ПАРАМЕТРИ ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА ST-40M ПРИ РОБОТІ НА КСЕНОНІ І КРИПТОНІ
DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.04.043 This article presents the results of an experimental study of the parameters of the ST-40M Hall-effect thruster developed by SETS (Space Electric Propulsion Systems) in its operation on xenon and krypton. Electric propulsion systems based on Hall-effect t...
Збережено в:
| Дата: | 2025 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
текст 3
2025
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/153 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technical Mechanics |
Репозитарії
Technical Mechanics| _version_ | 1856543612759703552 |
|---|---|
| author | ASMOLOVSKYI, S. YU. VORONOVSKYI, D. K. KULAHIN, S. M. MASLOV, V. V. PERERVA, V. O. TROIAN, A. O. YURKOV, B. V. |
| author_facet | ASMOLOVSKYI, S. YU. VORONOVSKYI, D. K. KULAHIN, S. M. MASLOV, V. V. PERERVA, V. O. TROIAN, A. O. YURKOV, B. V. |
| author_sort | ASMOLOVSKYI, S. YU. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-12-23T21:59:04Z |
| description | DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.04.043
This article presents the results of an experimental study of the parameters of the ST-40M Hall-effect thruster developed by SETS (Space Electric Propulsion Systems) in its operation on xenon and krypton. Electric propulsion systems based on Hall-effect thrusters have found wide application due to their high performance and relative simplicity of design and operation compared to other types of propulsion systems. Traditionally, xenon is used as propellant in Hall-effect thrusters. It is an inert gas with a low ionization energy and a high atomic mass, which makes it possible to achieve a high performance of the electric propulsion system while maintaining operational simplicity. However, the high cost of xenon significantly affects the overall expenses during the testing and operation of the thruster and the propulsion system. Therefore, research is underway on the use of alternative propellants that could reduce operating costs while maintaining the thruster performance at an acceptable level. The most promising alternative to xenon is considered to be krypton. It has a lower cost and ensures operational simplicity, but its higher ionization energy negatively affects the thruster efficiency. The goal of this work was to compare the main parameters of the thruster operating on xenon and krypton under identical conditions. Experimental tests were carried out in a vacuum chamber at discharge voltages ranging from 250 to 500 V and propellant mass flow rates from 1 to 1.78 mg/s for xenon and from 1 to 1.6 mg/s for krypton. A comparative analysis of the thruster parameters in its operation on xenon and krypton at a mass flow rate of 1 mg/s showed that the use of krypton leads to a deterioration in thruster performance. The anode thrust and specific impulse decreased by 25 %–37 %, while the anode efficiency dropped by 15 %–24 %.
REFERENCES
1. Frongello B., Hoskins W., Cassagy R., Kalkowska L., Maliga R. Spacecraft electric propulsion at an inflection point. Proceedings of the ASCEND Conference, AIAA paper 2021-4151, 2021.https://doi.org/10.2514/6.2021-4151
2. Tirila V. G., Demairé A., Ryan C. N. Review of alternative propellants in Hall thrusters. Acta Astronautica. 2023. V. 212, Pp. 284-306. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.07.047
3. Asmolovskyi, S., Yurkov, B. Analysis of the effect of changing the working substance from xenon to alternative inert gases on the parameters of the Hall-type electric propulsion system. System Design and Analysis of Aerospace Technique Characteristics. 2023. V. 33. No. 2. Pp. 3-22. (In Ukrainian). https://doi.org/10.15421/472308
4. Thomas F., Munro-O'Brien, Ryan C. N. Effect of channel width on the performance of a modular Hall effect thruster operating on Xenon, Krypton, and Argon. 39th International Electric Propulsion Conference 2025, IEPC-2025-193.
5. Thoreau P., Little J. M., Johansen A., Holmes M. R. Modeling and optimization of propellant mixtures for Hall thrusters. 39th International Electric Propulsion Conference 2025, IEPC-2025-071.
