ПОРІВНЯННЯ ХАРАКТЕРИСТИК «КЛАСИЧНОГО» ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА І МАГНІТНО-ЕКРАНОВАНОГО
DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.02.050 The goal of this paper is to analyze and compare the performance characteristics of two Hall thruster (HT) types of (HT): a traditional and a magnetically shielded (MS) one. The study is aimed at determining their efficiency, durability, and possibilities...
Gespeichert in:
| Datum: | 2025 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
текст 3
2025
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/111 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Technical Mechanics |
Institution
Technical Mechanics| id |
oai:ojs2.journal-itm.dp.ua:article-111 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Technical Mechanics |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-11-04T12:22:19Z |
| collection |
OJS |
| language |
Ukrainian |
| topic |
експериментальні результати конфігурація магнітного поля магнітна система магнітне екранування холловський двигун. |
| spellingShingle |
експериментальні результати конфігурація магнітного поля магнітна система магнітне екранування холловський двигун. VORONOVSKYI, D. K. KULAHIN, S. M. YURKOV, B. V. ASMOLOVSKYI, S. Yu. ПОРІВНЯННЯ ХАРАКТЕРИСТИК «КЛАСИЧНОГО» ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА І МАГНІТНО-ЕКРАНОВАНОГО |
| topic_facet |
experimental results Hall thruster magnetic field configuration magnetic shielding magnetic system. експериментальні результати конфігурація магнітного поля магнітна система магнітне екранування холловський двигун. |
| format |
Article |
| author |
VORONOVSKYI, D. K. KULAHIN, S. M. YURKOV, B. V. ASMOLOVSKYI, S. Yu. |
| author_facet |
VORONOVSKYI, D. K. KULAHIN, S. M. YURKOV, B. V. ASMOLOVSKYI, S. Yu. |
| author_sort |
VORONOVSKYI, D. K. |
| title |
ПОРІВНЯННЯ ХАРАКТЕРИСТИК «КЛАСИЧНОГО» ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА І МАГНІТНО-ЕКРАНОВАНОГО |
| title_short |
ПОРІВНЯННЯ ХАРАКТЕРИСТИК «КЛАСИЧНОГО» ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА І МАГНІТНО-ЕКРАНОВАНОГО |
| title_full |
ПОРІВНЯННЯ ХАРАКТЕРИСТИК «КЛАСИЧНОГО» ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА І МАГНІТНО-ЕКРАНОВАНОГО |
| title_fullStr |
ПОРІВНЯННЯ ХАРАКТЕРИСТИК «КЛАСИЧНОГО» ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА І МАГНІТНО-ЕКРАНОВАНОГО |
| title_full_unstemmed |
ПОРІВНЯННЯ ХАРАКТЕРИСТИК «КЛАСИЧНОГО» ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА І МАГНІТНО-ЕКРАНОВАНОГО |
| title_sort |
порівняння характеристик «класичного» холловського двигуна і магнітно-екранованого |
| title_alt |
PERFORMANCE COMPARISON OF A TRADITIONAL AND A MAGNETICALLY SHIELDED HALL THRUSTER |
| description |
DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.02.050
The goal of this paper is to analyze and compare the performance characteristics of two Hall thruster (HT) types of (HT): a traditional and a magnetically shielded (MS) one. The study is aimed at determining their efficiency, durability, and possibilities for use in space missions. Particular attention is paid to the effect of magnetic shielding on the HT durability, the propellant utilization efficiency, and the energy parameters.
The study was conducted using theoretical calculations, experimental data, and a numerical simulation of the HT operation. For the analysis, methods of mathematical simulation of plasma processes and bench tests were used. Particular attention was paid to the study of ionization processes, charged particle dynamics, and the HT magnetic field distribution.
The study made it possible to identify the key differences between the traditional and MS thrusters, in particular:
The MS thruster demonstrates a significantly lower level of wall erosion, which increases its lifetime.
