В МАИ рассказали, как плазменные двигатели повысили грузоподъемность российских ракет
Плазменные двигатели смогли существенно повысить грузоподъемность российских ракет "Союз" и "Протон". Медленные, но эффективные, они позволяют выводить куда больше груза на высокие орбиты. Что станет новым топливом для таких двигателей и смогут ли они применяться при полетах к Луне, другим планетам и на МКС, "Газете.Ru" рассказал главный научный сотрудник НИИ прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института Владимир Ким.
- Плазменные двигатели находят все большее применение в космосе, у России в этой области сохраняются лидирующие позиции. Расскажите, когда задумались об использовании таких двигателей?
- Это произошло в начале 60-х годов. Но первые идеи по ускорению ионов электрическим полем в слое плазмы с поперечным магнитным полем были высказаны еще в конце 50-х годов научным сотрудником Института атомной энергии Академии наук СССР Аскольдом Жариновым. И в 1961 году им была предложена схема двигателя с анодным слоем, реализующая эту идею. Вслед за этим в 1962 году другой сотрудник ИАЭ Морозов Алексей Иванович предложил ускорять ионы в протяженном слое плазмы со скрещенными электрическим и магнитным полями полями определенной конфигурации, и первые лабораторные модели будущих стационарных плазменных двигателей (СПД) были созданы в ИАЭ под его руководством к 1964 году. К 1968 году были созданы уже длительно работающие модели,
Обычно спутник при его запуске не попадает точно на ту орбиту, которая является удобной с точки зрения периодического обзора поверхности Земли. И этот экспериментальный двигатель смог изменить высоту орбиты спутника примерно на 17 км и перевести его на так называемую солнечно-синхронную орбиту, что было воспринято как большой успех и ускорило дальнейшие разработки СПД (стационарного плазменного двигателя. - «Газета.Ru»).
- К электрореактивным двигателям относятся плазменные и ионные двигатели. В чем их отличие?
- В ионном двигателе ускоряются электрическим полем только ионы и формируется униполярный (монозарядный) поток. Поэтому через систему ускорения в каждый момент времени можно пропустить только определенный поток ионов, потому что их объемный заряд ограничивает плотность тока ионов и плотность получаемой тяги.
К настоящему времени разработано несколько типов плазменных двигателей. Основное их отличие от ионных двигателей состоит в том, что ускорение истекающих из двигателя ионов в них осуществляется в плазменной среде, содержащей в единице объема примерно одинаковое число ионов и электронов, что снимает ограничение тока ускоряемых ионов их объемным зарядом. Это позволяет получать в плазменных двигателях существенно большие плотности потока ускоренных ионов и реактивной тяги, а двигатели для получения одинаковой тяги получаются значительно меньших размеров.
- СССР лидировал в области разработки СПД?
- После первого запуска СССР работы по созданию СПД ускорились, и вплоть до 90-х годов их разработка проводилась только в СССР. Американцы начинали эти работы также в начале 60-х годов, но через несколько лет забросили их, сочтя, что эти двигатели не очень эффективны.
После того как у нас все пошло хорошо, американцы и специалисты других стран вернулись к идее в начале 90-х годов. Они стали знакомиться с результатами, приглашать наших специалистов, завязывать совместные работы. И к 2000-м годам они накопили опыт для того, чтобы начать собственные разработки.
- Чем определяется срок службы двигателя, запасом топлива или износом?
- Срок службы, конечно, определяется тем, сколько рабочего вещества («топлива») заправлено в баки (как и в автомобиле). Кроме того, всякий двигатель все равно рано или поздно изнашивается. Оказалось, что в СПД трудно идеально сфокусировать поток ионов, который «задевает» стенки разрядной камеры и «стесывает» их, что определяет ресурс двигателя. Первые двигатели могли работать 100 часов, первые полетевшие двигатели могли работать тысячи часов, а современные двигатели могут уже работать десятки тысяч часов.
Электроракетные двигатели (ЭРД) отличаются от химических реактивных двигателей тем, что они экономнее использует рабочее вещество, которое в зарубежных работах называется «топливом». Это основное достоинство ЭРД. Если у жидкостного реактивного двигателя скорость истечения газов составляет максимум 4-5 км/с, то СПД уже обеспечивает скорость истечения 10-20 км/с. А сегодня этот показатель достигает и 30 км/с, что в 3-10 раз лучше, чем у химических двигателей малой тяги. Соответственно, для получения одной и той же тяги необходимо тратить во столько же раз меньше рабочего вещества.
