Какие газы могут «разгонять» спутники

Специалисты МАИ совместно с учеными из МФТИ создали плазменный двигатель малой мощности, который работает на криптоне. Агрегат предназначен для высокоточного управления спутниками на низких околоземных орбитах.

Как рассказали разработчики, силовая установка даст возможность выполнять маневры по поддержанию орбитальной высоты, уходить от столкновений с космическим мусором и контролируемо сводить аппарат с орбиты в конце его срока службы. После начала эксплуатации в космосе двигатель сможет работать до семи лет. Его ресурс рассчитан на многократное включение, выключение и создание тяги в течение не менее 7,5 тыс. часов.

— Разработка будет первой в России двигательной установкой малой мощности, специально созданной для использования криптона в качестве топлива. Конструкция спроектирована с расчетом на серийное производство, что должно обеспечить относительно невысокую стоимость, — сообщил руководитель проекта, замдиректора по развитию Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ Александр Богатый.

По его словам, в основе разработки — плазменный двигатель на эффекте Холла. В нем электрическое поле ускоряет ионы газа, создавая реактивную тягу. Главное преимущество таких систем — возможность развивать высокие скорости при сравнительно небольшом расходе рабочего вещества. Традиционно в качестве рабочего тела для таких двигателей используется ксенон — благородный газ, который легко ионизируется и обеспечивает высокую эффективность тяги. Однако его применение ограничено высокой стоимостью и дефицитом: мировое производство ксенона составляет лишь несколько десятков тонн в год.

Как криптон может заменить ксенон в космических двигателях

Криптон — доступная альтернатива, его получают в больших объемах, при этом он дешевле в 5–10 раз, пояснил ученый. Экономия на стоимости рабочего вещества делает проект привлекательным для коммерческих и государственных низкоорбитальных группировок. Сейчас в России подобные двигатели работают только на ксеноне.

При этом переход на криптон в двигателях с малой мощностью — технически непростая задача, отметил Александр Богатый. У этого газа выше энергия ионизации, поэтому его труднее превратить в плазму. Кроме того, при уменьшении размеров установки сложнее обеспечить приемлемую тяговую эффективность.

— Ранее работы по созданию двигателей с низким энергопотреблением на криптоне в нашей стране не вели из-за доступности более дорогого, но и более эффективного ксенона. Тем не менее потребность в создании дешевых многоспутниковых группировок заставила разработчиков искать новые решения, — добавил ученый.

По его словам, подобные двигатели уже применяются в мировой космической отрасли. В частности, их выпускают компании Busek и Astra, а используются они в системах управления движением спутников группировки Starlink. В России также накоплен значительный научно-технический задел в этой области, что позволило перейти от фундаментальных исследований к разработке опытных образцов.

— Это еще одна ступень в освоении космоса. Она позволяет сделать двигательные установки для многоспутниковых группировок малых космических аппаратов доступными, — подчеркнул Александр Богатый.

Сейчас в МАИ изготавливают прототип установки и одновременно испытывают отдельные узлы и конструкции. Работы начали в 2025 году. Параллельно инженеры создают системы управления, электропитания, хранения и подачи криптона. Проект реализуют в рамках объявленного президентом РФ Десятилетия науки и технологий.

Альтернативные виды топлива для космических аппаратов

— Разработка плазменных двигателей с использованием рабочего тела криптон крайне актуальна. В 2023 году в ОКБ «Факел» испытали такой тип двигателя большой мощности. Проект МАИ позволяет применить подобные технологии для малых аппаратов, — прокомментировал «Известиям» директор Инжинирингового центра Самарского университета им. С.П. Королева Иван Зубрилин.

Выбор ксенона или криптона определяется в зависимости от задач миссии — дешевое рабочее тело, но более энергоемкая, тяжелая система ионизации, или наоборот. В общем случае электрические ракетные двигатели подходят, если есть запас времени. Например, полгода, чтобы вывести спутник на орбиту. Для динамичных решений целесообразны ракетные двигатели малой тяги на химическом топливе. Подобную установку, которая работает на смеси закиси азота и пропана — экологически чистом и дешевом топливе, — создают студенты и аспиранты Самарского университета.

— С развитием мегасозвездий спутников поиск замены ксенону — важная задача. Криптон — очевидная альтернатива. Он ближе по свойствам к ксенону, чем другие газы. Адаптировать существующие двигатели к работе на нем быстрее всего, — отметил руководитель лаборатории плазменных реактивных двигателей НИЯУ МИФИ, главный инженер-конструктор компании «СТАР» Игорь Егоров.

По его словам, мегасозвездия состоят из сотен и тысяч спутников, которым нужно топливо для поддержания орбиты. Мощностей для производства такого количества ксенона просто нет. Криптон же получают из воздуха одновременно с ксеноном, но в объеме, который на порядок больше.

Как отметил эксперт, существуют и другие альтернативы. Например, в последнем поколении спутников Starlink используют двигатели на аргоне, но их эффективность ниже, плюс этот газ требует более тяжелых баков для хранения. Тем не менее это условно бесконечный ресурс — в составе воздуха аргона около процента. Также двигатели адаптируют к работе на йоде, но это еще сложнее из-за его химической активности.

— Перспективные российские группировки, такие как «Рассвет», предполагают запуск не более нескольких сотен спутников. Для них достаточно двигателей на криптоне. Дальнейшее развитие этой сферы будет зависеть от планов «Роскосмоса» и частных отечественных компаний, — подчеркнул Игорь Егоров.

По его мнению, более востребованными могут оказаться микроспутники массой до 100 кг, для которых предпочтительнее двигательные установки, работающие на иных физических принципах и с другими рабочими телами. Не исключено также, что Россия сделает ставку на развитие ядерных космических буксиров, предположил эксперт.