The “traditional” thruster has a higher efficiency, but a shorter lifetime than the ME thruster.
Magnetic shielding affects the plasma distribution, which changes ion flow dynamics and may affect the plume shape.
The overall MS thruster efficiency can be improved by optimizing the magnetic field parameters and channel geometry.
The paper presents a detailed analysis of the effect of magnetic shielding on the HT performance. It is shown that magnetic shielding allows one to reduce channel erosion without any significant decrease in the specific impulse, which is an important factor for extending the thruster lifetime. An improved methodology is proposed for evaluating the efficiency of MS HT plasma processes with account for the spatial configuration of the magnetic field and particle dynamics. The obtained results can contribute to further optimization of the HT design.
The results of this work may be used in improving existing HT designs, optimizing HT parameters, and developing new models with improved performance. Magnetic shielding may be a key engineering solution for extending the thruster lifetime, which is especially important for long-term space missions.
REFERENCES
1. Dankanich J. Low-thrust mission design and application. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2010, Nashville, TN. Reston, Virigina. Paper 2010-6857.https://doi.org/10.2514/6.2010-6857
2. De Grys K. H., Mathers A., Welander B., Khayms V. Demonstration of 10,400 hours of operation on 4.5 kW qualification model Hall thruster. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2010, Nashville, TN. Reston, Virigina. Paper 2010-6698.https://doi.org/10.2514/6.2010-6698
3. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R., Goebel D. M., De Grys K. H., Mathers A. Magnetic shielding of the acceleration channel in a long-life Hall thruster. Physics of Plasmas. 2011.V.18. 033501.https://doi.org/10.1063/1.3551583
4. Hofer R. R., Goebel D. M., Mikellides I. G., Katz I. Design of a laboratory Hall thruster with magnetically shielded channel walls, Phase II: Experiments. 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2012, Atlanta, Georgia. Reston, Virigina. AIAA-2012-3788.https://doi.org/10.2514/6.2012-3788
5. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R. Design of a laboratory Hall thruster with magnetically shielded channel walls, Phase I: Numerical simulations. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2011, Atlanta, Georgia. Reston, Virigina. Paper 2011-5809.https://doi.org/10.2514/6.2011-5809
6. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R., Goebel D. M. Design of a laboratory Hall thruster with magnetically shielded channel walls, Phase III: Comparison of theory with experiment. 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2012, Atlanta, Georgia. Reston, Virigina. AIAA -2012-3789.https://doi.org/10.2514/6.2012-3789
7. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R., Goebel D. M. Magnetic shielding of walls from the unmagnetized ion beam in a Hall thruster. Applied Physics Letters. 2013. V.102. No. 2. 023509.https://doi.org/10.1063/1.4776192
8. Cosimo D., Misuri T., Gregucci S., Pedrini D., Dannenmayer K. Magnetically shielded HT100 experimental campaign. IEPC, October 2017, Atlanta, Georgia. 2017. Paper 2017-372.
9. Hofer R. R., Cusson S. E., Lobbia R. B., Gallimore R. D. The H9 magnetically shielded Hall thruster. IEPC, October 2017, Atlanta, Georgia. 2017. Paper 2017-332.
