В вечном движении
По прогнозам, к 2029 году рынок спутниковых систем вырастет в пять раз и каждый год будет запускаться около 1500 аппаратов. При этом 90% запусков будет приходиться на малые спутники весом до 500 кг.
Московский авиационный институт, являясь участником программы «Приоритет‑2030», реализует стратегический проект «Будущие аэрокосмические рынки — 2050». В рамках проекта в Научно-исследовательском институте прикладной механики и электродинамики (НИИ ПМЭ) МАИ создаются разработки, чрезвычайно актуальные в связи с развитием в мире услуг на основе спутниковых систем.
Двигатель для кубсатов
Одна из маёвских разработок — абляционный импульсный плазменный двигатель (АИПД) для кубсатов.
— Кубсаты — это малые спутники, состоящие из кубиков — юнитов, размером 10×10×10 см и весом до 1,3 кг. Большинство кубсатов сегодня не оснащается двигателями. Однако использование двигателей позволяет расширить их возможности,— рассказывает заместитель директора НИИ ПМЭ МАИ Александр Богатый.
Маёвский двигатель будет целесообразно применять для кубсатов, включающих в себя восемь и более юнитов. Он поможет повысить срок активного существования спутника с нескольких недель и месяцев до года и более. Кроме того, установка позволит поддерживать орбиты аппаратов в группировке.
По своим характеристикам двигатель, созданный в НИИ ПМЭ МАИ, опережает российские и зарубежные аналоги. В частности, его суммарный импульс тяги значи‑ тельно больше, чем у иностранных образцов. Это стало возможным благодаря конструктивным особенностям. Маёвский двигатель является единственным АИПД для кубсатов с рельсовой геометрией разрядного канала (пластины-электроды находятся по сторонам канала).
Аналогичные двигатели в России и за рубежом разрабатываются с коаксиальным разрядным каналом: два электрода размещены внутри и снаружи него. В них преобладает тепловой механизм ускорения рабочего тела, что вносит ограничение на скорость истечения.
— При рельсовой геометрии канала возможно запасти больше рабочего тела, чем при коаксиальном разрядном канале. Благодаря этому суммарный импульс тяги нашего двигателя может составлять до 3000 Н∙с, что в 1,5–2 раза больше, чем у аналогов,— говорит Александр Богатый.
Инженеры МАИ изготовили и испытали лабораторные модели узлов двигателя. Завершается проработка конструкции всей двигательной установки с учётом ограничений по габаритам. Испытания лабораторного образца планируется завершить до конца 2023 года.
28 тысяч часов
Специалисты НИИ ПМЭ МАИ также разработали высокочастотный ионный двигатель с электродами из углерод-углеродного композиционного материала. Это наиболее подходящий тип двигателя для низкоорбитальных малых космических аппаратов. Спутники малых орбит в диапазоне 36 от 250 до 300 км являются очень перспективными для космической отрасли. Работа на таких высотах значительно упрощает космические задачи, включая навигацию, дистанционное зондирование Земли и связь.
Однако остатки атмосферы тормозят космический аппарат, в результате чего он довольно быстро снижается. Срок активного существования низкоорбитальных спутников колеблется от нескольких дней до нескольких месяцев. Продлить работу аппаратов можно при помощи двигателей. Существующие жидкостные ракетные двигатели способны увеличить этот срок до года, однако в этом случае масса целевой аппаратуры на борту спутника будет стремиться к нулю.
Маёвская установка решает эту проблему. Расчётное время её работы составляет 28 тыс. часов (более трёх лет), при этом она обладает достаточной тягой, чтобы парировать сопротивление набегающего потока атмосферных газов.
Предполагается, что двигатель будет работать на ксеноне или криптоне. Специалисты НИИ ПМЭ МАИ выбрали в качестве материала электродов углерод-углеродный композит, благодаря чему удалось добиться устойчивости к эрозии.
Орбиты сверхнизких высот
Одна из наиболее перспективных разработок НИИ ПМЭ МАИ — это прямоточный высокочастотный ионный двигатель. Важное отличие от предыдущего изобретения — рабочее тело. Газ поступает не из баллона на борту аппарата, а прямо из остаточной атмосферы. По сути, этот двигатель способен самостоятельно добывать топливо из окружающей среды и работать без перерыва до выхода из строя конструктивных элементов.
— Мы намерены использовать остатки атмосферы, которые есть на низких орбитах. Для этого нужно захватывать набегающий на спутник поток газов, сжимать и подавать в двигатель, где газы будут превращаться в плазму под воздействием электрической энергии, получаемой с солнечных панелей. Воздействуя на плазму электрическими полями, можно ускорять ионы и таким образом получать реактивную тягу,— объясняет Александр Богатый.
Такой принцип работы позволяет экономить на ксеноне, высокая стоимость которого препятствует развертыванию обширной группировки спутников. Более того, аппарат станет легче, потому что ему не понадобится баллон с ксеноном, а следовательно, он сможет нести больше полезных приборов на борту.
Стоимость разрабатываемой установки будет держаться на уровне широко используемых в настоящее время в спутниках ионных двигателей. При этом маёвская установка может быть готова в ближайшие пять-семь лет.
Проводимые в НИИ ПМЭ МАИ работы особенно актуальны сейчас, когда, согласно поручению Президента России, необходимо рассмотреть возможность освоения орбит масштаба 200 км. Новейшие отечественные двигатели способны обеспечить технологический прорыв в этом направлении и дать стране возможности для запуска обширных орбитальных группировок и формирования нового рынка коммерчески востребованных услуг и сервисов на их базе.
Иван Носатов
