Атмосферный свой: российские спутники смогут летать без топлива
Российские изобретатели создали первый в мире двигатель для спутников, который работает без топлива. В качестве горючего аппарат будет использовать остатки атмосферы на орбите. Спутники с таким двигателем могли бы функционировать на считающихся низкими орбитах в районе 200 км от Земли. Сейчас этот диапазон практически не освоен, поскольку на высотах ниже 300 км аппаратам требуется слишком много топлива. Использование этих высот позволило бы, например, обеспечить страну высокоскоростной связью с относительно небольшими затратами, пояснили разработчики. Однако на низких орбитах кислород может губительно воздействовать на двигатель, что, вероятно, сократит срок службы летательного аппарата, указали эксперты.
На подножном корме
Двигатели нужны находящимся на орбите космическим аппаратам, чтобы компенсировать торможение, которое возникает из-за наличия остаточной атмосферы Земли. Без устройства, поддерживающего аппараты на заданной высоте, спутники бы снижались и в итоге сгорали в плотных слоях атмосферы. Кроме того, с их помощью можно изменить направление движения, траекторию и скорость спутника. Обычно в качестве таких устройств используют ионные двигатели. Они работают за счет разгона ионов рабочего газа электрическим полем: поток ускоренных заряженных частиц вылетает из двигателя, создавая тягу, — силу, которая «толкает» аппарат.
Сложность в том, что рабочий газ, система его хранения и подачи имеют значительный вес, а также рано или поздно он заканчивается, — тогда и срок службы спутника подходит к концу. Инженеры из российской компании «Экипо» придумали оригинальный метод решения проблемы.
Созданный ими ионный двигатель принадлежит к так называемому открытому типу.
— Такому двигателю не нужно дополнительное топливо, то есть рабочий газ, — рассказал «Известиям» руководитель проекта Вячеслав Темкин. — Ионная ловушка открытого типа обеспечивает работу двигателя за счет использования остатков атмосферы в низком космосе. Она создает электромагнитное поле, которое обеспечивает зажигание плазмы, в которой ионизуются атмосферные газы. Получающиеся при этом ионы могут быть эффективно захвачены электромагнитным полем. Проведенные нами эксперименты показали устойчивое горение плазмы даже в условиях глубокого вакуума.
По заявлению разработчиков, характеристики «воздушного» двигателя даже превосходят параметры, получаемые на обычных устройствах закрытого типа.
Чем ниже, тем лучше
По мнению ведущего инженера-исследователя корпорации «Российские космические системы» Марии Барковой, использование новых двигателей может позволить продлить срок службы низкоорбитальных космический аппаратов.
— При разработке своего сборщика космического мусора у меня также возникла идея использовать атмосферные газы для получения окислителя (кислорода) и горючего (водорода), которые можно найти на высоте до 1 тыс. км, — рассказала специалист. — Однако она не подошла из-за того, что на таких высотах атмосферы уже нет. Но в рамках увеличения срока службы именно низкоорбитальных космических аппаратов идея использовать атмосферные газы в качестве компонентов топлива подает большие надежды.
Низкий космос сейчас мало освоен из-за того, что космические аппараты сложно удержать на орбитах высотой ниже 300 км. Например, чтобы спутник пробыл на орбите высотой около 200 км один год, требуется масса топлива, сравнимая с тяжестью самого спутника. То есть вес аппарата перед запуском практически удваивается, и запуск становится значительно дороже. А когда топливо будет израсходовано, спутник перестанет работать. По этой причине, например, все спутники системы Starlink Илона Маска планируется использовать на высотах существенно больше 300 км.
— С нашим ионным двигателем можно уверенно удерживать спутник на высоте ниже 200 км длительное время без топлива, — заявил Вячеслав Темкин. — На таких высотах существенно возрастают возможности для обеспечения эффективной связи, навигации и дистанционного зондирования Земли по сравнению с большими высотами, допустим, 300–500 км. На данных высотах в отличие от больших отсутствует космический мусор.
Это обстоятельство практически исключает гибель спутника из-за столкновения с каким-либо объектом. Аппарат с таким двигателем можно использовать на орбите до те пор, пока его элементы не перестанут функционировать технически.
По словам руководителя проекта, благодаря разработке Россия может занять лидирующую позицию в низком космосе.
— Мы сможем обеспечить покрытие устойчивой связью территории Крайнего Севера, обеспечить навигацией Севморпуть, развивать интернет, телевидение и другое. В низком космосе будут решены многие актуальные для экономики России и геополитики задачи, — заявил Вячеслав Темкин. — Небольшие габариты и низкая масса спутника позволяют существенно сократить затраты на его запуск.
Однако начальник отдела Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ Александр Богатый считает, что преимущества такого двигателя неочевидны.
— Атомарный кислород, присутствующий на этих орбитах, оказывает губительное влияние как на аппарат в целом, так и на двигатель, поэтому долго использовать его не получится, — пояснил эксперт. — К тому же на высотах ниже 200 км энергии от солнечных панелей не хватит на компенсацию сопротивления атмосферы. Также двигательная установка получается довольно большой из-за необходимости захватывать требуемое количество газа.
Сейчас разработчики создали лабораторный макет двигателя. Его проверили в условиях, моделирующих открытый космос, — в вакууме разной степени. По словам авторов проекта, устройство работает стабильно и эффективно и готово к реальным испытаниям. Двигатель уже представили публике на проектно-образовательном интенсиве «Архипелаг».
