Лаборатория высокочастотных ионных двигателей МАИ (ВЧ ИД МАИ) под руководством профессора Хорста Лёба создана для научных исследований и разработок по направлению «Исследования и разработка космических высоко-импульсных высокочастотных электроракетных ионных двигателей». Программа работ лаборатории имеет целью исследование и создание электрических ракетных двигателей (ЭРД) нового поколения высокочастотных ионных двигателей (ВЧИД), восстановлению технологий их создания в России. Эти двигатели позволят повысить эффективность функционирования космических аппаратов (КА) нового поколения и обеспечить выполнение этими КА программ на качественно новом уровне.

1. Лаборатория «Исследования и
разработка космических
высокоимпульсных высокочастотных
плазмодинамических электроракетных
ионных двигателей»
Московский авиационный институт
(национальный исследовательский университет)

2. Создание лаборатории
 9 апреля 2010 года. Постановление Правительства
Российской Федерации № 220 «О мерах по привлечению
ведущих ученых в российские образовательные учреждения
высшего профессионального образования»
 29 октября 2010 года . Решение Совета по грантам
Правительства Российской Федерации о включении МАИ в
список победителей конкурса и выделении МАИ гранта
Правительства Российской Федерации
 15 ноября 2010 года . Приказ ректора МАИ № 415 об
организации на базе НИИ ПМЭ МАИ и кафедры 208 МАИ
лаборатории «Исследования и разработка космических
высокоимпульсных высокочастотных плазмодинамических
электроракетных ионных двигателей»
 25 ноября 2010 года. Заключение трехстороннего
Договора № 11.G34.31.0022 между Министерством
образования и науки Российской Федерации, МАИ и Х.В.
Лебом о государственной поддержке проводимых в МАИ
НИР по разработке ВЧ ИД следующего поколения
 Срок действия Договора: 2010-2012 гг

3. Руководитель лаборатории
Хорст Вольфганг Лёб
(Horst Wolfgang Loeb) –
профессор Первого
института физики
Гиссенского университета
имени Юстуса Либиха
(Justus-Liebig-Universität, I.
Physikalisches Institut) – один
из пионеров ЭРД, создатель
ионных двигателей с ВЧ
разрядом (ВЧИД)
космических аппаратов,
ионно-плазменных
технологических источников,
а также инжекторов быстрых
атомов, предназначенных
для термоядерных
исследований

4. Задачи лаборатории
Работа лаборатории имеет целью создание высокочастотных
ионных двигателей (ВЧИД), ранее не исследовавшихся в России при
преимущественном использовании российской технологии .
Для достижения данной цели должны быть решены следующие
задачи:
• создание экспериментального комплекса для исследования и
испытаний ИД на мировом уровне,
• формирование научного коллектива с приоритетом на омоложение
штатного состава,
• выполнение конкретных поисковых и прикладных исследований в
области ВЧИД и их применений в интересах космической отрасли,
• разработка и апробация технологии производства критических
элементов конструкции ВЧИД,
• обучение студентов и аспирантов современным методам
исследований в ходе самостоятельной научной работы, проведение
текущих и преддипломной практик студентов.
По окончании гранта лаборатория в рамках МАИ должна обеспечить
самофинансирование своей дальнейшей деятельности.

5. Штатный состав
 до 30 лет – 15 человек
 30…40 лет – 3 человека
 40…50 лет – 5 человек
 свыше 50 лет – 19 человек

6. Направление работ (1)
Электрофизические исследования ионно-
плазменных процессов:
• Разработка физико-математических моделей
индукционного ВЧ разряда, включая систему ввода ВЧ
мощности, и проведение численного моделирования,
• Разработка математических моделей и программного
обеспечения для проведения численного моделирования
ионно-оптических систем,
• Разработка диагностического комплекса и методик
исследования рабочих процессов в газоразрядной камере и
плазменной струе ВЧИД,
• Разработка методик и проведение исследований по
определению радиофизических характеристик ВЧ разряда и
плазменной струи ВЧИД

7. Направление работ (2)
Физико-технические основы проектирования:
• Разработка тепловых моделей на базе программного
комплекса ANSIS и проведение тепловых расчетов,
• Разработка динамических и прочностных моделей ВЧИД и его
основных узлов на базе программного комплекса ANSIS,
проведение численного моделирования,
• Определение проектных характеристик ВЧИД различной
размерности и мощности,
• Разработка конструкций лабораторных моделей ВЧИД
различной размерности и мощности,
• Определение перспектив использования и освоение новых
технологий и материалов в конструкции ВЧИД,
• Разработка технических заданий на разработку
отечественных технологий производства критических
элементов конструкции ВЧИД и апробация технологий.

