В России разработали маневровые двигатели для сверхмалых космических аппаратов. Они могут выводиться в составе облака спутников и выстраиваться в различные конфигурации, создавать сети для улавливания космических частиц или фазированные антенные решетки для приема и передачи сигналов. Такое облако рассматривается как вариант носителя полезной нагрузки для экспедиции за пределы Солнечной системы.
Как управлять микроспутниками
Ученые в Рязанском государственном радиотехническом университете (РГРТУ) имени В.Ф. Уткина предложили конструкцию маневровых двигателей для сверхмалых космических аппаратов — устройств, которые квалифицируются как пикоспутники (весом от 100 г до 1 кг), фемтоспутники (менее 100 г) и адоспутники (менее 10 г). На эту разработку в 2024 году получено свидетельство Роспатента о регистрации в качестве полезной модели.
Актуальность конструкторской задачи в том, что сверхмалые аппараты способны выполнять различные вспомогательные функции. Например, помогать более крупным техническим системам производить в космосе ориентацию, стыковку или причаливание. Также с их помощью инженеры смогут удаленно разворачивать, трансформировать и видоизменять конструкции — например, управлять солнечными парусами.
Кроме того, такие крошечные устройства могут объединяться в различные эффективные конфигурации. В частности, в конструкторской среде рассматривается облако микроспутников как перспективная структура для экспедиции за пределы Солнечной системы. Помимо этого, из них можно выстраивать сети для улавливания частиц или фазированные антенные решетки для приема и передачи электромагнитных волн.
— Мы уже привыкли к кубсатам — спутникам массой до 10 кг. Однако техника развивается, и для решения ряда космических задач требуются всё более миниатюрные устройства. Наша разработка даст таким аппаратам возможность маневрировать с высокой точностью, — рассказал «Известиям» автор изобретения, ведущий инженер по научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе РГРТУ Владимир Линьков.
По его словам, двигатели для сверхмалых спутников представляют собой матричную структуру из крошечных ячеек, в каждой из которых размещено по несколько зарядов твердого топлива. Они отличаются друг от друга по размеру и энергетике.
В действие их приведут с помощью команд в виде двоичного кода, направленных из Центра управления полетами или программы, заложенной в бортовой компьютер. Реактивная тяга, которая возникает при этом, будет зависеть от того, какой величины заряд активировался. Благодаря этому возможно регулировать направление, скорость и дальность перемещения спутника.
Концепция цифровых двигателей
По замыслу изобретателя, такие ячейки могут находиться в различных частях спутника и даже полностью покрывать его поверхность. Также панели, на которых размещены матричные двигательные системы, могут быть вынесены от корпуса аппарата с помощью телескопических трубок.
— Такие структуры можно сравнить с пикселями на экране монитора. Они светятся, получая сигнал от управляющего устройства, и в результате из множества пикселей складывается изображение. Также и в матричной двигательной системе: заряды на разных сторонах аппарата, включаясь, будут задавать направление его движения. Таким образом реализуется концепция цифровых реактивных микродвигателей, — пояснил ученый.
Он добавил, что проработаны версии как однослойных конструкций, так и многослойных. В последнем случае по мере израсходования топлива ячейки будут сбрасываться, освобождая пространство для зарядов в нижних слоях матрицы.
По мнению Владимира Линькова, основой для технологии матричных двигателей могут быть методы, которые используют для изготовления полупроводниковых микрочипов. При этом наиболее подходящими материалами для них будут кварцевое стекло, керамика или термостойкий полимерный композит. Одно из важных преимуществ таких систем — заправка горючим в процессе изготовления, что упрощает подготовку малых космических аппаратов к полету.
В настоящее время матричные двигатели существуют в виде полноразмерных моделей, рассказал инженер. В дальнейшем они будут доработаны и испытаны в приложении к конкретным космическим программам.
Как патентуют разработки
Эксперты отрасли отметили трудности, с которыми разработка может столкнуться при ее реализации.
— Твердотопливные заряды — это источники разового импульса. Такое решение может быть оправданным для малых спутников, поскольку на них сложно разместить подходящие двигатели ориентации в достаточном количестве, а предложенные заряды (при их доведении до ума) позволят эффективно управлять техникой, — сказал «Известиям» руководитель Института космической политики Иван Моисеев.
Он отметил, что перспективы изобретения связаны с тем, появятся ли проекты, в которых их можно задействовать. Если такие решения окажутся выгоднее, они будут востребованы.
— Управление большим количеством двигателей, пусть и маленьких, кажется фантастическим, поскольку необходимо одновременно учитывать множество факторов. Например, неравномерность воспламенения, скорость и эффективность горения, положение двигателей относительно других объектов (если, например, микроспутник действует в составе группы или как часть более крупной системы). Поэтому такой аппарат может оказаться почти неконтролируемым, — отметил со своей стороны эксперт космонавтики Илья Овчинников.
Он напомнил, что регулярно появляются новые разработки, но не все из них применимы на практике. Поэтому расчетные характеристики ракетной техники важно подтверждать лабораторными экспериментами и испытаниями на стендовой базе, где смоделированы космические условия.
В Роспатенте «Известиям» прокомментировали, что при выдаче свидетельства в обязательном порядке проводится экспертиза заявок. Непосредственно процедура осуществляется в Федеральном институте промышленной собственности (подведомственное учреждение Роспатента).
— Экспертиза включает в себя проверку на принципиальную возможность осуществления заявленного изобретения или полезной модели и проверку на мировую новизну. Важно, что процесс проводится в объеме поданных материалов. Поэтому сведений в заявке должно быть достаточно, чтобы можно было сделать необходимые заключения, — рассказали «Известиям» в пресс-службе ведомства.
РГРТУ ведет активную научную и патентную деятельность, подчеркнули в организации.