Modeling of Thermal Fields and Thermomechanical Deformation of the Ion Source Electrodes. Development of Refined Mathematical Model of Electrode Deformation

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Besides the standard application of ion thrusters for the Near-Earth space exploration and cruise missions, there is a problem of removing man-made space debris objects from the Near-Earth space by a weakly diverging ion beam, i.e. by a contactless impact. However, for stable operation of the ion-extraction system of both the ion thruster and the ion source, it is necessary to predict and take into account the thermal deformations of electrodes of the ion-extraction system. The increase in the number of man-made space debris objects in the Near-Earth space hinders the long-term sustainable development of space activities. Many different methods have been proposed for removing large objects into disposal orbits or into low orbits for their further destruction in the dense layers of the Earth's atmosphere. To remove space debris, a service spacecraft can be used, which could approach the space debris to be removed and tow it to the disposal region by a contactless impact. A radio-frequency ion source forming a weakly diverging ion beam, under the influence of which the space debris objects would move in the direction of the disposal orbit, can be used as an onboard device designed for this purpose. Such radio-frequency ion source is in fact a radio-frequency ion thruster. The development of thermal and thermomechanical models of ion thruster and ion source taking into account the requirements for the reliable operation and integration of ion source with service spacecraft systems to provide contactless space debris transportation in space and integrations of ion thruster with onboard systems to provide attitude control or ensure cruise missions is one of the problematic scientific and technical issues. In terms of design, the ion-extraction system of ion thruster and ion source is the most complex unit. When developing the ion-extraction system design, it is necessary to take into account the peculiarities of electrode operation.

About the authors

A. I Mogulkin

Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute (RIAME MAI)

Author for correspondence.
Email: revenged@yandex.ru
Moscow, Russia

V. V Svotina

Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute (RIAME MAI)

Email: revenged@yandex.ru
Moscow, Russia

A. V Melnikov

Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute (RIAME MAI)

Email: revenged@yandex.ru
Moscow, Russia

O. D Peysakhovich

Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute (RIAME MAI)

Email: revenged@yandex.ru
Moscow, Russia

D. S Demchenko

Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute (RIAME MAI)

Email: revenged@yandex.ru
Moscow, Russia

V. K Abgaryan

Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute (RIAME MAI)

Email: revenged@yandex.ru
Moscow, Russia

S. A Khartov

Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute (RIAME MAI)

