Инновации 10 февраля 2022

Сверхмалый, плазменный, космический

В Институте лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ разработали и изготовили плазменный двигатель для наноспутника, использовав наработки компании — национального чемпиона «СуперОКС»
Сверхмалый, плазменный, космический
Испытания плазменного двигателя
НИЯУ МИФИ

Пресс-служба НИЯУ МИФИ сообщила, что сотрудники компании «Спутникс», входящей в Sitronics Group, начали сборку наноспутника формата CubeSat 3U с импульсной плазменной двигательной установкой VERA (Volume-Effective Rocket-propulsion Assembly), разработанной лабораторией плазменных двигателей Института лазерных и плазменных технологий (Институт ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ.

Как сказано в пресс-релизе, президент компании Sitronics Group Николай Пожидаев сообщил, что «в наших совместных планах — собрать два экспериментальных наноспутника с плазменной установкой для проведения дальнейших летных испытаний. Важной задачей двигателей является разведение спутников, запускаемых единой группой, по разным точкам орбиты с целью увеличения одновременно контролируемой площади».

Университетская игрушка

В 2015 году в десятку выдающихся открытий по версии журнала Science вошло создание сверхмалых космических аппаратов типа CubeSat. Но история их создания началась еще в 1999 году в результате совместных усилий Калифорнийского технологического института и Стэнфордского университета (США).

За это недолгое время спутники из университетской игрушки выросли до устройств, решающих серьезные научные фундаментальные и прикладные задачи. Например, наблюдения за поверхностью Земли в различных диапазонах длин волн. А их будущее связано с созданием глобальной сети мониторинга с «близкого» расстояния не только поверхности Земли, но и — впоследствии — Луны, Марса и астероидов.

Многие страны, в том числе ранее никогда не занимавшиеся космонавтикой, строят собственные спутники подобного типа для проведения атмосферных исследований, наблюдений Земли и испытания новых космических технологий. Именно такие миниатюрные спутники, как CubeSat, позволяют им проводить недорогие космические исследования.

magnifier.png В 2015 году в десятку выдающихся открытий по версии журнала Science вошло создание сверхмалых космических аппаратов типа CubeSat. Но история их создания началась в 1999 году

Кубсаты, в большинстве случаев относящиеся к классу наноспутников, строятся в стандартном размере 10 × 10 × 11 см (типоразмер, который получил обозначение 1U) и выполняются в форме кубика, как легко догадаться по названию. Они масштабируются и бывают разных версий — 1U, 1,5U, 2U, 3U или 6U. Весит такой спутник максимум 1,33 кг на U. Правда, для размеров 3U и 6U ограничение — 12 кг, а в предварительной версии нового стандарта для всех типоразмеров повышают массу до 2,0 кг на U. В последние годы разрабатывались и более крупные платформы CubeSat, включающие модель в 12U (20 × 20 × 30 см), которая может позволить расширить возможности кубсатов, выйдя за пределы академических исследований, и проводить испытания новых технологий для интересов сложной науки и оборонки.

Серьезные ограничения, накладываемые размерами и массой кубсатов, заметно снижают их функциональность и диапазон потенциальных задач. Для расширения их возможностей применяются устройства, объединяющие два или три кубсата. Однако наибольшие перспективы идея малых стандартизированных аппаратов имеет при создании на их основе распределенных спутниковых систем — группировок спутников, разнесенных на большие расстояния, но выполняющих общие задачи. В этом случае различные системы могут быть перераспределены между аппаратами (например, для дистанционного зондирования Земли может использоваться специальный спутник, оборудованный телеметрической системой с большой пропускной способностью для передачи данных, собранных другими аппаратами). Вывод кубсатов на околоземную орбиту не представляет проблем, а запуск спутников с борта МКС постепенно входит в программу научных экспериментов на борту станции. Немаловажно, что использование кубсатов на низких орбитах позволяет использовать атмосферное торможение для их утилизации, в результате при запуске большого количества малых аппаратов не создается угрожающего объема космического мусора.

Такие спутники смогут выполнять на орбите различные задачи. В приоритете — зондирование Земли, выявление стихийных бедствий, сбор данных о перемещении морских и воздушных судов, поддержка интернета вещей, обеспечение связи с удаленными автономными метеорологическими и океанографическими станциями.


ЕГОРОВ.jpg
Ведущий разработчик плазменных двигателей Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Игорь Егоров
НИЯУ МИФИ

Плазменный двигатель для кубика

Как сообщается в пресс-релизе НИЯУ МИФИ, плазменная двигательная установка для подготавливаемых к запуску наноспутников станет первой в нашей стране и одной из первых в мире, пригодных для установки на спутники массой не более четырех килограммов.