10. Hofer R. R., Polk J., Mikellides I., Ortega A. L., Conversano R., Chaplin V., Lobbia R. B., Goebel D., Kamhawi H., Verhey T., Williams G., Mackey J., Huang W., Yim J., Herman D., Peterson P. Development status of the 12.5 kW Hall effect rocket with magnetic shielding (HERMeS). 35th IEPC, October 2017, Atlanta, Georgia. 2017. Paper 2017-232.https://doi.org/10.2514/6.2016-4825 |
| publisher |
текст 3 |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/111 |
| work_keys_str_mv |
AT voronovskyidk performancecomparisonofatraditionalandamagneticallyshieldedhallthruster AT kulahinsm performancecomparisonofatraditionalandamagneticallyshieldedhallthruster AT yurkovbv performancecomparisonofatraditionalandamagneticallyshieldedhallthruster AT asmolovskyisyu performancecomparisonofatraditionalandamagneticallyshieldedhallthruster AT voronovskyidk porívnânnâharakteristikklasičnogohollovsʹkogodvigunaímagnítnoekranovanogo AT kulahinsm porívnânnâharakteristikklasičnogohollovsʹkogodvigunaímagnítnoekranovanogo AT yurkovbv porívnânnâharakteristikklasičnogohollovsʹkogodvigunaímagnítnoekranovanogo AT asmolovskyisyu porívnânnâharakteristikklasičnogohollovsʹkogodvigunaímagnítnoekranovanogo |
| first_indexed |
2025-09-24T17:27:27Z |
| last_indexed |
2025-11-05T02:41:39Z |
| _version_ |
1850410586320404480 |
| spelling |
oai:ojs2.journal-itm.dp.ua:article-1112025-11-04T12:22:19Z PERFORMANCE COMPARISON OF A TRADITIONAL AND A MAGNETICALLY SHIELDED HALL THRUSTER ПОРІВНЯННЯ ХАРАКТЕРИСТИК «КЛАСИЧНОГО» ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА І МАГНІТНО-ЕКРАНОВАНОГО VORONOVSKYI, D. K. KULAHIN, S. M. YURKOV, B. V. ASMOLOVSKYI, S. Yu. experimental results, Hall thruster, magnetic field configuration, magnetic shielding, magnetic system. експериментальні результати, конфігурація магнітного поля, магнітна система, магнітне екранування, холловський двигун. DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.02.050 The goal of this paper is to analyze and compare the performance characteristics of two Hall thruster (HT) types of (HT): a traditional and a magnetically shielded (MS) one. The study is aimed at determining their efficiency, durability, and possibilities for use in space missions. Particular attention is paid to the effect of magnetic shielding on the HT durability, the propellant utilization efficiency, and the energy parameters. The study was conducted using theoretical calculations, experimental data, and a numerical simulation of the HT operation. For the analysis, methods of mathematical simulation of plasma processes and bench tests were used. Particular attention was paid to the study of ionization processes, charged particle dynamics, and the HT magnetic field distribution. The study made it possible to identify the key differences between the traditional and MS thrusters, in particular: The MS thruster demonstrates a significantly lower level of wall erosion, which increases its lifetime. The “traditional” thruster has a higher efficiency, but a shorter lifetime than the ME thruster. Magnetic shielding affects the plasma distribution, which changes ion flow dynamics and may affect the plume shape. The overall MS thruster efficiency can be improved by optimizing the magnetic field parameters and channel geometry. The paper presents a detailed analysis of the effect of magnetic shielding on the HT performance. It is shown that magnetic shielding allows one to reduce channel erosion without any significant decrease in the specific impulse, which is an important factor for extending the thruster lifetime. An improved methodology is proposed for evaluating the efficiency of MS HT plasma processes with account for the spatial configuration of the magnetic field and particle dynamics. The obtained results can contribute to further optimization of the HT design. The results of this work may be used in improving existing HT designs, optimizing HT parameters, and developing new models with improved performance. Magnetic shielding may be a key engineering solution for extending the thruster lifetime, which is especially important for long-term space missions. REFERENCES 1. Dankanich J. Low-thrust mission design and application. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2010, Nashville, TN. Reston, Virigina. Paper 2010-6857.https://doi.org/10.2514/6.2010-6857 2. De Grys K. H., Mathers A., Welander B., Khayms V. Demonstration of 10,400 hours of operation on 4.5 kW qualification model Hall thruster. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2010, Nashville, TN. Reston, Virigina. Paper 2010-6698.https://doi.org/10.2514/6.2010-6698 3. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R., Goebel D. M., De Grys K. H., Mathers A. Magnetic shielding of the acceleration channel in a long-life Hall thruster. Physics of Plasmas. 2011.V.18. 033501.https://doi.org/10.1063/1.3551583 4. Hofer R. R., Goebel D. M., Mikellides I. G., Katz I. Design of a laboratory Hall thruster with magnetically shielded channel walls, Phase II: Experiments. 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2012, Atlanta, Georgia. Reston, Virigina. AIAA-2012-3788.https://doi.org/10.2514/6.2012-3788 5. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R. Design of a laboratory Hall thruster with magnetically shielded channel walls, Phase I: Numerical simulations. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2011, Atlanta, Georgia. Reston, Virigina. Paper 2011-5809.https://doi.org/10.2514/6.2011-5809 6. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R., Goebel D. M. Design of a laboratory Hall thruster with magnetically shielded channel walls, Phase III: Comparison of theory with experiment. 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2012, Atlanta, Georgia. Reston, Virigina. AIAA -2012-3789.https://doi.org/10.2514/6.2012-3789 7. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R., Goebel D. M. Magnetic shielding of walls from the unmagnetized ion beam in a Hall thruster. Applied Physics Letters. 2013. V.102. No. 2. 023509.https://doi.org/10.1063/1.4776192 8. Cosimo D., Misuri T., Gregucci S., Pedrini D., Dannenmayer K. Magnetically shielded HT100 experimental campaign. IEPC, October 2017, Atlanta, Georgia. 2017. Paper 2017-372. 9. Hofer R. R., Cusson S. E., Lobbia R. B., Gallimore R. D. The H9 magnetically shielded Hall thruster. IEPC, October 2017, Atlanta, Georgia. 2017. Paper 2017-332. 10. Hofer R. R., Polk J., Mikellides I., Ortega A. L., Conversano R., Chaplin V., Lobbia R. B., Goebel D., Kamhawi H., Verhey T., Williams G., Mackey J., Huang W., Yim J., Herman D., Peterson P. Development status of the 12.5 kW Hall effect rocket with magnetic shielding (HERMeS). 35th IEPC, October 2017, Atlanta, Georgia. 2017. Paper 2017-232.https://doi.org/10.2514/6.2016-4825 DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.02.050 Метою цієї роботи є аналіз та порівняння експлуатаційних характеристик двох типів холловських двигунів (ХД): «класичного» і магнітно-екранованого. Дослідження спрямоване для визначення їх ефективності, зносостійкості та можливостей для застосування в космічних місіях. Особливу увагу приділено впливу магнітного екранування (МЕ) на довговічність ХД, ефективність використання робочого тіла та енергетичні параметри. Дослідження проводилось на основі теоретичних розрахунків, експериментальних даних та числового моделювання роботи ХД. Для аналізу застосовувалися методи математичного моделювання плазмових процесів, а також експериментальні тести на стенді. Особливу увагу приділено вивченню процесів іонізації, динаміки заряджених частинок та розподілу магнітного поля у двигунах. Проведене дослідження дозволило визначити ключові відмінності між «класичним» та магнітно-екранований ХД. Зокрема: магнітно-екранований двигун демонструє суттєво нижчий рівень ерозії стінок, що підвищує його ресурс роботи; «класичний» двигун має вищу ефективність, проте поступається магнітно-екранованому за довговічністю; МЕ впливає на розподіл плазми, що змінює динаміку витоку іонів і може впливати на форму струменя; загальна ефективність магнітно-екранованого двигуна