vestnovsuВестник Новгородского государственного университетаVestnik of Novgorod State University2076-8052Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого10.34680/2076-8052.2025.1(139).11-21vestnovsu-357Research ArticleРАДИОФИЗИКАRADIOPHYSICSЭлектрореактивный импульсный плазменный двигатель с разрядной камерой из сегнетокерамикиPulsed plasma thruster with a ferroelectric ceramics discharge unithttps://orcid.org/0000-0002-0475-1181ЕмлинР. В.EmlinR. V.

Емлин Рафаил Вениаминович – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, руководитель группы

Екатеринбург

Yekaterinburg

emlin@iep.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3602-0412МорозовП. А.MorozovP. A.

Морозов Павел Александрович – младший научный сотрудник

Екатеринбург

Yekaterinburg

pav99369565@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0007-2253-5291ЯшновЛ. Ю.YashnovL. Yu.

Яшнов Леонид Юрьевич – ведущий инженер

Нижняя Салда

leonidsl@hotmail.comИнститут Электрофизики УрО РАНРоссияInstitute of Electrophysics UB RASRussian FederationНИИ МашиностроенияРоссияResearch and Development Institute of Mechanical EngineeringRussian Federation20250406202501(139)1121Copyright © Емлин Р.В., Морозов П.А., Яшнов Л.Ю., 20252025Емлин Р.В., Морозов П.А., Яшнов Л.Ю.Emlin R.V., Morozov P.A., Yashnov L.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnovsu.elpub.ru/jour/article/view/357

Подтверждена возможность использования эффекта высоковольтного (до 20 кВ) разряда по поверхности сегнетоэлектрической керамики на основе титаната бария (BaTiO3) для создания импульсных плазменных абляционных двигателей коррекции для космических аппаратов. Такие ИПАД могут быть использованы для малых ИСЗ микрои наноклассов (кубсатов), которые создаются как университетами, так и частными компаниями. На изготовленном макете частотного коаксиального импульсного плазменного двигательного блока с потреблением   от   бортовой сети до   50   Вт при использовании разрядов субмикросекундной длительности (<0,1 мкс) получена секундная тяга, регулируемая от 2 до 28 мкН·с. Спектры скоростей ионизованных компонент плазменных пучков поверхностного разряда простираются до 100 км/с.

 

In this paper, we consider the applicability of the high-voltage surface flashover on ferroelectric ceramics in pulsed plasma thrusters. We made a thruster prototype based of high-voltage submicrosecond discharge. The power of the thruster is ~50 W, operation frequency is a few hundreds Hz, discharge voltage is ~20 kV, and weight about 400 g. The material of the discharge unit is barium titanate contained ceramics. The obtained values of thrust lie in the range 2-28 μN⋅s. The obtained velocities of the ion component of the plasma flow are up to ~100 km/s.

