HiPER High Power Electric propulsion: a Roadmap for future
EC/FP7 umowa nr 218859
Czas trwania: 1.10.2008 – 31.01.2012
To duży projekt 20 podmiotów europejskich koordynowany przez Alta SpA, w ramach którego powstał silnik Halla o mocy 20 kW i ciągu ok. 1 N. Zadanie realizowane w IFPiLM polegało na stworzeniu narzędzia HETMAn do numerycznej symulacji silnika i przeprowadzeniu obliczeń w szerokim zakresie zmian parametrów pracy silnika. Wykazano poprawność przewidywań modelu z wynikami pomiarów.
LµPPT Innovative Liquid Micro Pulsed Plasma Thruster system for nanosatellites
EC/FP7 umowa nr 283279
Czas trwania: 1.11.2011 – 31.10.2014
W projekcie koordynowanym przez hiszpańską firmę JMP INGENIEROS została zaproponowana innowacyjna metoda zasilania silników PPT ciekłym, nieparującym w próżni paliwem. Zbudowano dwa prototypy laboratoryjne silnika, wykazano znaczną poprawę wydajności – w tym blisko dwukrotny wzrost sprawności w stosunku do odpowiadających układów zasilanych stałym teflonem, wykazano impuls właściwy na poziomie 1000 s i więcej. Uzyskano pełne potwierdzenie prawidłowości koncepcji, doprowadzając projekt do TRL 3.
Powiązane publikacje:
(1) S. Barral, J. Kurzyna, E. Remírez, R. Martin, P. Ortiz, J. Alonso, S. Bottinelli, Y. Mabillard, A. Zaldívar, P. Rangsten, C. R. Koppel (2013), Development Status of an Open Capillary Pulsed Plasma Thruster with Non-Volatile Liquid Propellant, 33rd International Electric Propulsion Conference, IEPC-2013-291.
(2) S. Barral, J. Kurzyna, A. Szelecka, H. Rachubiński, E. Remírez, R. Martin, P. Ortiz, J. Alonso, Y. Mabillard, S. Bottinelli, A. Zaldívar, P. Rangsten, C. R. Koppel (2014), First Experimental Characterization of a Pulsed Plasma Thruster with Non-Volatile Liquid Propellant, Space Propulsion Conference 2014, 2980924.
(3) S. Barral, J. Kurzyna, A. Szelecka, H. Rachubiński, D. Daniłko, R. Martín, E. Remírez, P. Ortiz, J. Alonso, Y. Mabillard, S. Bottinelli, A. Zaldívar, P. Rangsten, C. R. Koppel (2015), Time-Of-Flight Spectrometry and Performance of a Pulsed Plasma Thruster with Non-Volatile Propellant, Joint Conference of 30th International Symposium on Space Technology and Science, 34th International Electric Propulsion Conference and 6th Nano-satellite Symposium, IEPC-2015-141/ISTS-2015-b-141.
(4) A. Szelecka, J. Kurzyna, D. Daniłko, S. Barral (2015), Liquid micro pulsed plasma thruster, Nukleonika 60(2):257-261, doi: 10.1515/nuka-2015-0057.
(5) Z. Peradzyński, K. Makowski, J. Kurzyna (2019), Early stage of the discharge in ablative pulsed plasma thrusters, Plasma Sources Sci. Technol. 28, 024001, doi: 10.1088/1361-6595/aaf95e.
KLIMT Krypton Large Impulse Thruster
ESA/PECS umowa nr 4000107746/3/Nl/KML
Czas trwania: 1.03.2013 – 15.06.2016
Powstały trzy kolejne wersje laboratoryjne kryptonowego silnika Halla klasy 500 W. Testy wykazały stabilną pracę i wydajność odpowiednią do gabarytów i mocy zarówno dla kryptonu, jak i ksenonu. Osiągnięto TRL 3.
Powiązane publikacje:
(1) J. Kurzyna, D. Daniłko (2011), IPPLM Hall Effect Thruster – design guidelines and preliminary tests, 32nd International Electric Propulsion Conference, IEPC-2011-221.
(2) J. Kurzyna (2014), Numerical investigation of the Krypton Large IMpulse Thruster, Physica Scripta 014051, doi: 10.1088/0031-8949/2014/T161/014051.
(3) J. Kurzyna, S. Barral, D. Daniłko, J. Miedzik, A. Bulit, K. Dannenmayer (2014), First Tests of the KLIMT Thruster with Xenon Propellant at the ESA Propulsion Laboratory, Space Propulsion Conference 2014, 2980923.
