«Отказаться от IT невозможно»: как технологии меняют производство электроракетных двигателей
Насколько перспективным направлением считается производство электроракетных двигателей? Какие IT-технологии используют при этом и какие возможности открываются перед учёными с развитием цифровизации? Своим мнением поделился замдиректора Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ Александр Богатый.
Электроракетный двигатель на смену химическому
Принцип работы традиционных химических ракетных двигателей основан на реакции между топливом и окислителем. Это позволяет создать большую тягу, но приводит к быстрому расходу топлива, а также существенно увеличивает массу космического аппарата.
Электроракетные двигатели — устройства, которые используют электрическую энергию для генерации тяги. По сравнению с химическими ракетными двигателями ЭРД создают на порядки меньшую тягу, но позволяют кратно снизить расход топлива. Это важное преимущество в дальних космических миссиях, где экономия ресурсов имеет решающее значение.
Разработкой и экспериментами с ЭРД исследователи занялись в середине XX века. В результате был созданы электроракетные двигатели, различающиеся по принципу создания тяги. Например, ионный двигатель создаёт тягу за счёт ускорения ионов электрическим полем, а в импульсном плазменном двигателе тяга создаётся силой Ампера. Но их объединяет одна особенность — превращение в плазму рабочего тела (им может быть аргон, ксенон или другой газ).
14 декабря 1964 года первый в мире ЭРД — импульсный плазменный двигатель, разработанный в НИЦ «Курчатовский институт», начал функционировать в космосе в составе аппарата «Зонд-2». А в 1972 году ЭРД нового поколения — стационарный плазменный двигатель, созданный в НИЦ «Курчатовский институт» и ОКБ «Факел», — был установлен на борту аппарата «Метеор».
С тех пор процесс создания ЭРД набрал обороты и в России, и в мире. Появились плазменные двигатели, электростатические и электромагнитные. Уточним, что предпочтение тому или иному типу двигателя отдаётся в зависимости от цели космической миссии и требований к космическому аппарату: ионные двигатели подходят для межпланетных миссий, а плазменные — для околоземных орбит.
Тренды в исследованиях ЭРД
По словам замдиректора НИИ ПМЭ МАИ Александра Богатого, актуальной задачей для современных исследователей стала разработка мощных электроракетных двигателей, способных создавать более высокую тягу. Благодаря освоению новых материалов и технологий становится возможным создавать более эффективные, надёжные двигатели, которые могут работать тысячи часов. Ещё одно востребованное направление — миниатюризация. А в рамках перехода к серийному производству проводится технологическая оптимизация конструкций.
И для учёных, и для государства тема производства и применения электроракетных двигателей в космосе очень актуальна. Мы уже говорили о большом внимании к производству ядерного буксира «Зевс». По словам экспертов, буксир, или транспортно-энергетический модуль, будет ориентирован на преодоление больших расстояний: только 100 суток понадобятся на разгон и торможение, но чем дальше находится планета, тем выгоднее его использование.
По оптимистичному плану первая миссия «Зевса» начнётся в 2030 году и продлится 50 месяцев. При этом выводить на орбиту его планируют по частям: модуль соберут уже в космосе и отправят в сторону Юпитера.
Тенденции и перспективы цифровых технологий в ЭРД
С развитием искусственного интеллекта цифровые технологии играют всё более важную роль в создании и управлении ЭРД. Например, составные части ядерного буксира «Зевс» разрабатываются с широким применением IT, включая моделирование процессов, происходящих в двигателе.
— Важная тенденция — замена испытаний расчётами. Это требует больших вычислительных мощностей. Используемые мощные компьютеры позволят учёным экономить время на испытаниях, перенеся их в среду компьютерного моделирования, — отмечает Александр Богатый.
Компьютерное моделирование останется одним из основных направлений и в будущем. Оно подразумевает использование цифровых технологий для создания детализированных компонентов ЭРД и предсказания поведения двигателя в различных ситуациях. Исследователи активно прорабатывают модели симуляции, изучают динамику работы изделий и в будущем планируют внедрить данные технологии в производственные процессы.
Однако исследователи ещё не отказались от натурных испытаний в пользу математических расчётов. Подход, включающий в себя оба этих процесса, помогает избежать множества ошибок.
— Математическая модель обязательно проходит верификацию. Учёные проводят испытания и сравнивают их результаты с результатами расчётов. Потом модель корректируют, проверяют и доводят до состояния, когда данные совпадают настолько, чтобы расчётам можно было верить. Среди преимуществ такого подхода — экономия средств и времени при создании аналогичных изделий. Адаптировать созданную математическую модель для нового изделия и использовать её в расчётах гораздо быстрее и дешевле, чем создать новый макет и испытать его. Отказаться от IT в этом процессе уже невозможно, — уточняет эксперт.
Другим важным аспектом является сбор и анализ данных для мониторинга и проведения испытаний. С помощью цифровых инструментов разработчики могут отслеживать состояние запущенных в космос двигателей, вести техническое обслуживание, выявлять слабые места и следить за сроками годности. У каждого изделия они разные: аппарат может проработать полгода, год, пять-семь лет. Большие, тяжёлые аппараты — 15 лет. Это обусловлено задачами и количеством пусков, под которые рассчитывается длительность существования изделия.
Перспективные направления в IT-технологиях для ЭРД способствуют повышению эффективности, срока службы и надёжности двигателей. В будущем удастся расширить возможности космических исследований и межпланетных перелётов, а также сократить затраты на космические миссии.
Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России
