Сверхмалый, плазменный, космический

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.

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.

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.

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».

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».

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».

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).

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».