Как плазма поможет достичь высоких скоростей

Ученые-инженеры из Национального исследовательского ядерного университета МИФИ и инновационного предприятия «Спутниковые технологии и астроразработки» (СТАР) подготовили аванпроект электрических коллоидных ракетных двигателей типа «электроспрей». Они предназначены для малых космических аппаратов класса «наноспутники», включая формат «кубсат». Это платформа, в основе конструкции которой лежит типовой кубический модуль с 10-сантиметровыми гранями.

Как объяснили исследователи, разработка представляет собой силовую установку, в которой в качестве рабочего тела задействованы ионные жидкости. Это расплавы солей, состоящие из смеси положительных и отрицательных ионов. Они притягиваются друг к другу электростатическими силами, но не объединяются в замкнутую молекулу. При этом под воздействием сильного электрического поля ионы приобретают ускорение, вырываются и формируют реактивную струю.

— Разгон плазмы электричеством — наиболее эффективный способ ускорения рабочего тела до высоких скоростей. В отличие от традиционных двигателей, где скорость истечения реактивной струи ограничена энергией химической реакции, для плазменного потока такого потолка не существует. В результате силовые установки способны разгонять аппараты до 10–20 км/с и более. Такие скорости открывают новые горизонты для космических исследований, — рассказал «Известиям» главный конструктор проекта, старший преподаватель кафедры физики плазмы Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Игорь Егоров.

По его словам, в основу разработки заложены идеи, которые, будучи реализованы, позволят получить двигатель более эффективный, чем мировые аналоги. В частности, одна из задач — правильный выбор жидкости.

Например, поваренная соль (хлорид натрия) при нагревании до температуры плавления (около 800 °С) тоже превращается в ионную жидкость. Она состоит из заряженных частиц натрия и хлора. И ее можно применять в качестве рабочего тела для ракетных двигателей, но придется потратить много энергии на нагрев вещества. Поэтому на практике используют более сложные соединения, которые в условиях космоса уже будут находиться в жидком состоянии. Одна из задач проекта — определить такие составы и выбрать оптимальный, пояснил ученый. В частности, рабочая жидкость должна равномерно расходовать положительные и отрицательные ионы.

— С развитием новых технологий космос становится доступным не только крупным госструктурам, но и частному сектору, вузам и научным институтам. С их стороны наблюдается интерес к малым спутникам и двигателям к ним. Потребность российского рынка — порядка 70 таких устройств в год, — сообщил руководитель проекта, директор Центра космических исследований и технологий НИЯУ МИФИ, генеральный директор компании СТАР Евгений Стёпин.

Он добавил, что для проведения исследовательских и конструкторских работ проекта привлечены частные инвестиции. На первом этапе ученые намерены подтвердить заложенные в конструкцию двигателя-электроспрея параметры и создать лабораторный образец установки. Эти работы завершат в 2025-м, а в последующие годы команда предполагает выйти на серийное производство изделий.

— Электродвигатели на ионной жидкости позволяют значительно увеличивать скорость выброса рабочего тела. Это в разы повышает их возможности. В частности, расчеты показывают, что кубсату из 12 юнитов с коллоидным двигателем по силам перелететь с геостационарной околоземной (на высоте 36 тыс. км) на окололунную орбиту. Сейчас ракеты на геостационар запускают регулярно. Если попутно доставить туда небольшой аппарат, который сам доберется до окрестностей Луны, это значительно снизит стоимость таких миссий, — отметил Игорь Егоров.

По его мнению, себестоимость таких полетов будет стремиться к нулю. Между тем наноспутники могут помочь в подготовке экспедиций на Луну больших аппаратов. В частности, с помощью кубсатов специалисты могут изучить рельеф местности, где, предположительно, совершит посадку лунный модуль.

Что касается Марса, добавил ученый, то самостоятельно наноспутники туда не долетят. Однако если каким-либо образом доставить их к Красной планете, они смогут затормозить, используя двигатели на ионной жидкости, и маневрировать на марсианских орбитах, выполняя различные миссии.

Где применяются коллоидные двигатели

— Коллоидные двигатели могут обладать хорошими параметрами по удельному импульсу тяги (500–1500 с) и самому значению тяги (до 200 мкН/Вт). Также они используют доступные материалы в качестве рабочего тала. В связи с особенностями конструкции агрегаты можно изготавливать с помощью 3D-печати, — прокомментировал разработку генеральный директор научно-производственного предприятия «Звезда» Александр Сенкевич.

Основная сфера их применения — спутники нано- и пикомасштаба. Вместе с тем новые двигатели помогут решить проблему космического мусора, позволяя свести аппараты с орбиты в атмосферу по мере истечения их срока службы, добавил он.

— Силовые установки такого типа способны выдавать небольшие, но точные импульсы тяги с высокой эффективностью. Это позволяет, к примеру, корректировать орбиту спутника, сглаживать небольшие возмущения, вызванные солнечным давлением или остаточной атмосферой. Это важно для долговременных миссий, которые требуют стабильной и предсказуемой орбиты. Например, при изучении гравитационных волн или при работе в составе группы при наведении на одну и ту же область в глубоком космосе, — пояснил гендиректор компании RST Space, разработчик малых спутников и ракет-носителей сверхлегкого класса Виктор Булыбенко.

По его мнению, основная трудность, которую необходимо преодолеть конструкторам, — это обеспечение стабильной и надежной работы этих небольших двигателей, поскольку требуется точно формировать струю частиц, избегая, например, образования их крупных скоплениях на эмиттерах (излучателях).

Кроме того, такие силовые установки содержат источники высокого напряжения, а также ряд других важных элементов, которые должны выдерживать эксплуатацию в течение сотен и тысяч часов в условиях космоса. Вместе с тем, отметил эксперт, поскольку электроспреевые двигатели предполагают использовать как положительные, так и отрицательные ионы, нужна специальная ионная жидкость, которая примерно одинаково работает в разных полярностях. Плюс необходима надежная электроника для переключения полярностей.