Geometry Design Optimization of High-Frequency Ion Thrusters and Ion Sources

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article presents the results of the computational determination of the optimal design geometry of a certain type of quasi-neutral plasma source. The scheme of an ion source with an inductive plasma discharge formed and maintained by a radio-frequency electromagnetic field in a MHz frequency range is considered. The surface profiles optimization of the main design units – namely, gas discharge chamber and ion extraction system – was carried out via computational modelling. Calculations were carried out using the previously developed engineering model of inductive discharge in plasma. The optimization criteria are the thrust and the value of the ion current extracted from the source, determined from the calculated distributions of electron density and electron temperature within the discharge chamber. Optimization calculations were carried out for an ion source with a discharge chamber diameter of 16 cm on a type of surfaces that are segments of a spherical surface. The results of the thrust calculations are presented in relative values in comparison with the values calculated for the basic configuration of the ion source scheme with a hemispherical discharge chamber and a flat ion extraction system. A significant increase in the value of the extracted ion current and thrust in the determined optimal configuration of the ion source was obtained in comparison with the same values calculated for the basic configuration of the ion source with a hemispherical discharge chamber and flat grids of the ion extraction system.

About the authors

V. K. Abgaryan

Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute

Author for correspondence.
Email: vka.mai@mail.ru
Russia, 125080, Moscow

A. V. Melnikov

Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute

Email: vka.mai@mail.ru
Russia, 125080, Moscow

A. Yu. Kupreeva

Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute

Email: vka.mai@mail.ru
Russia, 125080, Moscow

O. D. Peisakhovich

Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute

Email: vka.mai@mail.ru
Russia, 125080, Moscow

References

  1. Kanarov V., Hayes A.V., Yevtukhov R., Vidinsky B., Navy A. // Rev. Sci. Instrum. 1998. № 69. P. 874. https://www.doi.org/10.1063/1.1148742
  2. Jet Propulsion Laboratory NASA. 2003. https://www.jpl.nasa.gov/missions/hayabusa Cited 10 April 2022
  3. Jet Propulsion Laboratory NASA. 1998. https://www.jpl.nasa.gov/missions/deep-space-1-ds1 Cited 10 April 2022
  4. Van Noord J. // In 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. 2007. P. 5218. https://www.doi.org/10.2514/6.2007-5218
  5. Van Noord J., Herman D. // In 44th AIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. 2008. P. 4526. https://www.doi.org/10.2514/6.2008-4526
  6. Васин А.И., Коротеев А.С., Ловцов А.С., Муравлев В.А., Шагайда А.А., Шутов В.Н. // Труды МАИ. 2012. Т. 60. С. 8.
  7. Herman D.A. // 57th Joint Army-Navy-NASA-Air Force (JANNAF) Propulsion Meeting. 2010. No. E-17447.
  8. Антропов Н.Н., Ахметжанов Р.В., Балашов В.В., Богатый А.В., Дьяконов Г.А., Могулкин А.И., Обухов В.А., Плохих А.П., Попов Г.А. // Тезисы 14-й Международной конференции “Авиация и космонавтика-2015”. 2015. С. 141.
  9. Tsukizaki R., Ise T., Koizumi H., Togo H., Nishiyama K., Kuninaka H. // J. Propulsion and Power. 2014. V. 30. № 5. P. 1383. https://www.doi.org/10.2514/1.B35118
  10. Foster J., Haag T., Kamhawi H., Patterson M., Malone S., Elliot F. // In 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. 2004. P. 3812. https://www.doi.org/10.2514/6.2004-3812
  11. Loeb H. // Astronautica Acta. 1962. V. 8. № 1. P. 49.
  12. Abgaryan V.K., Nadiradze A.B., Semenov A.A., Troshin A.E. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. V. 13. 2019. № 6. P. 1054. https://www.doi.org/10.1134/S102745101906003X
  13. Goebel D.M., Katz I. // Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall. N.Y.: John Wiley & Sons, 2008. P. 100.
  14. Абгарян В.К., Леб Х.В., Обухов В.А., Шкарбан И.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2012. № 8. С. 70.
  15. Канев С.В., Кожевников В.В., Хартов С.А. // Известия РАН. Энергетика. 2017. Т. 3. С. 21.
  16. Cifali G., Misuri T., Rossetti P., Andrenucci M., Valentian D., Feili D., Lotz B. // 32nd International Electric Propulsion Conference. 2011. № 11. P 15.
  17. Девдариани А.З., Артамонова А.О., Беляев А.К. // Письма в ЖТФ. 2020. Т. 46. Вып. 4. С. 45. https://www.doi.org/10.21883/PJTF.2020.04.49051.17990
  18. Абгарян В.К., Ахметжанов Р.В., Леб Х.В., Обухов В.А., Черкасова М.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2013. №11. С. 82.
  19. Balashov V., Cherkasova M., Kruglov K., Kudriavtsev A., Masherov P., Mogulkin A., Obukhov V., Riaby V., Svotina V. // Rev. Sci. Instrum. 2017. V. 88. № 8. P. 083304. https://www.doi.org/10.1063/1.4998247
  20. Holste K., Dietz P., Scharmann S., Keil K., Henning T., Zschätzsch D., Reitemeyer M., Nauschütt B., Kiefer F., Kunze F., Zorn J., Heiliger C., Joshi N., Probst U., Thüringer R., Volkmar C., Packan D., Peterschmitt S., Brinkmann K.-T., Zaunick H.-G., Thoma M.H., Kretschmer M., Leiter H.J., Schippers S., Hannemann K., Klar P.J. // Rev. Sci. Instrum. 2020. V. 91. P. 061101. https://www.doi.org/10.1063/5.0010134
  21. Мельников А.В., Хартов С.А. // Известия РАН. Энергетика. 2018. Т. 3. С. 4.
  22. Kanev S., Melnikov A., Nazarenko I., Khartov S. // IOP Conference Series: Mater. Sci. Engineer. 2020. P. 012010. https://www.doi.org/10.1088/1757-899X/868/1/012010
  23. Porst, J.P., Kuhmann J., Kukies R., Leiter H. // In Proceedings of the 34th International Electric Propulsion Conference. 2015.
  24. Leiter H.J., Kukies R., Porst J.P., Kuhmann J., Berger M, Rath M., // In 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. 2014. P. 3421. https://www.doi.org/10.2514/6.2014-3421
  25. Porst J.P., Altmann C., Arnold C., Kuhmann J., Syring C., Leiter H.J., Berger M., Scholze F., Eichhorn C., Bundesmann C. // 35th International Electric Propulsion Conference. 2017.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (152KB)
Indexing metadata
3.

Download (47KB)
Indexing metadata
4.

Download (437KB)
Indexing metadata
5.

Download (135KB)
Indexing metadata
6.

Download (53KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 В.К. Абгарян, А.В. Мельников, А.Ю. Купреева, О.Д. Пейсахович

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».