Российские инженеры разработали плазменные двигатели с практически неограниченным ресурсом работы. В них частицы, разгоняемые для создания тяги, почти не соприкасаются с деталями, износ которых обычно ограничивает срок службы агрегата. Повышенная долговечность позволит увеличить маневренность спутников на орбите и использовать их в миссиях к удаленным объектам, в том числе к планетам и астероидам. Разработка готова к серийному выпуску, а ее адаптация под конкретный космический аппарат может занять около полугода. Как отметили эксперты в беседе с «Известиями», ионные двигатели с очень большим ресурсом существуют уже сегодня, однако плазменные отличаются компактностью и эффективностью. При этом факторы, ограничивающие срок службы таких установок, пока полностью не устранены.

Разработка сотрудников Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ относится к классу плазменных двигателей, в которых тяга создается потоком ускоренных ионов и электронов. Главное преимущество установки заключается в том, что при ее работе ключевые детали, от которых зависят характеристики двигателя, практически не изнашиваются.

— В основе инновации лежит подход к формированию рабочих процессов в двигателе. В частности, с помощью магнитных полей особым образом организована зона ускорения плазмы — место, где возникает струя заряженных частиц, создающая реактивную тягу, — объяснил главный конструктор двигателя, ведущий инженер НИИ ПМЭ МАИ Егор Шилов.

По его словам, в традиционных плазменных двигателях во время работы заряженные частицы на большой скорости ударяются о стенки керамического разрядного канала, что приводит к их постепенному разрушению. В результате изначальная форма канала искажается. Это влечет снижение тяги и скорости истечения плазмы.

В новом двигателе конструкцию изменили так, чтобы зона ускорения заряженных частиц оказалась полностью вынесена из разрядного канала. Благодаря этому они, ускоряясь, не бьют по поверхности изолятора и не разрушают его.

Как рассказал разработчик, мощность двигателя составляет 900 Вт, а расчетное количество включений и выключений — более 10 тыс. циклов. Такие параметры дают возможность эксплуатировать агрегат в составе космических аппаратов массой от нескольких сотен килограммов до тонны и более.

— В зависимости от типа электроракетные двигатели в начале работы могут демонстрировать высокие характеристики, которые со временем постепенно снижаются. В результате на выполнение тех же орбитальных задач требуется всё больше времени. Поэтому полетное задание приходится регулярно корректировать, — объяснил руководитель проекта, заместитель директора по развитию НИИ ПМЭ МАИ Александр Богатый.

По словам специалиста, с новыми двигателями необходимость в таких корректировках отпадет. В ходе опытно-конструкторских работ экспериментально подтвердили, что двигательные системы будут работать стабильно и предсказуемо на протяжении всего срока эксплуатации спутника на орбите — до его плановой замены, то есть не менее пяти-семи лет после ввода в эксплуатацию. Это упростит управление космическими аппаратами, позволит сэкономить время и средства, а также повысить эффективность орбитальной группировки.

— В частности, новые двигатели расширят возможности маневрирования спутников. Аппараты смогут оперативно менять траекторию полета, уклоняться от столкновений с космическими объектами и удерживать позиции в составе орбитальных группировок. Это важно для развития сложных многоэлементных спутниковых систем. Кроме того, в конце срока службы двигатель можно будет использовать для сведения аппарата с орбиты, чтобы он не остался космическим мусором, — пояснил Александр Богатый.

Практически неограниченный ресурс двигательной установки также открывает возможности для более амбициозных миссий, в том числе экспедиций малых космических аппаратов к Луне, а также к Марсу, Венере и другим планетам, сообщили разработчики.

Еще одно перспективное направление — изучение околоземных астероидов. Спутники смогут оценивать их ресурсный потенциал и отрабатывать технологии добычи полезных ископаемых, в том числе редкоземельных и благородных металлов.

По словам Александра Богатого, сейчас двигатель проходит ресурсные испытания. Тесты показали, что тяга и удельный импульс сохраняют стабильность на протяжении почти 2 тыс. часов непрерывной работы. Следующий этап — дальнейшие испытания, которые позволят точнее определить предельный срок службы установки.

С технической точки зрения изделие готово к серийному производству. При наличии заказов адаптация двигателя под конкретный космический аппарат займет около полугода. В перспективе разработка может стать основой для создания целого семейства отечественных плазменных двигателей.

— Плазменный двигатель разгоняет ионы до скорости порядка 20 км/с и расходует в пять-семь раз меньше топлива, чем химический. Однако его тяга невелика, поэтому маневры могут занимать недели. В дальних миссиях экономия топлива позволит малым аппаратам за один полет посещать несколько астероидов. В частности, сейчас зонд Psyche направляется к металлическому астероиду, используя двигатели аналогичного типа, — рассказал «Известиям» эксперт рынка НТИ «Аэронет» Артем Богатырев.

Такие установки восходят к разработкам отечественного ОКБ «Факел». При этом сильная сторона двигателя МАИ — стабильность работы. Однако катод, система питания и другие элементы двигательной установки изнашиваются, и их ресурс также влияет на общий срок службы агрегата, отметил специалист.

— Плазменные двигатели позволяют аппаратам совершать длительные маневры при ограниченном запасе топлива. «Мегасозвездия» из сотен и тысяч аппаратов без таких установок были бы экономически неоправданными, — сообщил руководитель лаборатории плазменных реактивных двигателей НИЯУ МИФИ, главный инженер-конструктор компании «СТАР» Игорь Егоров.

Еще одна пока не реализованная перспектива — небольшие межпланетные станции массой всего в несколько десятков килограммов. Плазменные двигатели позволят им перемещаться с высокой околоземной орбиты к другим телам Солнечной системы. Такие аппараты можно будет выводить в космос не отдельным запуском, а в качестве попутной полезной нагрузки вместе с другими спутниками. Это значительно снизит стоимость исследований.

— Ресурс современных плазменных двигателей составляет порядка одного года, — добавил Игорь Егоров. — Такого запаса может хватить на полтора десятка лет полета и более. Исключение составляют межпланетные станции, в том числе аппараты для исследования астероидов: их двигатели могут работать значительную часть миссии. В NASA для таких задач разработали ионный ракетный двигатель. Его наземные испытания продолжались 48 тыс. часов (5,5 года), после чего установка сохранила работоспособность. Такой двигатель можно считать практически вечным.

Однако ионные и плазменные двигатели отличаются принципом работы. В ионных установках ускоряются только тяжелые положительно заряженные ионы, тогда как в плазменных — все рабочее тело, состоящее из ионов и электронов, образующих плазму. Поэтому ионные двигатели более громоздкие и тяжелые, потребляют больше электроэнергии и создают меньшую тягу. При этом гарантировать «неограниченный» ресурс невозможно, поскольку для этого потребовались бы бесконечные испытания. На практике ориентируются на подтвержденный в ходе тестов ресурс, отметил эксперт.