Email: revenged@yandex.ru
Moscow, Russia

References

  1. Kravchenko D., Lovtsov A.S., Madeev S. // AIP Conf. Proc. 2019. V. 2179. P. 020012/ https://doi.org/10.1063/1.5135485
  2. Takao Y., Iwata I., Chyou N. Development of Small Scale Microwave Discharge Ion Thruster of 3–5 cm Size. // 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 9–12 October, 2012, Seoul, Korea. https://doi.org/10.1109/VPPC.2012.6422749
  3. Feili D., Lotz B., Loeb H.E., Leiter H.J., Boss M., Braeg R., Di Cara D. Radio Frequency Mini Ion Engine for Fine Attitude Control and Formation Flying Applications. // 2 CEAS European Air & Space Conference, 26–29 October, 2009, Manchester, UK.
  4. Tighe W.G., Chien K.-R., Spears R. XIPS Ion Thrusters for Small Satellite Applications. // SSC07-III–11, 21 Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, 13–16 August, 2007, Logan, UT, USA.
  5. Gafarov A.A., Drondin A.V., Zakharenkov L., Kliimenko A.G., Kravchenko D.A., Kudinov A.S., Lovisov A.S., Lukoyanov Y.M., Ogloblina I.S., Semenkin A.V., Sobolev V.V., Solodukhin A.E., Yanchur S.V., Shagayda A. // AIP Conf. Proc. 2021. V. 2318. P. 040001. https://doi.org/10.1063/5.0035980
  6. Andrews S., Berthoud L. // Acta Astronautica. 2020. V. 170. P. 386. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.12.034
  7. Lasson O., Hedengen G. Electrostatic Ion Thrusters for Space Debris Removal: Degree Project in Technology. Stockholm, Sweden, 2018. http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1219151/FULLTEXT01.pdf (available: 11.02.2023)
  8. Obukhov V.A., Kirillov V.A., Petukhov V.G., Popov G.A., Svoitna V.V., Testoyedov N.A., Usovik I.V. // Acta Astronautica. 2021. V. 181. P. 569. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.01.043
  9. Poole M., Ho M. Boeing Low-Thrust Geosynchronous Transfer Mission Experience. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20080012681.pdf (available: 20.09.2022)
  10. Koroteev A.S., Lovisov A.S., Muravlev V.A., Selivanov M.Y., Shagayda A. // Europ. Phys. J. D. 2017. V. 71. P. 120. https://doi.org/10.1140/epjd/e2017-70644-6
  11. Lovisov A.S., Selivanov, M.Y., Kostin A.N. // Acta Astronautica. 2020. V. 169. P. 150. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.12.009
  12. Bramanti C., Izzo D., Samaraee T., Ealker R., Fearn D. // Acta Astronautica. 2009. V. 64. Iss. 7–8. P. 735. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2008.11.013
  13. NASA’s Evolutionary Xenon Thruster: The Next Ion Propulsion System for Solar System Exploration. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20090004684.pdf (available: 20.09.2022)
  14. Dobkevicius M. Modelling and Design of Inductively Coupled Radio Frequency Gridded Ion Thruster with an Application to Ion Beam Shepherd Type Space Missions: Thesis for the degree of Doctor of Philosophy: University of Southampton, Southampton, England. 2017.
  15. Loeb H., Feili D., Popov G.A., Obulhov V.A., Balashov V.V., Mogulkin A.I., Murashko V.M., Nesterenko A.N., Khartov S. Design of High-Power High-Specific Impulse RF-Ion Thruster. // 32 International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany, 11–15 September, 2011, 8 p., IEPC-2011-290.
  16. Loeb H.W., Schartner K.H., Dachwald B., Ohndorf A. Perspectives of Electric Propulsion for Outer Planetary and Deep Space Missions. // European Planetary Science Congress, 13–18 September, 2009, Potsdam, Germany, EPSC2009-416-1.
  17. Dachward B., Seboldt W., Loeb H.W., Schartner K.H. // Acta Astronautica. 2008. V. 63. Iss. 1–4. P. 91. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2007.12.023
  18. Dachward B., Ohndorf A., Spurmann J., Loeb H.W., Schartner K.-H., Seboldt W. Mission Design for a SEP Mission to Saturn. // 60 International Astronautical Congress, Daejeon, Korea, 12–16 October, 2009. IAC-09.C4.8.7.
  19. Shagayda A., Lovisov A.S., Muravlev V.A., Selivanov M. Ion Thruster Development for a Transport and Power Generation Module Project. Joint Conference of 30 International Symposium on Space Technology and Science. // 34 International Electric Propulsion Conference and 6 Nano-Satellite Symposium, Hyogo-Kobe, Japan, 4–10 July, 2015.