Как рассказал нам Игорь Егоров, начальник лаборатории и руководитель разработки плазменного двигателя в институте, у плазменных нанодвигателей есть три возможных применения в космонавтике наноспутников:

— ориентация космических аппаратов в пространстве (повороты вокруг осей);

— коррекция малых возмущений орбиты;

— небольшие орбитальные маневры.

Плазменные двигатели, представляющие собой разновидность электроракетных двигателей, основаны на получении тяги за счет рабочего вещества, которое находится в состоянии плазмы.

magnifier.png Теоретическое исследование плазмодинамики, проведенное академиком Алексеем Морозовым в СССР, считается наиболее фундаментальным в мировой науке

Идея создания плазменного двигателя, в котором могла бы возникать реактивная тяга за счет энергии ионов, была впервые выдвинута в 1911 году Константином Циолковским, отцом российской космонавтики, а первые практические эксперименты в этом направлении в 1916 году были проведены уже отцом американской космонавтики Робертом Годдардом.

Вопросы использования плазменных технологий стали актуальными к 1960-м годам, когда СССР и США приступили к практическому освоению космического пространства. Ученые этих стран к тому времени обосновали принципы работы различных ионных двигателей, способных создавать реактивную тягу за счет ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Первый работающий ионный двигатель был построен инженером NASA Гарольдом Кауфманом в 1959 году. Суборбитальные испытания этого двигателя прошли в 1964-м, когда исследовательской ракетой был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использовавшее конструкцию ионного двигателя в космосе.

Теоретическое исследование плазмодинамики, проведенное академиком Алексеем Морозовым, считается наиболее фундаментальным в мировой науке. В системе ориентации советского спутника «Метеор», запущенного в 1971 году, плазменные и ионные двигатели были использованы в системе орбитального маневрирования, а для ориентации плазменные двигатели применили еще в 1964 году на борту межпланетного аппарата «Зонд-2». Двигатель, разрабатываемый в МИФИ, как раз наследник того, что был на «Зонде».


КУЗНЕЦОВ.jpg
Директор Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук, профессор Андрей Кузнецов
НИЯУ МИФИ

Подача от нацчемпиона

В Институт лазерных и плазменных технологий разработка плазменных двигателей перешла от компании — национального чемпиона «СуперОКС», занимающейся высокотемпературными сверхпроводниками и продукцией на их основе, в которой решили создать плазменный двигатель с высокотемпературной сверхпроводящей магнитной системой и даже сделали стенд для испытаний таких двигателей и успешный лабораторный прототип двигателя. Но в конце концов от этой идеи отказались, а в МИФИ решили эти разработки подхватить и, в частности, получили в наследство стенд и ведущего разработчика Игоря Егорова.

Как рассказал нам директор института, доктор физико-математических наук, профессор Андрей Кузнецов, «идея приземлить у нас лабораторию плазменных двигателей появилась в 2018 году. Мы исходили из того, что важно для расширения нашей деятельности, связанной с физикой плазмы, потому что исторически кафедра физики плазмы, на основе которой создан наш институт, занималась термоядерными технологиями. Ведь все, что связано с плазменными двигателями, основано на свойствах плазмы и управлении ею. К тому же расширение тематики нашей работы — это одна из характеристик нашего университета, начиная с фундаментальных исследований и заканчивая прикладными».


ДВИГАТЕЛЬ.jpg
Плазменный двигатель разработки Института лазерных и плазменных технологий
НИЯУ МИФИ

А поскольку в институте есть не только лаборатории, но и небольшое производство, там были уверены, что смогут организовать небольшое мелкосерийное производство этих двигателей, с которыми можно будет выйти на очень перспективный рынок. «И в этом, — отметил профессор Кузнецов, — нам помогает наше малое предприятие “Лазер Ай”, которое взяло на себя создание необходимой электроники для управления двигателем».

А Игорь Егоров, объясняя выбор плазменных нанодвигателей в качестве направления своей работы, рассказал, что, изучая рынок подобных двигателей, он пришел к выводу: существует потребность именно в очень маленьких двигателях, потому что в начале 2010-х годов возник бум на наноспутники. А традиционные производители двигателей всегда ориентировались на довольно тяжелые аппараты, не имели готовых решений по нанодвигателям, которые к тому же значительно дешевле их традиционной продукции. Причем эта проблема существовала в мировом масштабе, не только у нас. Но у маленьких компаний, готовых взяться за такую проблему, отсутствовала стендовая база, куда нужно вложить достаточно много средств.