(4) J. Kurzyna, A. Szelecka, D. Daniłko, S. Barral, K. Dannenmayer, E. Bosch Borras, T. Schönherr (2016), Testing KLIMT prototypes at IPPLM and ESA Propulsion Laboratories, Space Propulsion Conference 2016, 3125256.
(5) A. Szelecka, J. Kurzyna, L. Bourdain (2017), Thermal stability of the krypton Hall effect thruster, Nukleonika 62(1):9-15, doi: 10.1515/nuka-2017-0002.
(6) J. Kurzyna, M. Jakubczak, A. Szelecka, K. Dannenmayer (2018), Performance tests of IPPLM’s krypton Hall thruster, Laser and Particle Beams 36, 105–114, doi: 10.1017/S0263034618000046.
(7) A. Szelecka, M. Jakubczak, J. Kurzyna (2018), Plasma beam structure diagnostics in krypton Hall thruster, Laser and Particle Beams 36, 219–225, doi: 10.1017/S0263034618000198.
HIKHET – 0.5 kW class HET for operation at high voltage with krypton propellant
ESA/PLIIS umowa nr 4000122415/17/NL/GE
Czas trwania: 12.01.2018 – 30.04.2021
Projekt HIKHET – High Impulse Krypton Hall Effect Thruster (finansowany przez Europejską Agencję Kosmiczną w ramach programu Polish Industry Incentive Scheme), miał na celu rozwinięcie opracowanej w IFPiLM konstrukcji plazmowego silnika typu Halla klasy 500 W bazującego na paliwie kryptonowym w kierunku zwiększenia impulsu właściwego.
 |
| Silnik Halla zasilany kryptonem pracujący w Laboratorium PlaNS |
Impuls właściwy, czyli popęd siły przypadający na każdy kilogram wyrzucanej masy, jest miarą efektywności gospodarowania dostępnym na pokładzie satelity paliwem. Ponieważ niemal wszystkie nowe satelity są wyposażane w systemy napędowe pozwalające im wykonywać manewry orbitalne w celu wydłużenia czasu trwania misji oraz ostatecznie usunięcia satelity z orbity, to właśnie ilość paliwa dostępna na pokładzie urządzenia jest obecnie głównym ograniczeniem czasu życia satelitów.
W trakcie trwającego 3 lata projektu w PlaNS udoskonalono i przeprowadzono obszerne testy wyjściowego urządzenia (powstałego w ramach projektu KLIMT), zaimplementowano nowe diagnostyki strumienia wyrzucanej plazmy (Faraday Cup oraz Retarding Potential Analyzer) oraz zaprojektowano nową konstrukcję w oparciu o rezultaty modelowania pola magnetycznego i symulacji termicznych. Finalny model silnika szczegółowo zbadano w szerokim zakresie parametrów pracy (rodzaju paliwa, wydatku masowego, napięcia wyładowania, siły pola magnetycznego), stwierdzając dla kryptonu wzrost wartości impulsu właściwego z 1400 s do 2600 s przy jednoczesnej poprawie wydajności z 20% do 34%. Ponadto udoskonalona konstrukcja zaowocowała zmniejszeniem temperatury pracy urządzenia o 100oC oraz redukcją masy silnika o 30%. Uzyskane wyniki pozwalają konkurować z innymi silnikami Halla tej klasy energetycznej oraz czynią urządzenie IFPiLM unikalne pod względem oferowanego impulsu właściwego.
 |
| Impuls właściwy w funkcji mocy wyładowania – porównanie silników KLIMT i HIKHET na tle innych silników Halla opisywanych w literaturze (dane dla kryptonu) |
Powiązane publikacje:
(1) J. Kurzyna, M. Jakubczak, A. Szelecka, A. Riazantsev (2019), Preliminary Tests of HIKHET Laboratory Model at IFPiLM, 36th International Electric Propulsion Conference, IEPC-2019-591.
(2) A. Szelecka, M. Jakubczak, A. Riazantsev, A. Jardin, P. Lubiński, J. Kurzyna (2021), Searching for chaotic behavior in the ion current waveforms of a Hall effect thruster, Space Propulsion Conference 2020+1, SP2020_#218.
(3) A. Szelecka, M. Jakubczak, A. Riazantsev, J. Kurzyna (2021), Study of plasma dynamics in HET relying on global thruster characteristics parameterized with discharge voltage, The European Physical Journal Plus 136:782, doi: 10.1140/epjp/s13360-021-01734-z.