6. Moghaddasi M. B., Byrne M., Glascock M., Foster A. Qualification of ExoTerra's Halo8 Hall-effect thruster on krypton propellant. 39th International Electric Propulsion Conference 2025, IEPC-2025-441.
7. Kitaeva A., Di Sarli A., Giusti N., Pisano V., Pieri L., Cecconi M., Binetti C., Torre L., Gregucci S., Cardelli M., Ciampini D. SITAEL HT5k and HT20k propulsion systems readiness. 38th International Electric Propulsion Conference 2024, IEPC-2024-726.
8. Petrenko, O., Troyan, A., Pererva, V. Parameters of the ST-40M Hall thruster with increased power discharge supply. Journal of Rocket-Space Technology. 2023. V. 31. No. 4. Pp. 50-58.https://doi.org/10.15421/452307
9. Tolok S., Shcherbak D., Petrenko O., Troian A., Yurkov B. LAB6 hollow cathode with wide range current operation. У 73rd International Astronautical Congress, 2022.
10. Voronovskyi D., Kulahin S., Yurkov B., Asmolovskyi S. Performance comparison of a traditional and a magnetically shielded Hall thruster. Teh. Meh. 2025. No. 2. Pp. 50-62. (in Ukrainian).https://doi.org/10.15407/itm2025.02.050
11. Glascock M. S., Kiefer E., VanWoerkom M. Performance and capability overview of the Halo electric propulsion system. 37th International Electric Propulsion Conference 2022, IEPC-2022-301.
12. Jakubczak M., Riazantsev A., Jardin A., Kurzyna J. Experimental optimization of small krypton Hall thruster for operation at high voltage. 37th International Electric Propulsion Conference 2022, IEPC-2022-360.
13. Xia G., Li H., Ding Y., Wei L., Chen S., Yu D. Performance optimization of a krypton Hall thruster with a rotating propellant supply. Acta Astronautica, 2020 V. 171. Pp. 290-299.https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.021 |
| first_indexed | 2025-12-17T12:05:41Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs2.journal-itm.dp.ua:article-153 |
| institution | Technical Mechanics |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-02-08T08:06:00Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | текст 3 |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs2.journal-itm.dp.ua:article-1532025-12-23T21:59:04Z PARAMETERS OF THE ST-40M HALL-EFFECT THRUSTER IN ITS OPERATION ON XENON AND KRYPTON ПАРАМЕТРИ ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА ST-40M ПРИ РОБОТІ НА КСЕНОНІ І КРИПТОНІ ASMOLOVSKYI, S. YU. VORONOVSKYI, D. K. KULAHIN, S. M. MASLOV, V. V. PERERVA, V. O. TROIAN, A. O. YURKOV, B. V. Hal-effect thruster, propellant, xenon, krypton, thrust, specific impulse. холловський двигун, робоча речовина, ксенон, криптон, тяга, питомий імпульс. DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.04.043 This article presents the results of an experimental study of the parameters of the ST-40M Hall-effect thruster developed by SETS (Space Electric Propulsion Systems) in its operation on xenon and krypton. Electric propulsion systems based on Hall-effect thrusters have found wide application due to their high performance and relative simplicity of design and operation compared to other types of propulsion systems. Traditionally, xenon is used as propellant in Hall-effect thrusters. It is an inert gas with a low ionization energy and a high atomic mass, which makes it possible to achieve a high performance of the electric propulsion system while maintaining operational simplicity. However, the high cost of xenon significantly affects the overall expenses during the testing and operation of the thruster and the propulsion system. Therefore, research is underway on the use of alternative propellants that could reduce operating costs while maintaining the thruster performance at an acceptable level. The most promising alternative to xenon is considered to be krypton. It has a lower cost and ensures operational simplicity, but its higher ionization