8. Направление работ (3)
Модернизация и создание экспериментальных стендов:
• Выполнение проектных работ по модернизации стендовой базы,
• Оснащение вакуумных камер современным «безмасляным»
вакуумным оборудованием,
• Оснащение вакуумных камер современным диагностическим
оборудованием для измерений:
 интегральных характеристик двигателей,
локально-временных распределений параметров плазмы в
камере ионизации и в плазменной струе двигателей,
 температурных распределений в элементах двигателей,
 измерений геометрических параметров элементов двигателей в
ходе испытаний,
 определение собственного электромагнитного излучения
плазмы ВЧ разряда и плазменной струи ВЧИД.

9. Направление работ (4)
Проектно-баллистический анализ перспективных миссий:
• разработка программного комплекса для проведения
проектно-баллистического анализа эффективности
применения и оптимизации схем миссий с
использованием ВЧИД,
• применение ВЧИД средней мощности (2-2,5 кВт) в
системах коррекции орбиты КА,
• применение ВЧИД средней мощности (до 5 кВт) в
околоземных и гелиоцентрических транспортных
операциях,
• применение ВЧИД большой мощности в составе
транспортно-энергетических модулей с ядерной
энергодвигательной установкой для полетов в ближнем
и дальнем космосе.

10. Направление работ (5)
Освоение современных технологий:
• Освоение современных технологий производства
основных элементов конструкции ВЧИД на основе
композитных, тугоплавких и керамических материалов:
 изготовление элементов конструкции и лабораторных
образцов ВЧИД размерности 150-200 мм мощностью до
5 кВт,
 изготовление элементов конструкции и лабораторных
образцов ВЧИД размерности до 500 мм мощностью до
35 кВт,
• Апробация разрабатываемых технологий при
испытаниях лабораторных образцов ВЧИД разной
размерности.

11. Экспериментальная база
Лаборатория ВЧ ИД располагает тремя экспериментальными
стендами:
• 2ИУ-2В для испытаний ВЧ ИД мощностью 1.5…4 кВт,
• 2ИУ-3В для отработки зондовых и других методик измерения
параметров плазмы ВЧ разряда источников ионов с
мощностью пучка ионов до 0.7 кВт,
• У-2В для исследований и испытаний ВЧ ИД мощностью 5…35
кВт, включая диагностику электромагнитного излучения
двигателей от 1 МГц до 20 ГГц
Стенды оснащены специализированными системами:
• электропитания,
• контроля параметров интегральных характеристик
двигателей,
• исследования электромагнитного излучения,
• определения распределения локальных параметров
плазменной струи.

12. Стенд 2ИУ-3В
 Объем вакуумной
камеры – 0.7 м2
 Динамический вакуум –
1…2×10-5 мм рт. ст. при
расходе 0.65 мг/с
 Скорость откачки –
8400 л/с

13. Стенд 2ИУ-3В. Диагностика
Средства диагностики:
• зонды Ленгмюра
• зонды Фарадея
• энергоанализатор
• масспектрометр MKS Vision 2000-B
• однокоординатная система для перемещения зонда со
скоростью до 10 мм/с при точности позиционирования 0.3 мм
• система подачи газа фирмы MKS (2 канала 0…10…50
нсм3/мин)
• система сбора и обработки информации на базе SCXI и PXI
фирмы National Instruments до 64 высокоскоростных каналов
ввода и вывода информации
• специализированные блоки электропитания до 0.5 А и 4.5 кВ
• генератор ВЧ мощности 0…1000 Вт частота 1.7…2.2 МГц

14. Стенд 2ИУ-2В
 Объем вакуумной камеры –
3 м2,
 Динамический вакуум - 1…
2×10-5 Торр. при расходе до
3.0 мг/с ксенона,
 Скорость откачки –
18000×3+2200×2=58400 л/с