«А у нас оказался стенд, и у нас отсутствуют амбиции зарабатывать десятки миллионов долларов. Поэтому я решил взяться за эту тему, и получил поддержку от компании “Спутникс”, разработчика и производителя спутников». При этом из всего многообразия типов нанодвигателей в институте был выбран простейший из них: абляционный импульсный плазменный двигатель (АИПД), одним из преимуществ которого, как рассказал Игорь Егоров, является простейшая конструкция. «Более того, создатель самых первых двигателей, полетевших в 1964 году, у меня преподавал. И прототип того двигателя, который проходил наземные ресурсные испытания, он нам приносил на лекции. Так что я был знаком с этим двигателем не только из книжек, но имел возможность даже подержать его в руках и пообщаться непосредственно с создателем. Поэтому, естественно, возникла мысль взяться за этот тип двигателя».

magnifier.png В МИФИ разработка плазменных двигателей перешла от компании — национального чемпиона «СуперОКС», в которой решили создать плазменный двигатель с высокотемпературной сверхпроводящей магнитной системой и даже сделали стенд для испытаний таких двигателей и успешный лабораторный прототип

Конструкция АИПД — это магнитная катушка и изолятор (кусок пластмассы), разделяющий электроды, а также два электрода, в один из которых встроена свеча зажигания. Один из выводов магнитной катушки подключается к «плюсу» конденсаторной батареи, второй ее вывод подключается к одному из электродов — к аноду. Второй электрод — катод — подключается к «минусу» конденсаторной батареи. Именно в центре катода находится свеча зажигания. При подаче на свечу питания от маломощного высоковольтного генератора в ней образуются свободные электроны. Эти электроны инициируют разряд по поверхности внутреннего канала изолятора, поддерживаемый конденсаторной батареей. Тонкий слой поверхности изолятора испаряется, превращается в плазму, которая нагревается протекающим через нее током и с огромной скоростью выбрасывается из двигателя. Поле катушки формирует магнитное сопло, которое фокусирует плазму, повышая эффективность двигателя.

У плазменных двигателей такого типа, как пояснил Игорь Егоров, есть много преимуществ:

1. предельная простота и, соответственно, дешевизна конструкции. В частности полностью отсутствуют как что-то отдельное системы хранения и подачи рабочего тела;

2. очень высокая надежность;

3. возможность использования самых разных рабочих тел;

4. компактность и малая масса;

5. отсутствие сжатых газов, токсичных, химически активных, пожароопасных и т. д. веществ, то есть двигатель абсолютно безопасен в выключенном состоянии;

6. простота регулировки потребляемой мощности, работоспособность при сколь угодно малой мощности питания (можно заряжать конденсатор за десятую долю секунды, а можно за десятки секунд).


ЧЕРТЕЖ.jpg
Схема плазменного двигателя разработки Института лазерных и плазменных технологий
НИЯУ МИФИ

Маленькая свеча зажигания

Конечно, путь разработки двигателя был непростым, несмотря на его, кажущуюся простоту. Игорь Егоров в качестве примера рассказал нам о двух проблемах, которые пришлось решать в ходе разработки. Первая — выбор рабочего тела. Обычно на этих двигателях все в этом качестве использовали фторопласт. Одна из причин выбора фторопласта в том, что у него большая плотность. А чем тяжелее пластик, тем больше рабочего тела. Но фторопласт обугливается и покрывается слоем графита, который замыкает накоротко электроды. Егоров стал искать замену фторопласту и обнаружил пластик полиацеталь, у которого не углеродная цепочка, а углерод-кислородная. И у него возникло предположение, что отсутствие непрерывной цепочки углерода приведет к тому, что пластик будет менее склонен обугливаться. Проверили, и действительно этот пластик оказался не склонен к обугливанию.

Другая проблема — выбор свечи зажигания. Все серийно выпускаемые стандартные решения оказались слишком большими для этого двигателя. Пока разработчикам приходится делать свечи самостоятельно, кустарным способом, а это не дает стабильного результата. Но они продолжают работу и пытаются создать более технологичную конструкцию.

Но на создании этих двух двигателей работа над ними не заканчивается. Как рассказал Игорь Егоров, в планах разработчиков — создание более крупных двигателей под стандарт спутников 6U‒12U. Более того, у компании «Спутникс» есть амбиции сделать аппарат для полета на Луну. Как пояснил Егоров, «запуская ракеты к Луне, при подлете к ней ракету необходимо затормозить, иначе попасть на окололунную орбиту не получится. Для этого ракета должна сделать серьезный маневр. И сейчас обсуждается, насколько серьезным должен быть маневр и насколько реально довести АИПД до возможности его осуществить».

Темы: Инновации

Еще по теме:
04.08.2022
«Мегафон» создал уникальную систему видеоаналитики для безопасности городов. При помощи систем нейроаналитики она может ...
29.07.2022
Национальный чемпион Biocad начинает клинические испытания лекарства от одного из редких наследственных заболеваний. Это...
22.07.2022
Сотрудник Московского университета запатентовал новый движитель для наземного транспорта. Его разработка разрешает давни...
21.07.2022
Студенты Санкт-Петербургского политехнического университета создают шлем для проведения электроэнцефалографии с «сухими»...
Наверх