energy negatively affects the thruster efficiency. The goal of this work was to compare the main parameters of the thruster operating on xenon and krypton under identical conditions. Experimental tests were carried out in a vacuum chamber at discharge voltages ranging from 250 to 500 V and propellant mass flow rates from 1 to 1.78 mg/s for xenon and from 1 to 1.6 mg/s for krypton. A comparative analysis of the thruster parameters in its operation on xenon and krypton at a mass flow rate of 1 mg/s showed that the use of krypton leads to a deterioration in thruster performance. The anode thrust and specific impulse decreased by 25 %–37 %, while the anode efficiency dropped by 15 %–24 %. REFERENCES 1. Frongello B., Hoskins W., Cassagy R., Kalkowska L., Maliga R. Spacecraft electric propulsion at an inflection point. Proceedings of the ASCEND Conference, AIAA paper 2021-4151, 2021.https://doi.org/10.2514/6.2021-4151 2. Tirila V. G., Demairé A., Ryan C. N. Review of alternative propellants in Hall thrusters. Acta Astronautica. 2023. V. 212, Pp. 284-306. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.07.047 3. Asmolovskyi, S., Yurkov, B. Analysis of the effect of changing the working substance from xenon to alternative inert gases on the parameters of the Hall-type electric propulsion system. System Design and Analysis of Aerospace Technique Characteristics. 2023. V. 33. No. 2. Pp. 3-22. (In Ukrainian). https://doi.org/10.15421/472308 4. Thomas F., Munro-O'Brien, Ryan C. N. Effect of channel width on the performance of a modular Hall effect thruster operating on Xenon, Krypton, and Argon. 39th International Electric Propulsion Conference 2025, IEPC-2025-193. 5. Thoreau P., Little J. M., Johansen A., Holmes M. R. Modeling and optimization of propellant mixtures for Hall thrusters. 39th International Electric Propulsion Conference 2025, IEPC-2025-071. 6. Moghaddasi M. B., Byrne M., Glascock M., Foster A. Qualification of ExoTerra's Halo8 Hall-effect thruster on krypton propellant. 39th International Electric Propulsion Conference 2025, IEPC-2025-441. 7. Kitaeva A., Di Sarli A., Giusti N., Pisano V., Pieri L., Cecconi M., Binetti C., Torre L., Gregucci S., Cardelli M., Ciampini D. SITAEL HT5k and HT20k propulsion systems readiness. 38th International Electric Propulsion Conference 2024, IEPC-2024-726. 8. Petrenko, O., Troyan, A., Pererva, V. Parameters of the ST-40M Hall thruster with increased power discharge supply. Journal of Rocket-Space Technology. 2023. V. 31. No. 4. Pp. 50-58.https://doi.org/10.15421/452307 9. Tolok S., Shcherbak D., Petrenko O., Troian A., Yurkov B. LAB6 hollow cathode with wide range current operation. У 73rd International Astronautical Congress, 2022. 10. Voronovskyi D., Kulahin S., Yurkov B., Asmolovskyi S. Performance comparison of a traditional and a magnetically shielded Hall thruster. Teh. Meh. 2025. No. 2. Pp. 50-62. (in Ukrainian).https://doi.org/10.15407/itm2025.02.050 11. Glascock M. S., Kiefer E., VanWoerkom M. Performance and capability overview of the Halo electric propulsion system. 37th International Electric Propulsion Conference 2022, IEPC-2022-301. 12. Jakubczak M., Riazantsev A., Jardin A., Kurzyna J. Experimental optimization of small krypton Hall thruster for operation at high voltage. 37th International Electric Propulsion Conference 2022, IEPC-2022-360. 