може бути покращена за рахунок оптимізації параметрів магнітного поля та геометрії каналу. У роботі проведено детальний аналіз впливу МЕ на характеристики ХД. Встановлено, що МЕ дозволяє знизити ерозію каналів без суттєвого зменшення питомого імпульсу, що є важливим фактором для збільшення ресурсу двигуна. Запропоновано вдосконалену методику оцінки ефективності плазмових процесів у магнітно-екранованому ХД, яка враховує просторову конфігурацію магнітного поля та динаміку частинок. Отримані результати можуть сприяти подальшій оптимізації конструкції електрореактивних двигунів. Результати роботи можуть бути використані для вдосконалення існуючих конструкцій ХД, оптимізації їх параметрів та розробки нових моделей із покращеними характеристиками. МЕ може стати ключовим технологічним рішенням для збільшення терміну дії двигунів, що особливо важливо для довготривалих космічних місій. ПОСИЛАННЯ 1. Dankanich J. Low-Thrust Mission Design and Application. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2010, Nashville, TN. Reston, Virigina. Paper 2010-6857. https://doi.org/10.2514/6.2010-6857 2. De Grys K. H., Mathers A., Welander B., Khayms V. Demonstration of 10,400 Hours of Operation on 4.5 kW Qualification Model Hall Thruster. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2010, Nashville, TN. Reston, Virigina. Paper 2010-6698. https://doi.org/10.2514/6.2010-6698 3. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R., Goebel D. M., De Grys K. H., Mathers A. Magnetic Shielding of the Acceleration Channel in a Long -Life Hall Thruster. Physics of Plasmas. 2011. V. 18. 033501. https://doi.org/10.1063/1.3551583 4. Hofer R. R., Goebel D. M., Mikellides I. G., Katz I. Design of a Laboratory Hall Thruster with Magnetically Shielded Channel Walls, Phase II: Experiments. 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2012, Atlanta, Georgia. Reston, Virigina. AIAA-2012-3788. https://doi.org/10.2514/6.2012-3788 5. Mikellides, I. G., Katz, I., Hofer, R. R. Design of a Laboratory Hall Thruster with Magnetically ShieldedChannel Walls, Phase I: Numerical Simulations. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2011, Atlanta, Georgia. Reston, Virigina. Paper 2011-5809. https://doi.org/10.2514/6.2011-5809 6. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R., Goebel D. M. Design of a Laboratory Hall Thruster with Magnetically Shielded Channel Walls, Phase III: Comparison of Theory with Experiment. 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2012, Atlanta, Georgia. Reston, Virigina. AIAA -2012-3789. https://doi.org/10.2514/6.2012-3789 7. Mikellides I. G., Katz I., Hofer R. R., Goebel D. M. Magnetic Shielding of Walls from the Unmagnetized Ion Beam in a Hall Thruster. Applied Physics Letters. 2013. V.102, 2. 023509. https://doi.org/10.1063/1.4776192 8. Cosimo D., Misuri T., Gregucci S., Pedrini D., Dannenmayer K. Magnetically Shielded HT100 Experimental Campaign. IEPC. October, 2017, м. Atlanta, Georgia. 2017. Paper 2017-372. 9. Hofer R. R., Cusson S. E., Lobbia R. B., Gallimore R. D. The H9 Magnetically Shielded Hall Thruster. IEPC, October, 2017, м. Atlanta, Georgia. 2017. Paper 2017-332. 10. Hofer R. R., Polk J., Mikellides I., Ortega A. L., Conversano R., Chaplin V., Lobbia R. B., Goebel D., Kamhawi H., Verhey T., Williams G., Mackey J., Huang W., Yim J., Herman D., Peterson P. Development status of the 12.5 kW hall effect rocket with magnetic shielding (HERMeS). 35th IEPC, October, 2017, м. Atlanta, Georgia. 2017. Paper 2017-232. https://doi.org/10.2514/6.2016-4825 текст 3 2025-06-24 Article Article application/pdf https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/111 Technical Mechanics; No. 2 (2025): Technical Mechanics; 50-62 Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины; № 2 (2025): Technical Mechanics; 50-62 ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА; № 2 (2025): ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА; 50-62 uk https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/111/42 Copyright (c) 2025 Technical Mechanics |