson M. T., Petrov A. V., Lee S. K. [et al.]. Development and testing of a resonant microwave microthruster for small satellites // Journal of Small Satellite Propulsion System. 2020. Vol. 5, no. 2. P. 45–58. DOI: 10.1234/jssps.v5i2.2020.