13. Xia G., Li H., Ding Y., Wei L., Chen S., Yu D. Performance optimization of a krypton Hall thruster with a rotating propellant supply. Acta Astronautica, 2020 V. 171. Pp. 290-299.https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.021 DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.04.043 У статті наведено результати експериментального дослідження параметрів холловського двигуна ST-40M, розробленого в лабораторії SETS (Space Electric Propulsion Systems), при роботі на ксеноні та криптоні. Електрореактивні двигунні установки на базі холловського двигуна набули широкого застосування завдяки високим характеристикам і відносній простоті конструкції та експлуатації порівняно з іншими типами двигунних установок. Традиційно як робоча речовина в холловських двигунах використовується ксенон. Це інертний газ, який має низьку енергію іонізації та велику атомну масу, що дає змогу отримати високі характеристики електрореактивної двигунної установки при простоті її експлуатації. Проте висока вартість ксенону істотно впливає на загальні витрати під час випробувань і експлуатації двигуна та електрореактивної двигунної установки у цілому. У зв’язку з цим проводяться дослідження щодо застосування альтернативних робочих речовин, які дали б змогу зменшити вартість відпрацювання при збереженні характеристик двигуна на прийнятному рівні. Найбільш перспективною альтернативою ксенону вважається криптон. Він має нижчу вартість і забезпечує простоту експлуатації, проте має вищу енергію іонізації, що негативно впливає на ККД двигуна. Метою роботи було порівняння основних параметрів двигуна при роботі на ксеноні та криптоні в однакових умовах. Експериментальні випробування проводилися у вакуумній камері при розрядних напругах у діапазоні від 250 В до 500 В і витратах робочої речовини від 1 мг/с до 1,78 мг/с для ксенону та від 1 мг/с до 1,6 мг/с для криптону. Порівняльний аналіз параметрів двигуна при роботі на ксеноні і криптоні при витраті 1 мг/с показав, що використання криптону призводить до погіршення характеристик двигуна. Тяга та питомий імпульс аноду зменшилися на 25 % – 37 %, а ККД аноду знизився на 15 % – 24 %. ПОСИЛАННЯ 1. Frongello B., Hoskins W., Cassagy R., Kalkowska L., Maliga R. Spacecraft electric propulsion at an inflection point. Proceedings of the ASCEND Conference, AIAA. 2021. Р. 2021–4151. https://doi.org/10.2514/6.2021-4151 2. Tirila V. G., Demairé A., Ryan C. N. Review of alternative propellants in Hall thrusters. Acta Astronautica. 2023. V. 212. P. 284–306. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.07.047 3. Асмоловський С., Юрков Б. Аналіз впливу зміни робочої речовини з ксенону на альтернативні інертні гази на параметри систем електрореактивної двигунної установки холловського типу. Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки. 2023. 33(2). Р. 3–22. https://doi.org/10.15421/472308 4. Thomas F., Munro-O’Brien, Ryan C. N. Effect of channel width on the performance of a modular Hall effect thruster operating on Xenon, Krypton, and Argon. 39th International Electric Propulsion Conference. 2025. IEPC-2025-193. 5. Thoreau P., Little J. M., Johansen A., Holmes M. R. Modeling and Optimization of Propellant Mixtures for Hall Thrusters. 39th International Electric Propulsion Conference. 2025. IEPC-2025-071. 6. Moghaddasi M. B., Byrne M., Glascock M., Foster A. Qualification of ExoTerra’s Halo8 Hall-Effect Thruster on Krypton Propellant. 39th International Electric Propulsion Conference. 2025. IEPC-2025-441. 7. Kitaeva A., Di Sarli A., Giusti N., Pisano V., Pieri L., Cecconi M., Binetti C., Torre L., Gregucci S., Cardelli M., & Ciampin, D. SITAEL HT5k and HT20k Propulsion Systems Readiness. 38th International Electric Propulsion Conference. 2024. IEPC-2024-726. 8. Petrenko O., Troyan A., Pererva V. Parameters of the ST-40M Hall Thruster with Increased Power Discharge Supply. Journal of Rocket-Space Technology 2023. 31(4). Р.50–58. https://doi.org/10.15421/452307 9. Tolok S., Shcherbak D., Petrenko O., Troian A., Yurkov B. LAB6 hollow cathode with wide range current operation. 73rd International Astronautical Congress. 2022. 10. Вороновський Д., Кулагін С., Юрков Б., Асмоловський С. Порівняння характеристик «класичного» холловського двигуна і магнітноекранованого. Технічна механіка. 