15. Стенд 2ИУ-2В.
Средства диагностики:
• зонды Ленгмюра
• зонды Фарадея
• энергоанализатор
• масспектрометр MKS Vision 2000-B
• трехкоординатная система перемещения зондов до 700 мм от
среза двигателя
• тягоизмерительное устройство 1…200 мН с точностью до 0.2 %
• система подачи газа фирмы MKS (4 канала 0…10…50 Н×см3/мин)
• система сбора и обработки информации на базе SCXI и PXI
фирмы National Instruments до 64 высокоскоростных каналов ввода
и вывода информации
• специализированные блоки электропитания до 1 А и 4.5 кВ, до 10
А и 600 В
• источники питания (компьютерные) KeiTheley (0…1000 B, 0…100
мА)
• генератор ВЧ мощности 0…600 Вт частота 1.6…1.8 МГц

16. Стенд У2В
•Диаметр – 2 м
•Длина рабочей части – 6 м
•Объем – 20 м3
•Предельное разряжение –
1×10-7 Торр.
•Динамический вакуум –
(1…2)×10-5 Торр.
•Скорость откачки – до 235
тыс. л/с
•Мощность испытываемых
двигателей:
-ионные – до 50 кВт,
- стационарные плазменные
– до 25 кВт
Стенд является уникальным для исследования и испытаний ЭРД в России
и соответствует международным требованиям

17. Стенд У2В
Средства диагностики:
• Система электропитания и измерения электрических параметров
двигателей,
• Система питания двигателей рабочими газами,
• Система измерения тяги двигателей,
• Система измерения расходов рабочих газов,
• Автоматизированная система регистрации параметров двигателя в
реальном масштабе времени,
• Система измерения пространственных распределений параметров
плазмы в струе двигателей (расходимость, энергетические
характеристики ионов),
• Отсек с диэлектрической вакуумной камерой для измерений по
проблеме ЭМС
• Средства измерения и анализа характеристик собственного
электромагнитного излучения двигателей

18. Достигнутые результаты (1)
• Создана экспериментальная база для исследования рабочих
процессов и испытаний ЭРД, соответствующая мировому уровню,
• Созданы лабораторные образцы ВЧИД размерности 100, 150 и 200
мм,
• Сформулированы требования по новым технологиям для
производства критических элементов конструкции ВЧИД,
• Изготовлены образцы элементов конструкции ВЧИД по новым
технологиям и начата апробация образцов в составе лабораторных
моделей ВЧИД,
• Рассмотрены условия эффективного ввода ВЧ мощности в разряд,
созданы лабораторные образцы ВЧ генераторов и элементов
системы согласования,
• Разработаны физические и математические модели для численного
моделирования на этапах проектирования и конструирования ВЧИД:
- модель индукционного ВЧ разряда,
- модель ионно-оптической системы,
- тепловая модель двигателя,
- термомеханическая модель двигателя,
- динамическая модель двигателя

19. Достигнутые результаты (2)
Результаты лаборатории использованы и внедрены в ОКР и НИР,
выполненных по заданию промышленности:
1. Эскизный проект по ОКР «Интергелио-Зонд» в части «Проектно-баллистический анализ КА
с ЭРДУ», «Тяговый модуль RIT-22» и «Воздействие ЭРД на элементы конструкции и
бортовые радиосистемы КА».
Заказчик: НПО им. С.А. Лавочкина, объем 10 млн. руб., 2011 г.
2. Эскизный проект по ОКР «Модуль ЭРДБ для ТЭМ с ЯЭУ» (Президентская программа).
Заказчик: ИЦ Келдыша, объем 2 млн. руб. в 2011, 2012 г.г.
3. НИР «Двигатель ТМ»:
2011 г.: «Экспериментальное исследование характеристик системы электромагнитного
нагрева и ионизации плазмы высокочастотного ионного двигателя». Заказчик: ИЦ Келдыша,
объем 1,5 млн. руб.
2012 г.: «Разработка и исследование лабораторных моделей ВЧ ИД мощностью до 4 кВт».
Заказчик: ИЦ Келдыша, объем 1,5 млн. руб.
4. НИР «МАИ 2011 (Траектория)» «Баллистический анализ схем межпланетных перелетов в
рамках программы освоения Луны и Марса».
Заказчик: ЦНИИмаш, объем 1 млн. руб., 2011 г.
5. НИР «ЯЭРДУ-РАН» « Проектно-баллистический анализ межпланетных перелетов КА с
ЯЭРДУ повышенной мощности с использованием гравитационного маневра»
Заказчик: ЦНИИмаш, объем 1,45 млн. руб., 2011- 2012 гг.
В связи с большой заинтересованностью использования стендовой базы
лаборатории промышленность целевым образом инвестировала в ее создание
29 млн. руб. в 2011 и 2012 гг., что открывает хорошие перспективы
коммерциализации проекта.