(4) M. Jakubczak, J. Kurzyna, A. Riazantsev (2021). Experimental Verification of the Magnetic Field Topography inside a small Hall Thruster. Measurement Science Review 21, 5. doi: 10.2478/msr-2021-0021.
(5) A. Jardin, M. Jakubczak, A. Riazantsev, A. Jardin, J. Kurzyna, P. Lubiński (2022). Searching for Chaotic Behavior in the Ion Current Waveforms of a Hall Effect Thruster. Journal of Fusion Energy 41:20. doi: 10.1007/s10894-022-00331-x.
(6) M. Jakubczak, A. Riazantsev, A. Jardin, J. Kurzyna (2022). Experimental Optimization of Small Krypton Hall Thruster for Operation at High Voltage. 37th International Electric Propulsion Conference, IEPC-2022-360.
(7) A. Riazantsev, Z. Peradzyński, K. Makowski (2022). Parametric Study of Debye Sheath Emergence Using Kinetic Simulations. 37th International Electric Propulsion Conference, IEPC-2022-385.
(8) O. Cichorek, Z. Peradzyński (2025). High and low efficiency subregimes of breathing mode oscillations in Hall thrusters. Physics of Plasmas 32, 022113. doi: 10.1063/5.0232441.
Impulsowy napęd plazmowy do nano i mikro satelitów
NCBR/POIR umowa nr POIR.01.01.01-00-0857/19
Czas trwania: 01.04.2020 – 31.10.2023
Wraz z polskim przedsiębiorstwem Liftero Sp. z o.o. (wcześniej Progresja Space Sp. z o.o.), IFPiLM ponownie podjął udaną koncepcję silnika impulsowego zasilanego cieczą i rozwinął ją dalej w kierunku komercjalizacji. Zaprojektowany z myślą o nanosatelitach, cały napęd miał objętość zaledwie 0.5U (włącznie z elektroniką i zbiornikiem paliwa) i pobór mocy na poziomie 2 W. Wydajność ostatniej wersji to: impuls 18.8 μNs, impuls właściwy 410 s, sprawność silnika 3.5% (przy 1 J). Silnik z powodzeniem wykonał niemal 1,5 miliona wyładowań.
 |
| Silnik impulsowy w formacie 0.5U oraz zdjęcie jego wyładowania z długim czasem ekspozycji |
Powiązane publikacje:
(1) M. Jakubczak, A. Jardin, J. Kurzyna (2024). Analysis of composition and dynamics of the plasma plume emitted by a 1 J pulsed plasma thruster fed with polytetrafluoroethylene and determination of thruster efficiency components. Physics of Plasmas 31, 053501. doi: 10.1063/5.0189700.
(2) A. Riazantsev, M. Jakubczak, O. Cichorek, J. Kurzyna (2024) Side and front fast imaging of solid and liquid fed ablative pulsed plasma thruster’s discharge. Acta Astronautica 225, 583-594. doi: 10.1016/j.actaastro.2024.09.025.
(3) M. Jakubczak, A. Jardin, J. Kurzyna (2024) Plasma plume composition of a pulsed plasma thruster fed with perfluoropolyether, 38th International Electric Propulsion Conference, IEPC-2024-336.
(4) M. Jakubczak, A. Riazantsev, O. Cichorek, A. Jardin, J. Kurzyna, P. Drożdż, T. Palacz, M. Chuchla, R. Łabuz, G. Bywalec (2024) 1J-class Pulsed Plasma Thruster with Non-Volatile Propellant – Revisited. 38th International Electric Propulsion Conference, IEPC-2024-388.
(5) A. Riazantsev, M. Jakubczak, J. Kurzyna (2024) On Retrieval of Inductance and Resistance Dynamics from Experimental Waveforms of a 1 J-class PPT Discharge. 38th International Electric Propulsion Conference, IEPC-2024-797.
(6) M. Jakubczak, A. Riazantsev, O. Cichorek, A. Jardin, J. Kurzyna, P. Drożdż, T. Palacz, M. Chuchla, R. Łabuz, G. Bywalec (2025) Design and performance of a 1 J ablative pulsed plasma thruster fed with non-volatile liquid propellant. Acta Astronautica 228, 813-827. doi: 10.1016/j.actaastro.2024.12.039.
(7) M. Jakubczak, A. Jardin, J. Kurzyna (2025) Plume measurements of a 1 J ablative pulsed plasma thruster fed with non-volatile liquid propellant. Plasma Sources Science and Technology 34, 015010. doi: 10.1088/1361-6595/ada6fe.