- Что служит топливом?
- «Топливо» характерно для химических двигателей, в которых энергия на его ускорение получается за счет его сжигания. В ЭРД же частицы рабочего вещества ускоряются за счет электрической энергии, подводимой к двигателю извне. До самого последнего времени в СПД в качестве рабочего вещества использовался ксенон. Это инертный газ с большой атомной массой, хорошо ионизируется и неплохо хранится. В последнее время начал использоваться и криптон. Он похуже с точки зрения эффективности двигателя, но зато существенно дешевле. С ксеноном проблема в том, что он очень дорогой, редко распространен в природе и производится в относительно небольших количествах. До последнего времени в мире добывалось лишь несколько десятков тонн ксенона в год.
Наши работы по криптону пока были чисто исследовательскими, поскольку такой потребности жесткой у нас не было и до его применения у нас дело еще не дошло.
- Почему, тем не менее, западные компании используют наши СПД ОКБ «Факел»?
- «Факел» начал разрабатывать СПД, начиная с первого образца, испытанного в космосе, и с тех пор производит двигатели СПД-50, СПД-70, СПД-100 и СПД-140, которые летают на наших и западных спутниках. Поэтому у «Факела» накоплен очень большой опыт создания именно летной продукции, и в достаточно больших объемах. Как результат, у двигателей "Факела" очень мало отказов. На Западе же до последнего времени не было специализированных предприятий, которые промышленно выпускали этот тип двигателей, и у них не было такого большого опыта применения СПД в космосе, как у «Факела».
- Какую главную проблему решают СПД в космосе?
- До последнего времени это было в основном приведение в рабочую точку на геостационарной орбите (ГСО) и поддержание спутников в этой точке в течение 10-15 летнего срока их активного существования, что позволяло уменьшать массу необходимого для этого РВ и за счет этого увеличивать массу целевой аппаратуры. В последние годы решается новая проблема: у нас есть определенный набор ракет-носителей (РН), которые могут выводить на опорные орбиты КА определенной массы, а дальше либо разгонным блоком доводят КА на ГСО, либо потихонечку (из-за малой тяги) переводят его на целевую орбиту с помощью СПД. Из-за малой тяги тратится больше времени, но зато можно доставить туда в полтора-три раза большую массу за 3-6 месяцев..
Например, «Протон», используя традиционный разгонный блок, может вывести на ГСО чуть больше 3 тонн, а «Союзы» - около полтонны.
Если же использовать ЭРД, то «Союз» с РБ и ЭРД уже может доставить на ГСО 2-2,5 тонны. А на «Протоне» с РБ и ЭРД спокойно доставляются туда 4 и больше тонн. Это получается долго, но эффект по доставляемой массе в конечном счете значительно больше. Чем дольше мы работаем с ЭРД, тем больше эффект по массе.
- Если СПД у нас используются давно, то в чем заключается ваша работа в МАИ по созданию электрореактивной системы довыведения и коррекции орбиты аппаратов повышенной массы?
- Наш институт уже многие годы работает с АО «Информационные спутниковые системы» (АО ИСС) по поиску путей и разработке способов использования ЭРД для повышения эффективности названных спутников. Наши специалисты изучили разные носители, разные разгонные блоки, разные схемы выведения, программы управления тягой. В чем сложность полета на ЭРД? Космический аппарат с системой управления его движением на основе ЭРД делает много-много витков до того, как он выйдет, например, на ГСО. Ими была обоснована целесообразность применения ЭРД, и были разработаны и рекомендованы новые программы управления этим движением с малой тягой.
Далее у нас был создан макетный образец основных элементов двигательной системы, которая может быть использована для решения названной задачи. Мы изучали совместную работу двигателя СПД-140Д, который у нас еще не применялся, с системой электропитания, которую разработал Томский НПЦ «Полюс». Поскольку двигатель - это газоразрядное устройство, требуется специальная отработка его совмещения с системой электропитания.
Если вы хотите достаточно быстро доставить до целевой орбиты с помощью СПД тяжелый спутник, вам нужна большая тяга - можно использовать два двигателя или двигатели СПД-140 с большей тягой. Поэтому нами велась предварительная проработка такой возможности. Кроме того, нами проведены стыковочные испытания - это совместная работа двигателя, системы преобразования и управления.