20. Создание НТП
Физика и техника ВЧИД Лабораторные модели двигателей
 Научно-технические отчеты - 3 ВЧ ионная установка на
 ВЧИД-10
 Выступления на конференциях – 62 базе источника RIM-20
 Публикации в рецензируемых и  Четыре варианта ГРК HFIS-20 совместно с
Университетом г. Гиссен
иностранных журналах – 24  Три варианта ИОС
 ВЧИД-45
 ВЧИД-15
Технология изготовления узлов  Разработка
ВЧИД  Подтверждение
документации,
изготовление
двигательных
лабораторных
характеристик
 Технология изготовления образцов
углеродных электродов
 Технология изготовления Использование результатов в интересах
керамических ГРК промышленности
 Разработка стендового
электротехнического  Участие в 2 ОКР и 4 НИР с общим
оборудования объемом выполненных работ 17,45
 Разработка ВЧ генераторов для млн. руб.
эксплуатации в составе  Целевые инвестиции в базу 29 млн.
двигательного модуля в космосе руб.

21. Лабораторные образцы ВЧ ИД
 Разработаны лабораторные модели
ВЧИД-10 и ВЧИД-15
– Тяга 10…30 мН
– Удельный импульс 30…36 км/с
– Тяговый КПД до 0.77

22. Разработка ВЧИД-45
1. Кожух
2. Корпус ИОС
3. Корпус ГРК
4. Индуктор
5. Опорный фланец
6. Газораспределитель
7. Узел подачи ксенона
8. ВЧ токопроводы
индуктора
9. Клемма токоподвода
эмиссионного
электрода
Мощность 35 кВт
10. Клемма токоподвода
ускоряющего Удельный импульс тяги 7000 с
электрода
11. Держатель индуктора Тяга 0,7 Н
Ресурс 50000 час

23. Тепловая модель двигателя ВЧИД-
45
Расчетная модель Температурное поле на
номинальном режиме работы
двигателя

24. Расчетная модель ИОС
Расчет потока ионов перезарядки
Расчет первичного пучка ионов из плазменной струи
Расчет эрозии ускоряющего Расчет потока ионов
электрода перезарядки из объема пучка

25. Термомеханическая модель
Расчетная схема
Конструкция узла ИОС
Dw(0), мм
1,6
1,4
Расчет температурной
1,2
1
поводки профилированного
0,8
0,6
эмиссионного электрода по 0,4
отношению к начальному
0,2
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45
прогибу Рисунок 1.4.3.6 - Зависимость дополнительного прогиба у неравномерно нагретого по
w0(0), мм
радиусу эмиссионного электрода ЭЭ-45-57 по отношению к начальному технологическому
прогибу исходного перфорированного сферического сегмента

26. Результаты проектно-баллистического анализа
1.50
1.25
применения ВЧИД RIT-22 в проекте «Интергелио-Зонд»
1.25
1.00
1.00
Окно запуска
1.50
0.75
Departure
0.75
Ноябрь 2018 – Январь 2019
(ЗВВВВ, RIT-22) 0.50
1.25
0.50
0.25
1.00
0.25
0.00
-1.50 -1.25 -1.00 -0.75 0.75
-0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75
0.00
-1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 -0.25
0.50
-0.25
Earth GAM-1 -0.50
Venus GAM-2 0.25
Venus GAM-3
-0.50
Venus GAM-4 -0.75
Venus GAM-5 0.00
-0.75 -1.50 -1.25 -1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
-1.00
-0.25
-1.00
-1.25
t0 = 06.12.2018 (26.11.2018-05.01.2019), V∞0 = 2900 м/с
-0.50
-1.25
m0 = 1646.5 кг, mf = 1521 кг (1517-1522 кг)
-1.50
-0.75
Потребление ксенона 124-129 кг
-1.50
t, сутки t, года rp, RS i, град Период, дни
Наработка RIT-22 10500 часов 515.83 1.412 63.570 7.68
-1.00 168.523 (4:3)
1189.92 3.258 88.530 13.46 224.699 (1:1)
Полезная нагрузка 278 кг (22.8%) 1414.62 3.873 99.577 21.22
-1.25
224.697 (1:1)
1639.32 4.488 104.452 27.15 199.589

