Стремление к минимализму

Инженеры из Московского авиационного института (МАИ) разработали двигатель для космических аппаратов формата кубсат (CubeSat). Так называют искусственные спутники Земли, состоящие из одного или нескольких кубиков с габаритами 10 х 10 х 10 см при массе одного элемента не более 1,33 кг.

По своим характеристикам двигатель не имеет аналогов среди отечественных и иностранных разработок. Его суммарный импульс тяги (то, какое количество топлива нужно задействовать для достижения определенной скорости) превышает показатели других моторных устройств этого типа в десятки раз. Чем это значение больше, тем выше эффективность работы двигателя.

Сейчас на кубсаты двигатели практически не ставят — аппараты для этого слишком малы, а их источники энергии достаточно маломощны. Поэтому их просто выводят на орбиту на носителях, отпуская в свободное плавание. Однако наличие двигателя позволит значительно расширить области применения этих спутников и их длительность пребывания на орбите.

— Из-за наличия остаточной атмосферы на низких околоземных орбитах космические аппараты постепенно теряют высоту. Двигатель же позволяет скомпенсировать это, — сообщил инженер Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики (НИИ ПМЭ) МАИ Святослав Гордеев. — Он повысит срок активного существования малых космических аппаратов от нескольких месяцев до нескольких лет. Также он даст возможность изменять высоту орбиты в небольших пределах и управлять положением аппарата в группировке.

В новой конфигурации

Абляционные импульсные плазменные двигатели (АИПД), которые и взяли за основу разработчики, имеют относительно простую конструкцию, подходящую для малых космических аппаратов, однако им не хватает тяги. Инженеры из МАИ решили эту проблему. Обычно АИПД состоит из двух «трубочек», вставленных одна в другую. Это катод и анод, между ними располагается твердое рабочее тело, вещество под названием фторопласт. При подаче напряжения на устройство между катодом и анодом происходит искровой разряд, превращающий тонкий слой поверхности твердого рабочего вещества в плазму, которая с большой скоростью вылетает из двигателя, создавая тягу.

Проблема в том, что в такой конструкции скорость истечения плазмы, от которой зависит суммарный импульс тяги двигателя, сильно ограничена, как и запасы твердого рабочего вещества. В МАИ использовали иную конструкцию двигателя, при которой электроды выполнены в виде пластин, расположенных друг напротив друга, а твердое вещество — фторопласт — подается с боковых сторон между электродами. Такие конструктивные особенности позволили создать систему подачи твердого рабочего вещества и, таким образом, повысить суммарный импульс тяги в десятки раз.

— Суммарный импульс тяги нашего двигателя составляет 300 Ньютон (Н), умноженных на секунду (с), против 3,4 Н*с у одного из известных зарубежных аналогов, — заявил Святослав Гордеев. — Наш двигатель немного больше по объему, но у него выше и мощность. Но даже если привести разработанный нами и зарубежный двигатель к одной массе, окажется, что у нашего суммарный импульс всё равно существенно выше.

Разборки с мусором

Эксперты по достоинству оценили разработку инженеров и пожелали успехов в исполнении проекта.

— На мой взгляд, это очень перспективный двигатель, который в первую очередь поможет увеличить срок службы кубсатов, — считает ведущий инженер-исследователь корпорации «Российские космические системы» Мария Баркова. — Основными недостатками данных спутников являются маленький запас топлива и, как правильно выявили проблему авторы разработки, низкая тяга. Кубсаты имеют различного рода двигатели — от ионных до устройств на холодном газе.

В США в прошлом году был испытан двигатель с тягой 139 Н*с, так что двигатель, представленный инженерами МАИ, более чем в два раза превосходит зарубежный образец, добавил Мария Баркова.

Генеральный директор компании «Спутникс», эксперт рабочей группы НТИ «Аэронет» Владислав Иваненко отметил, что оснащенные двигателями наноспутники будут способны самостоятельно удерживать свое положение на орбите, с их помощью космические аппараты могут занять и затем эффективно длительное время поддерживать необходимые позиции.

— Еще одна важная проблема, которую поможет решить новый плазменный двигатель, — проблема космического мусора, — добавил Владислав Иваненко. — Обычно наноспутники могут оставаться на орбите более десяти лет после завершения своей эксплуатации, прежде чем торможение о верхние слои атмосферы очистит от них околоземное пространство. Оснащенные двигателями наноспутники могут в конце своей жизни самостоятельно снизить высоту орбиты, тем самым в два-три раза сократив время до сгорания в верхних слоях атмосферы.

Специалисты уже изготовили и успешно испытали лабораторную модель узлов двигателя. Сейчас они ведут проработку конструкции всей двигательной установки с учетом ограничений по габаритам. Испытания двигательной установки планируют провести в 2023 году.