электроразрядный плазменный двигательсегнетокерамикаповерхностное перекрытие диэлектриковкубсатыpulsed plasma thrusterferroelectrics ceramicssurface dischargefrequency modecubesatsReferencesИонные, плазменные и дуговые ракетные двигатели: сборник статей / пер. с англ. Москва: Госатомиздат, 1961. 407 с.Ion, plasma and arc rocket engines: collection of articles / transl. from Eng. Moscow: Gosatomizdat, 1961. 407 p. (In Russian).Гильзин К. А. Электрические межпланетные корабли. Москва: Наука,1964. 319 с.Gilzin K. A. Electrical interplanet spacecraft. Moscow: Nauka Publ., 1964. 319 p. (In Russian).Кульков В. М., Обухов В. А., Егоров Ю. Г., Белик А. А., Крайнов А. М. Сравнительная оценка эффективности применения перспективных типов электроракетных двигателей в составе малых космических аппаратов // Вестник Самарского государственного авиакосмического университета (национальный исследовательский университет). 2012. 3–1 (34). 187–195.Kul’kov V. M., Obuhov V. A., Egorov Yu. A., Belik A. A. Comparison of the effectiveness of the use of promising types of electric rocket engines in small spacecraft // Bulletin of Samara State Aerospace University (National Research University). 2012. 3-1 (34). 187–195. (In Russian).Benson S. W., Arrington L. A., Hoskins W. A. Development of a PPT for the EO-1 Spacecraft // American Institute of Aeronautics and Astronautics 35th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Los Angeles, CA, USA (20–24 June 1999). 35th Joint Propulsion Conference and Exhibit. Development of a PPT for the EO-1 spacecraft. Los Angeles, CA, 1999. URL: https://tesble.com/10.2514/6.1999-2276 (Дата обращения: 02.01.2025). DOI: 10.2514/6.1999-2276Benson S. W., Arrington L. A., Hoskins W. A. Development of a PPT for the EO-1 Spacecraft // American Institute of Aeronautics and Astronautics 35th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Los Angeles, CA, USA (20–24 June 1999). 35th Joint Propulsion Conference and Exhibit. Development of a PPT for the EO-1 spacecraft. Los Angeles, CA, 1999. URL: https://tesble.com/10.2514/6.1999-2276 (Accessed: 02.01.2025). DOI: 10.2514/6.1999-2276Shein J., Qi N., Binder R., Krishan M. Inductive energy storage driven vacuum arc thruster // Review of Scientific Instruments. 2002. 73 (2). 925–927. DOI: 10.1063/1.1428784Shein J., Qi N., Binder R., Krishan M. Inductive energy storage driven vacuum arc thruster // Review of Scientific Instruments. 2002. 73 (2). 925–927. DOI: 10.1063/1.1428784Ермилов В. А., Казанкин Л. Ф., Потабачный Л. А., Емлин Р. В., Морозов П. А. Исследование влияния внешнего магнитного поля на величину тяги высоковольтного наносекундного импульсного двигателя // Космическая техника и технологии. 2018. 3 (22). 82–89.Yermilov V. A., Kazankin L. F., Potabachniy L. A., Emlin R. V., Morozov P. A. Investigation of the effect of an external magnetic field on the thrust of a high-voltage nanosecond pulse thruster // Space technic and technology. 2018. 3 (22). 82–89. (In Russian).Яшнов Л. Ю., Потабачный Л. А. Патент № 2757304 Российская Федерация, МПК F-3H 1/00 (2006/01). Импульсный плазменный коаксиальный ракетный двигатель на жидком рабочем теле: 2019137141: заявл. 19.11.2019; опубл. 13.10.2021; заявитель АО «Научно-исследовательский институт машиностроения» (АО «НИИМаш»). 8 с.Yashnov L. Yu., Potabachny L. A. Patent No. 2757304 Russian Federation, IPC F-3H 1/00 (2006/01). Pulsed plasma coaxial rocket engine on a liquid working body: 2019137141: application 19.11.2019; published 13.10.2021; applicant JSC Scientific Research Institute of Mechanical Engineering (JSC NIIMash). 8 p. (In Russian).Месяц Г. А. Электронная эмиссия из сегнетоэлектрических плазменных катодов // Успехи физических наук. 2008. 178 (1). 85–108. DOI: 10.3367/UFNr.0178.200801e.0085Mesyats G. A. Electron emission from ferroelectric plasma cathodes // Achievements of Physical Sciences. 2008. 178 (1). 85–108. DOI: 10.3367/UFNr.0178.200801e.0085 (In Russian).Балагуров В. А. Аппараты зажигания. Москва: Машиностроение,1968. 352 с.Balagurov V. A. Ignition devices. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1968. 352 p. (In Russian).Buldashev S. A., Emlin R. V., Morozov P. A., Punanov I. F., Shcherbakov Ye. N., Yashnov L. Yu. Thrust characteristics of compact high-voltage pulsed plasma thruster utilizing liquid propellant //Journal of Physics: Conference series. 2021. 2064 (1). 012114. DOI: 10.1088/1742-6596/2064/1/012114Buldashev S. A., Emlin R. V., Morozov P. A., Punanov I. F., Shcherbakov Ye. N., Yashnov L. Yu. Thrust characteristics of compact high-voltage pulsed plasma thruster utilizing liquid propellant //Journal of Physics: Conference series. 2021. 2064 (1). 012114. DOI: 10.1088/1742-6596/2064/1/012114Морозов А. И. Введение в плазмодинамику. Москва: Физматлит, 2006. 572 с.Morozov A. I. Introduction to plasmodynamics. Moscow: Fizmatlit, 2006. 572 p. (In Russian).Morozov P., Punanov I., Lisencov V., Emlin R. Nanosecond surface flashover of ferroelectric capacitor ceramics at 70 kV // 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2020 online): abstracts. Tomsk, 14–25 September 2020. Tomsk: Publishing House of IAO SB RAS, 2020. 336–341.Morozov P., Punanov I., Lisencov V., Emlin R. Nanosecond surface flashover of ferroelectric capacitor ceramics at 70 kV // 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2020 online): abstracts, Tomsk, 14–25 September 2020. Tomsk: Publishing House of IAO SB RAS, 2020. 336–341.Дьяконов Г. А., Любинская Н. В., Семенихин С. А., Хрусталёв М. М. Абляционный импульсный плазменный двигатель для малоразмерных космических аппаратов // Труды МАИ. 2014. 73. 19.Daykonov G. A., Lyubinskaya N. V., Semenihin S. A., Hrustalev M. M. Ablation plasma thruster for small spacecraft // Trudy MAI. 2014. 73. 19. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.