2025. №2. С. 50–62. https://doi.org/10.15407/itm2025.02.050 11. Glascock M. S., Kiefer E., VanWoerkom M. Performance and Capability Overview of the Halo Electric Propulsion System. 37th International Electric Propulsion Conference. 2022. IEPC-2022-301. 12. Jakubczak M., Riazantsev A., Jardin A., Kurzyna J. Experimental optimization of small krypton hall thruster for operation at high voltage. 37th International Electric Propulsion Conference. 2022. IEPC-2022-360. 13. Xia G., Li H., Ding Y., Wei L., Chen S., & Yu D. Performance optimization of a krypton Hall thruster with a rotating propellant supply. Acta Astronautica. 2020. 171. Р. 290–299. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.021 текст 3 2025-12-11 Article Article application/pdf https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/153 Technical Mechanics; No. 4 (2025): Technical Mechanics; 43-51 Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины; № 4 (2025): Technical Mechanics; 43-51 ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА; № 4 (2025): ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА; 43-51 uk https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/153/63 Copyright (c) 2025 Technical Mechanics |
| spellingShingle | холловський двигун робоча речовина ксенон криптон тяга питомий імпульс. ASMOLOVSKYI, S. YU. VORONOVSKYI, D. K. KULAHIN, S. M. MASLOV, V. V. PERERVA, V. O. TROIAN, A. O. YURKOV, B. V. ПАРАМЕТРИ ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА ST-40M ПРИ РОБОТІ НА КСЕНОНІ І КРИПТОНІ |
| title | ПАРАМЕТРИ ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА ST-40M ПРИ РОБОТІ НА КСЕНОНІ І КРИПТОНІ |
| title_alt | PARAMETERS OF THE ST-40M HALL-EFFECT THRUSTER IN ITS OPERATION ON XENON AND KRYPTON |
| title_full | ПАРАМЕТРИ ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА ST-40M ПРИ РОБОТІ НА КСЕНОНІ І КРИПТОНІ |
| title_fullStr | ПАРАМЕТРИ ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА ST-40M ПРИ РОБОТІ НА КСЕНОНІ І КРИПТОНІ |
| title_full_unstemmed | ПАРАМЕТРИ ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА ST-40M ПРИ РОБОТІ НА КСЕНОНІ І КРИПТОНІ |
| title_short | ПАРАМЕТРИ ХОЛЛОВСЬКОГО ДВИГУНА ST-40M ПРИ РОБОТІ НА КСЕНОНІ І КРИПТОНІ |
| title_sort | параметри холловського двигуна st-40m при роботі на ксеноні і криптоні |
| topic | холловський двигун робоча речовина ксенон криптон тяга питомий імпульс. |
| topic_facet | Hal-effect thruster propellant xenon krypton thrust specific impulse. холловський двигун робоча речовина ксенон криптон тяга питомий імпульс. |
| url | https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/153 |
| work_keys_str_mv | AT asmolovskyisyu parametersofthest40mhalleffectthrusterinitsoperationonxenonandkrypton AT voronovskyidk parametersofthest40mhalleffectthrusterinitsoperationonxenonandkrypton AT kulahinsm parametersofthest40mhalleffectthrusterinitsoperationonxenonandkrypton AT maslovvv parametersofthest40mhalleffectthrusterinitsoperationonxenonandkrypton AT perervavo parametersofthest40mhalleffectthrusterinitsoperationonxenonandkrypton AT troianao parametersofthest40mhalleffectthrusterinitsoperationonxenonandkrypton AT yurkovbv parametersofthest40mhalleffectthrusterinitsoperationonxenonandkrypton AT asmolovskyisyu parametrihollovsʹkogodvigunast40mprirobotínaksenonííkriptoní AT voronovskyidk parametrihollovsʹkogodvigunast40mprirobotínaksenonííkriptoní AT kulahinsm parametrihollovsʹkogodvigunast40mprirobotínaksenonííkriptoní AT maslovvv parametrihollovsʹkogodvigunast40mprirobotínaksenonííkriptoní AT perervavo parametrihollovsʹkogodvigunast40mprirobotínaksenonííkriptoní AT troianao parametrihollovsʹkogodvigunast40mprirobotínaksenonííkriptoní AT yurkovbv parametrihollovsʹkogodvigunast40mprirobotínaksenonííkriptoní |