Как двигатель на газе увеличит запас хода космических аппаратов

Ученые Московского авиационного института (МАИ) и Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева создали двигатель для наноспутников, который работает на газе. Одно из преимуществ системы — гибкая компоновка: бак с газом можно разместить в любой свободной полости космического аппарата и соединить его трубками с силовой установкой. Это позволит увеличить запас рабочего тела на борту и, соответственно, продолжительность маневров.

Такие характеристики расширят возможности наноспутников. Аппараты смогут объединяться в сложные распределенные системы — например, многосоставные обсерватории для наблюдения за солнечными вспышками и черными дырами, а также поиска признаков жизни на экзопланетах.

Активные «созвездия» наноспутников могут использоваться и для высокоточного дистанционного зондирования Земли: отслеживания циклонов, лесных пожаров, извержений вулканов и дрейфа льдов, а также наблюдения за перемещением транспортных средств и грузов.

— Современные космические технологии всё чаще опираются на небольшие технические устройства. Реактивные двигатели дают возможность увеличить функционал малых спутников за счет повышения их маневренности, а также продлить срок их жизни на орбите, компенсируя торможение в верхних слоях атмосферы. Однако жесткие ограничения по массе, объему и бортовой мощности усложняют размещение таких силовых установок на малых спутниках, — рассказал «Известиям» ведущий инженер МАИ Святослав Гордеев.

Новое устройство представляет собой импульсный плазменный двигатель, пояснил он. Такие агрегаты используют электрическую энергию для создания тяги за счет разгона плазмы — ионизированного газа — в сильном магнитном поле. Установка предназначена для наноспутников массой до 10 кг.

В основе конструкции лежит высокоскоростной электромагнитный клапан с тонкой подвижной мембраной из магнитного материала. При подаче короткого импульса тока электромагнит создает поле, которое отжимает мембрану и впускает порцию газа в канал двигателя. Затем давление среды возвращает ее в исходное положение.

По словам разработчика, такой принцип обеспечивает высокое быстродействие при низком энергопотреблении. Отсутствие трущихся элементов, в свою очередь, повышает надежность и долговечность механизма.

— Согласно расчетам и данным экспериментов, в космосе частота импульсов подачи газа в новой установке составит 1–2 Гц. Двигатель будет способен выдержать более миллиона циклов открывания и закрывания клапана без деградации основных механизмов, что дает возможность орбитальным аппаратам совершить до 300 часов активных маневров, — сообщил ученый.

Такие характеристики позволят решать широкий спектр практических задач в околоземном пространстве. В частности, двигатель можно будет использовать для распределения наноспутников по целевым орбитам после запуска и корректировки их положения в составе крупных группировок, добавил он.

Как сети спутников помогут следить за перемещениями техники

— Переход от одиночных объектов к сетевым структурам — современная тенденция, в том числе в спутникостроении. Большое количество простых устройств, объединенных в сеть, способно гибче и дешевле решать задачи, которые раньше выполняли крупные исследовательские комплексы. При нынешнем уровне технологий серийное производство множества простых аппаратов эффективнее, чем создание одного сложного и высокотехнологичного изделия, — рассказал «Известиям» директор Академического исследовательского центра информационной безопасности систем и сетей НИЯУ МИФИ Леонид Кессаринский.

По словам специалиста, в этом направлении в институте разработали новый испытательный комплекс — «тренажер» бортовых компьютеров наноспутников. Его представили на предконференции форума «Микроэлектроника» по доверенным технологиям. Оборудование позволяет сократить время тестирования аппаратов с восьми недель до 40 часов.

— Распределенные системы могут значительно улучшить качество дистанционного зондирования Земли. Большое количество аппаратов на орбите позволяет лучше отслеживать перемещение и изменения объектов, чем один спутник. Это работает как фасеточный глаз мухи, в котором каждая ячейка ведет наблюдение независимо от других, — пояснил военный эксперт Дмитрий Корнев.

По его словам, группировки, в том числе состоящие из наноспутников, лучше защищены от вывода системы из строя, поскольку в них можно реализовать дублирование задач между аппаратами. Выбывание или уничтожение части из них не приведет к нарушению функционирования системы. Качество картинки может снизиться, но останется на приемлемом уровне.

Как получить стереоскопическое изображение Солнца

— Многоспутниковые конфигурации позволят создавать гигантские обсерватории с «зеркалом» в тысячи и миллионы километров. Они будут работать по принципу интерферометрии: когда множество небольших телескопов или антенн, разнесенных в пространстве, объединяются в единую систему и обеспечивают угловое разрешение, недостижимое для одиночного аппарата. В перспективе такие системы помогут исследовать удаленные объекты — например, проверить экзопланеты на наличие следов жизни, — объяснил астрофизик и популяризатор науки Владимир Афанасьев.

По словам ученого, подобные решения могут быть полезны и для детектирования гравитационных волн. Это, в частности, важно для изучения сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Для работы таких систем необходимо удерживать все элементы на строго заданных позициях, и новые двигатели могут обеспечить требуемую точность.

Кроме того, множество малых спутников, расположенных вокруг Солнца, сможет в реальном времени получать стереоизображения светила, отметил Владимир Афанасьев. Это расширит возможности прогнозирования космической погоды и магнитных бурь на Земле.

— Разработка полезна для продления активного существования космических аппаратов. Однако при изучении Солнца она не решает проблему отсутствия специализированных миссий. Напомню, сейчас у России нет ни одного космического аппарата для этих целей. В результате отечественные гелиофизики вынуждены использовать зарубежные материалы, — отметил ведущий научный сотрудник Института солнечно-земной физики СО РАН, директор Астрономической обсерватории Иркутского государственного университета Сергей Язев.

В перспективе, когда космические аппараты смогут работать как элементы единого «зеркала», такая технология будет особенно востребована. Однако сегодня наноспутники способны решать лишь ограниченный круг задач, резюмировал эксперт.