  20. Loeb H.W., Petukhov V.G., Popov G.A., Mogulkin A.I. // Acta Astronautica. 2015. V. 116. P. 299. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2015.07.019
  21. Konstantinov M.S., Loeb H.W., Petukhov V.G., Popov G.A. // Int. J. Space Technol. Management Innovation. 2017. V. 1. Iss. 2. P. 17. https://doi.org/10.4018/jistmi.2011070101
  22. Goebel D.M., Katz J. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. John Wiley & Sons Inc, 2008. 486 p.
  23. High Purity Factory Price Medical Xenon Gas. https://taiyugas.en.made-in-china.com/product/ZOITduycifoG/China-High-Purity-Factory-Price-Medical-Xenon-Gas.html (available: 11.02.2023)
  24. Best Price for High Purity 99.999% 5n Xe Gas Xenon Filled in ISO/DOT Gas Cylinder. https://guidagas.en.made-in-china.com/product/IsaEFjihdcZWw/China-Best-Price-for-High-Purity-99-999-5n-Xe-Gas-Xenon-Gas-Filled-in-ISO-DOT-Gas-Cylinder.html (available: 11.02.2023)
  25. Loeb H. // Astronautica Acta. 1962. V. 8. № 1. P. 49.
  26. Schmidt G.R., Patterson M.J., Benson S.W. NASA’s Evolutionary Xenon Thruster: NASA’s Next Step in Electric Propulsion. // 5th International Spacecraft Propulsion Conference. 2008. P. 100.
  27. Loeb H.W. // J. Spacecraft Rockets. 1971. V. 8. Iss. 5. P. 494. https://doi.org/10.2514/3.59683
  28. Freisinger J., Reineck S., Loeb H.W. // IEE Conf. Publication. 1978. V. 165. P. 243.
  29. Bassner H., Loeb H. // Earth-Oriented Applications of Space Technology. 1984. V. 4. Iss. 3. P. 125.
  30. Groh K.H., Fahrenbach P., Keiling N., Loeb H.W. Electric Propulsion Activities at Giessen University. // AIAA-92-3145, 28 AIAA/ASME/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 6–8 July, 1992, Nashville, Tennessee, USA.
  31. Loeb H.W., Schartner K.-H., Meyer B.K., Feili D., Weis S., Kimse D. Forty Years of Giessen EP-Activities and the Recent RIT-Microthruster Development. // 29 International Electric Propulsion Conference. 31 October–4 November, 2005. Princeton University, New Jersey, USA, IEPC-2005-031.
  32. Ridby V.A., Masherov P.E., Obukhov V.A., Savinov V.P. // High Voltage Engineering. 2013. V. 39. Iss. 9. P. 2077. https://doi.org/10.3969/j.issn.1003-6520.2013.09.002
  33. Abgaryan V.K., Akhmetzhanov R.V., Loeb H.W., Obukhov V.A., Cherkasova M.V. // J. Surf. Invest.: X-ray, Synchrotron Neutron Tech. 2013. V. 7. Iss. 6. P. 1092. https://doi.org/10.1134/S1027451013060037
  34. Mogulkin A.I., Obukhov V.A., Fedorov V.A. Investigation of Temperature Deformation of the IES Electrodes Based on the Continuum Themo-Mechanical Calculation Model. // Proceedings of the 5 Russian-German Conference on Electric Propulsion and Their Application “Electric Propulsion — New Challenges”, Dresden, Germany, 2014.
  35. Fedorov V.A., Obukhov V.A., Mogulkin A.I. Issledovanie temperaturnogo deformirovaniya elektrodov IOS na osnove kontinual’noj termomekhanieheskoj raschetnoji modeli. // 13 Mezhdunarodnaya konferenciya «Aviatsiya i kosmonavitka», Moscow, RF, 17–21 November, 2014 (In Rus.).
  36. Birger I.A. Kruglye plastinki i obolochki vrashcheniya. M.: Oborongiz, 1961. 368 s. (In Rus.).
  37. Bezuhov N.N., Bazhanov V.L., Gol’denblat I.I., Nikolaenko N.A., Sinyukov A.M. Raschety na prochnost’, ustojchivost’ i kolebaniya v usloviyah vysokih temperature. / Ed. Gol’denblat I.I. M.: Mashinostroenie, 1965. 567 s. (In Rus.).
  38. Volmir A.S. Gibkie plastinki i obolochki. M.: Gostekhizdat, 1956. 419 p. (In Rus.).
  39. Fedorov V.A., Obukhov V.A., Mogulkin A.I. Simulation of Temperature Deformation of Ion Thruster Electrodes. // International 34th Electric Propulsion Conference, 2015. — IEPC-2015-444p/ISTS-2015-b-444p. — 9 p.
  40. Fedorov V.A. Termoustojchivost’ uprugo zashchenniennyh kol’cevyh plastin peremennoj zhestkosti. // Izvestiya VUZov. Aviatsionnaya teknika, 1976. № 4. P. 127. (In Rus.).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

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».