27. Проект пилотируемой экспедиции на Марс
Транспортные задачи ТМ с ЯЭУ
• Тяжелая автоматическая межпланетная
станция (перелет к небесным телам
Солнечной системы, включая большие
планеты, их естественные спутники,
астероиды, кометы, койпероиды и т.д.)
«Минимальная марсианская миссия: • Использование ионного пучка для
Мощность 4 МВт транспортировки (смещения)
2,5 года «туда-обратно» неориентированных объектов – Ion Beam
6 космонавтов Sheperd (IBS) – противодействие
Масса на старте 215 тонн (ксенон 72 тонны) астероидной угрозе, увод космического
мусора
• Поддержание «некеплеровских» орбит
Транспортные задачи ТМ с ЯЭУ (смещение относительно точки стояния
• Выведение на высокие орбиты на ГСО по радиали или бинормали,
(ГСО), искусственные точки либрации в задаче
• Многоразовый межорбитальный трех тел и т.д.)
буксир,
• Многоразовый лунный буксир ,
Drawing: A. Mogulkin
• Грузовое обеспечение
марсианской пилотируемой
программы,

28. Подготовка молодых специалистов и
публикации
• Стажировка в Первом институте физики Гиссенского
университета имени Юстуса Либиха – 8 человек
• Инженерная и научно-техническая подготовка на базе МАИ -
20 человек
• Участие в проведении научных исследований в рамках НИР
и ОКР под руководством ведущих ученых с мировым именем
• Публикации работ молодых специалистов и представление
результатов работы:
- на международных конференциях - 23
- на всероссийских конференциях - 4
- в научных журналах:
- Российских - 8
- Иностранных - 2
Публикации сотрудников лаборатории:
•Статьи в реферируемых и иностранных журналах – 24
•Доклады на всероссийских и международных конференциях-62

29. Организация научных мероприятий
• Организация IV Российско-германской конференции по
электрическим ракетным двигателям и их технологическому
применению «Электрические ракетные двигатели. Новые вызовы».
97 участников, 35 иностранцев, представительство Роскосмоса,
ESA , DLR, JAXA ,
• Организация специализированных секций по ВЧ ИД в рамках
международных конференций «Авиация и космонавтика» в 2011 (12
докладов) и 2012 годах,
• Проведение лекций профессора Х.В. Лёба на межотраслевых
семинарах в МАИ, ИЦ Келдыша, а также лекций для студентов,
• Организация постоянно действующего семинаров по ВЧ ИД.

30. Продукты интеллектуальной
собственности
1. Патент на полезную модель № 107769 «Испытательный стенд». Заявка
2011115145. Приоритет от 19.04.2011. Важенин Н.А., Плохих А.П., Попов Г.А.,
Козлов В.И., Арбатский В.М. Зарегистрировано 27.08.2011
2. Патент на полезную модель № 116273 «Источник ионов». Заявка 2011148979.
Приоритет от 02.12.2011. Балашов В.В., Могулкин А.И., Нигматзянов В.В., Обухов
В.А., Смирнова М.Е., Хартов С.А. Зарегистрировано 20.05.2012
3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №
2010616183 «Программа для расчета многовитковых траекторий межорбитального
перелета с малой тягой с параметрическим или квазиоптимальным управлением».
Заявка 2010614343. Приоритет от 20.07.2010. Петухов В.Г. Зарегистрировано
20.09.2010
4. «Испытательный стенд». Заявка 2012128673. Дата подачи 10.07.2012. Козлов
В.И., Леб Х.В., Обухов В.А., Плохих А.П., Попов Г.А.
5. «Испытательный стенд». Заявка 2012140687. Дата поступления 24.09.2012.
Арбатский В.М., Важенин Н.А., Козлов В.И., Плохих А.П., Попов Г.А.
6. «Программа для физико-математического моделирования многоканального
набивного полого катода, работающего в дуговом режиме с прокачкой инертного
газа». Заявка 2012617803. Дата подачи 18.09.2012. Черкасова М.В.