Атмосферный дайвер

Российские конструкторы разрабатывают двигательную установку для спутников, предназначенных для работы на низких орбитах. На высоте около 200 км еще сохраняются остатки атмосферы, которая вызывает сопротивление, поэтому двигатель космического аппарата должен работать непрерывно. Особенность системы в том, что она не нуждается в топливе и использует для работы газы, которые забирает из окружающей среды. Технология позволит создать спутниковые группировки, которые будут способны покрыть сетями связи всю поверхность Земли. По мнению экспертов, проектирование космических аппаратов для работы на таких высотах — наиболее актуальная сегодня задача. Более высокие орбиты захватываются коммерческими компаниями, и их оборудование может остаться там на долгие годы.

Полет мысли
Специалисты Московского авиационного института (МАИ) вместе с коллегами из МГУ ведут работу над созданием двигательной установки для космических аппаратов, предназначенных для работы на низких орбитах высотой около 200 км. Она будет способна создавать тягу, используя атмосферные газы — азот и кислород, которые еще сохраняются на данном расстоянии от Земли. Продолжительность работы такой системы, в отличие от традиционных двигательных установок, не ограничена запасом топлива. Ее применение позволит снизить размеры и стоимость спутников для таких высот, что также уменьшит затраты на их выведение в околоземное пространство.

— Мы намерены использовать остатки атмосферы, которые есть на этих высотах. Для этого нужно захватывать набегающий на спутник поток газов, сжимать и подавать его в двигатель, где он будет превращаться в плазму под воздействием электрической энергии, получаемой с солнечных панелей. Воздействуя на плазму электрическими полями, можно ускорять ионы и таким образом получать реактивную тягу, — сказал старший научный сотрудник Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ Александр Богатый.

Установка, над которой работают ученые, включает в себя сам двигатель, создающий тягу, систему сбора атмосферных газов, а также систему электропитания и управления. Уже созданы два первых компонента, однако пока они не объединены в единый механизм. Конкретные параметры устройств будут зависеть от размеров и формы космического аппарата и от его орбиты. Однако сейчас инженеры рассматривают уровень потребляемой мощности до 1 кВт. По их оценкам, в случае успешного решения актуальных научно-технических проблем разработка может быть доведена до стадии опытного образца в течение пяти-семи лет.

Как пояснили конструкторы, размещение космических аппаратов на низкой орбите открывает множество новых возможностей. Например, спутники с такой высоты могли бы напрямую обеспечивать связью абонентов без необходимости использовать базовые станции. Это позволило бы «накрыть» интернетом весь земной шар. Однако пока ни одно государство в мире не обладает техническими возможностями для реализации этих планов.

Двигатели, которые будут использоваться для таких спутников, должны обладать более высоким ресурсом, чем те, что применяются на высоких орбитах. Это необходимо, так как на расстоянии около 200 км от Земли космический аппарат испытывает существенное сопротивление остаточной атмосферы, поэтому должен работать непрерывно. Помимо создания надежной двигательной установки, для низкоорбитальных устройств необходимо также разработать и соответствующую электронную начинку. Работа в этих направлениях ведется во многих странах, и рано или поздно такие технологии появятся.

Стоимость разрабатываемой установки будет сопоставима с ценой широко используемых в настоящее время в спутниках плазменных и ионных двигателей. При этом устройство будет иметь преимущества перед ними, так как не требует хранить на борту спутника запасы вещества, необходимые для его работы.

Две проблемы
Для успешного завершения работы ученым МАИ предстоит решить две ключевые проблемы. Во-первых, скорость движения спутника на низкой орбите составляет 8 км/c. Для проведения испытаний установки необходимо искусственно воссоздать эти условия. Однако аэродинамические трубы дают скорость потока максимум до 4 км/с. Можно использовать для разгона воздуха электрический ракетный двигатель, но он создает поток со скоростью порядка 100 км/с, что слишком быстро.

Во-вторых, плазма, в которую превращаются газы в установке, очень хорошо проводит электричество. А для разгона частиц в двигателе используется высокое напряжение. Сама конструкция сделана из металла, поэтому если киловольты из плазмы замкнутся на корпус космического аппарата, это приведет к аварии. У разработчиков есть понимание, как решить эти вопросы, но это потребует времени и напряженной работы, отметили разработчики.

Создание нового двигателя для спутников на низких орбитах — даже более актуальная задача, чем разработка Илоном Маском космического корабля Starship, уверен член-корреспондент Российской академии космонавтики Андрей Ионин. Сейчас на орбитах от 500 км и выше коммерческими компаниями создаются многоспутниковые системы связи. В околоземном пространстве, принадлежащем всему человечеству, нет никакого международного регулирования, и оно просто захватывается огромным количеством частных спутников, отметил он.

— Развертывание таких группировок на орбитах выше 500 км создает очень большие риски, так как спутники остаются там на годы и даже десятилетия. Поэтому на этой высоте должно быть введено жесткое регулирование. Тысяч космических аппаратов там быть не должно. Двухсоткилометровая орбита самоочищающаяся. Без работающего двигателя спутник может совершить по ней один виток и после сгорит в атмосфере, поэтому только такие орбиты и допустимо использовать для многочисленных коммерческих группировок, — сказал Андрей Ионин.

По словам специалиста, срок разработки двигателя в пять-семь лет слишком большой, необходимо ускорить процесс.

Говорить об экономической целесообразности двигательной системы до начала эксплуатации слишком рано, так как заявленные характеристики могут остаться только на бумаге, полагает эксперт в космической отрасли Александр Железняков.