Космический аппарат имеет солнечную батарею, которая производит электроэнергию с напряжением 27, 50 или 100 вольт. А дальше для того, чтобы двигатель работал, нужна система преобразования напряжения и управления. Мы показали, что в принципе можно надежно запускать и устойчиво работать с теми двигателями, которые есть сейчас у «Факела», с той системой преобразования и управления, которую разработал НПЦ «Полюс».
Новое направление, которое мы сейчас сами разрабатываем, - это двигатели на криптоне. МАИ экспериментирует с системами разной мощности, начиная от 100 Вт до десятка киловатт. Это достаточно широкий диапазон. Мы создаем конкурентоспособные образцы, которые можно будет переводить в летные. В частности, двигатели небольшой мощности, до 1 кВт, мы уже готовы передавать в промышленность. И уже ждем заказчиков, которые будут делать двигатели.
- Правильность ваших расчетов уже была подтверждена реальными пусками?
- Система довыведения на базе двигателей СПД в России уже сработала при запуске шести спутников на ГСО. Впервые она была реализована при выведении КА «Экспресс АМ5» и «Экспресс АМ6», которые невозможно было доставить на ГСО без использования ЭРД, поскольку массы КА превышали на 100 -200 кг возможности ракеты.
Поэтому были использованы штатные двигатели системы ориентации и коррекции космических аппаратов на базе двигателей СПД-100, и они были доведены до ГСО названными двигателями, которые дальше использовались для коррекции орбит.
- В чем была уникальность парного запуска одним «Протоном» спутников «Экспресс-80» и «Экспресс-103» 31 июля 2020 года?
- На них уже были установлены специальные двигатели, которые были предназначены для довыведения. Общая масса спутников составляла на ГСО более 4 тонн, т.е. значительно больше, чем при обычном запуске на геостационар РН «Протон» с разгонным блоком. С добавлением же ЭРД они одним запуском выводились на промежуточную орбиту, а дальше каждый из них довыводился на свою орбиту двумя двигателями СПД-100. Один за 160, а другой - за 149 суток, а эффект увеличения доставляемой массы на ГСО массы двух КА составил 775 кг.
Время работы геостационарных спутников сейчас составляет примерно 15 лет. По сравнению с 15 годами, даже полгода - это не такая страшная величина. Поэтому многие сейчас так и делают - и у нас, и за рубежом.
- Какие перспективы открывает использование более мощных СПД?
- Американцы рассматривали возможность использования коммерческих двигателей ОКБ «Факел» для реализации межпланетных перелетов. Американские и японские зонды, например, аппарат «Хаябуса», уже летали к астероидам на ионных двигателях. Ионные двигатели обладают еще большими скоростями истечения и считаются более перспективными для реализации полетов в дальний космос. А СПД считаются подходящими для решения околоземных задач. На двигателях типа СПД самый дальний полет был совершен к Луне по Европейской программе "Смарт 1".
Мы так далеко не заглядываем, в основном пока смотрим на Луну в части использования этих двигателей. В частности, рассматриваются варианты лунных паромов, с помощью которых можно перевозить грузы к Луне и/или обратно.
Рассматривалась также возможность реализации межпланетных полетов автоматических космических аппаратов с СПД. Так, наши баллистики уже моделировали полеты таких КА к дальним планетам и показали, что в ряде случаев удается достичь цели даже быстрее, чем с использованием традиционных химических двигателей.
- Можно ли использовать СПД для поддержания высоты орбиты МКС или будущей станции РОСС?
- Предложения такие уже делались и нами, и другими специалистами. Например, МКС можно поддерживать не обычными грузовыми кораблями «Прогресс», а «Прогрессом», оборудованным двигательной установкой на основе СПД, который будет поддерживать станцию на нужной орбите, компенсируя аэродинамическое сопротивление с меньшими затратами рабочего вещества и, следовательно, с меньшим числом запусков «Прогрессов».
- Какого двигателя достаточно для этих целей?
- Например, два двигателя масштаба СПД-140. На МКС электроэнергии принципиально должно хватить, потому что сейчас на борту МКС производится больше 100 кВт и можно выделить нужную мощность на уровне 10 кВт для такой двигательной установки.
- Каковы перспективы создания СПД с питанием от ядерного источника вместо солнечного?
- СПД уже летал с электропитанием от ядерного источника. Прорабатываются также проекты с использованием ядерно-электрических буксиров с ионными двигателями. Это специфичные и достаточно сложные устройства, которые могут быть разработаны и применяться для реализации перспективных лунных и межпланетных программ.
Павел Котляр
