В МИФИ делают сверхмалый плазменный двигатель для наноспутников. Сложность в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи, над чем ученые бились много лет.
В конце года аппарат планируют испытать в космосе. Подробностями о разработке, испытаниях двигателя на орбите и будущем серийном производстве поделился один из создателей устройства, руководитель лаборатории плазменных ракетных двигателей Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Игорь Егоров.
В последние годы в мире наблюдается настоящий бум наноспутников — аппаратов массой менее 10 кг. С начала 2021 года в космос запустили более 150 спутников формата CubeSat — одного из самых популярных типов малых спутников (см. справку).
Многие из них применяются для дистанционного зондирования Земли. К примеру, американская компания Planet Labs запустила уже больше 100 космических аппаратов, оборудованных телескопом, камерой и ПО для съемки поверхности Земли с разрешением 3–5 м.
Проблема таких аппаратов в том, что их запускают на орбиту, просто выбрасывая десятками из ракеты в одном месте. Для качественной съемки нужно распределить спутники по орбите равномерно, а значит, необходимо изменить их скорость вращения вокруг Земли.
В Planet Labs для этого используют установленные на спутнике раскрывающиеся панели: поворачивают их либо перпендикулярно движению спутника, чтобы значительно замедлить его движение, либо параллельно, если нужно немного его замедлить.
Метод хорош, но не идеален: из-за замедления спутники часто теряют высоту и, постепенно сходя с орбиты, сгорают в атмосфере. Тогда приходится снова запускать несколько десятков спутников на замену.
Выходом стала бы установка миниатюрного двигателя, который позволит перемещать спутник без потери высоты и затем поддерживать стабильную орбиту. Однако почти все используемые на спутниках двигатели предназначены для больших аппаратов. И даже если удастся уместить какой-то из существующих двигателей в наноспутнике, он все равно будет потреблять слишком много энергии.
Спутник маленький, и солнечные батареи у него маленькие, они не дадут достаточно энергии для питания двигателя. Еще одно ограничение связано с безопасностью: нельзя использовать взрывоопасные вещества, а значит, не получится поставить на спутник, к примеру, жидкостный ракетный двигатель на гидразине.
Выходом стала бы установка миниатюрного двигателя, который позволит перемещать спутник без потери высоты и затем поддерживать стабильную орбиту. Однако почти все используемые на спутниках двигатели предназначены для больших аппаратов. И даже если удастся уместить какой-то из существующих двигателей в наноспутнике, он все равно будет потреблять слишком много энергии.
Спутник маленький, и солнечные батареи у него маленькие, они не дадут достаточно энергии для питания двигателя. Еще одно ограничение связано с безопасностью: нельзя использовать взрывоопасные вещества, а значит, не получится поставить на спутник, к примеру, жидкостный ракетный двигатель на гидразине.
В плазменном двигателе рабочим телом служит пластик полиацеталь, который, постепенно выгорая, превращается в плазму, выбрасывается из двигателя и таким образом создает тягу, приводящую спутник в движение. Идея использовать пластик не нова. Первый в истории плазменный двигатель в космосе испытали в 1964 году на советской автоматической межпланетной станции «Зонд‑2», которая отправилась к Марсу. Несколько плазменных двигателей, в разработке которых принимал участие мой учитель Виктор Александрович Храбров, отвечали за ориентацию станции в пространстве. В основе разработки тоже лежало рабочее тело из пластика — но не из полиацеталя, а из фторопласта. Преимущество этого материала — высокая плотность, в небольшом объеме можно заключить больше материала. Но есть и недостаток: при использовании такого пластика нужен большой разрядный ток. Если ток недостаточен, поверхность фторопласта покрывается слоем углерода: пластик испаряется не полностью, углерод остается в виде тонкой пленки и из-за своей электропроводности вызывает короткое замыкание. Двигатель выходит из строя.
CUBESAT - это формат сверхмалых искусственных спутников, базовый модуль (1U) имеет габариты 10×10×11,3 см, из которых 10×10×10 см доступны для размещения полезной нагрузки. Масса у 1U не более 1,33 кг. Часто объединяют несколько стандартных кубов в составе одного спутника (обозначаются 2U, 3U и т. д.). Количество зависит от размера и массы оборудования, которое необходимо разместить на спутнике. Так, для съемки поверхности Земли с орбиты достаточно 3U, а отправившаяся на Марс миссия Mars Cube One состояла из двух спутников CubeSat 6U — слишком много оборудования потребовалось для такого дальнего полета.
Задумка была в том, чтобы сделать плазменный двигатель гораздо меньшего размера. Я стал изучать химические формулы пластиков и обратил внимание на полиацеталь, углеродный скелет которого состоял не из сплошной углеродной цепочки (-С-С-С-), как у фторопласта, а из перемежающихся атомов углерода и кислорода (-С-О-С-). Использование такого материала решило проблему углеродной пленки. На поверхности рабочего тела нашего двигателя все равно образуется слой некоего вещества вроде нефти или масла, но оно не проводит электричество и никак не влияет на работу аппарата.
Другая особенность двигателя — внешняя магнитная система из медной катушки. С ее помощью удалось ограничить разрядный ток и при этом сохранить эффективность двигателя.
И, наконец, разработчики смогли установить на двигатель компактные и легкие конденсаторы. Создание маленького двигателя никогда не было проблемой, сложность была как раз в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи. Над этим ученые бились не один год.
Ближайшие несколько месяцев будем производиться доработка двигателя, совершенствовать технологию: попробуем изменить конфигурацию электродов, размер и форму рабочего тела, чтобы увеличить запас пластика и тем самым повысить эффективность двигателя. В конце года наши устройства пройдут испытания на орбите — отправятся в космос на двух спутниках на платформе «ОрбиКрафт-Про». У нас уже есть договоренность с их разработчиками — частной космической компанией «Спутникс». Параллельно с испытаниями на орбите проведем ресурсные испытания на Земле. Предполагается, что ресурс работы нашего устройства будет около 1 тыс. часов. По всей видимости, к лету 2022 года завершатся все испытания, и мы сможем уверенно говорить про ресурс работы, силу тяги двигателя, совместимость с оборудованием спутника и т. д. Если все пройдет гладко, то наладим серийный выпуск двигателей.
К нам уже обратились представители образовательного проекта по разработке и производству космических аппаратов. Они планируют покупать 10–15 двигателей в год. Проявила интерес и компания Orbital Express, которая в следующем году запускает на орбиту собственный спутник и хочет видеть на нем наш двигатель, а также другие, помимо «Спутникса», разработчики наноспутниковых платформ. Интерес к нашей разработке довольно большой, это приятно, - говорит разработчик.