Плазменные двигатели смогли существенно повысить грузоподъёмность 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 полётах к Луне, другим планетам и на МКС, рассказал главный научный сотрудник НИИ прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института Владимир Ким.
Плазменные двигатели находят всё 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 ещё в конце 50-х годов научным сотрудником Института атомной энергии (ИАЭ) 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 протяжённом слое плазмы со скрещенными электрическим и магнитным полями определённой 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, а в 1972 году на спутнике «Метеор» были проведены первые испытания этих двигателей, которые оказались очень успешными.
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 стационарного плазменного двигателя (СПД).
К электрореактивным двигателям относятся плазменные и ионные двигатели. В чем их отличие?
В ионном двигателе ускоряются электрическим полем только ионы и формируется униполярный (с зарядами одного знака) поток. Поэтому через систему ускорения в каждый момент времени можно пропустить только определённый поток ионов, потому что их объёмный 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 объёма примерно одинаковое число ионов и электронов, что снимает ограничение тока ускоряемых ионов их объёмным 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 всё 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 всё равно рано или поздно изнашивается. Оказалось, что в СПД трудно идеально сфокусировать поток ионов, который «задевает» стенки разрядной камеры и «стёсывает» 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. Так что в настоящее время ресурс двигателя, как правило, превышает необходимый для его работы в течение срока активного существования космического аппарата.
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 меньше рабочего вещества.
Что служит топливом?
«Топливо» характерно для химических двигателей, в которых энергия на ускорение получается за счёт его сжигания. В ЭРД же частицы рабочего вещества ускоряются за счёт 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, мало распространен в природе и производится в относительно небольших количествах. До последнего времени в мире добывалось лишь несколько десятков тонн ксенона в год.
И поэтому, когда понадобилось большое количество рабочего вещества, Илон Маск для своей многотысячной группировки Starlink перешел на криптон. Тут нас американцы уже опередили. Наши работы по криптону пока были чисто исследовательскими, поскольку такой потребности жёсткой у нас не было и до его применения у нас дело ещё 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 лётной продукции, и в достаточно больших объёмах. Как результат, у двигателей «Факела» очень мало отказов. На Западе же до последнего времени не было специализированных предприятий, которые бы 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 рабочего вещества и за счёт этого увеличивать массу целевой аппаратуры. В последние годы решается новая проблема: у нас есть определённый набор ракет-носителей (РН), которые могут выводить на опорные орбиты космические аппараты (КА) определённой 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 в полтора-три раза большую массу за 3–6 месяцев.
Например, «Протон», используя традиционный разгонный блок (РБ), 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 счёте значительно больше. Чем дольше мы работаем с ЭРД, тем больше эффект по массе.
Если СПД у нас используются давно, то в чём заключается ваша работа в МАИ по созданию электрореактивной системы довыведения и коррекции орбиты аппаратов повышенной массы?
Наш университет уже многие годы работает с АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» (АО «ИСС»), являющимся основным разработчиком геостационарных спутников связи и передачи информации в России, по поиску путей и разработке способов использования ЭРД для повышения эффективности названных спутников. Эти работы проводились как по отдельным договорам между МАИ и АО «ИСС», так и в рамках кооперации науки и промышленности в соответствии с постановлением правительства № 218. При этом наши специалисты изучили разные носители, разные разгонные блоки, разные схемы выведения, программы управления тягой. В чём сложность полёта 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 ещё 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 тяжёлый 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 надёжно 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 создаём конкурентоспособные образцы, которые можно будет переводить в лётные. В частности, двигатели небольшой мощности, до 1 кВт, мы уже готовы передавать в промышленность. И уже ждём заказчиков, которые будут делать двигатели.
Правильность ваших расчётов 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 чём 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 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 перелётов. Американские и японские зонды, например, аппарат «Хаябуса», уже летали к астероидам на ионных двигателях. Ионные двигатели обладают ещё большими скоростями истечения и считаются более перспективными для реализации полётов в дальний космос. А СПД считаются подходящими для решения околоземных задач. На двигателях типа СПД самый дальний полёт 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 полётов автоматических космических аппаратов с СПД. Так, наши баллистики уже моделировали полёты таких КА к дальним планетам и показали, что в ряде случаев удаётся 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. Думаю, что и при разработке новой станции РОСС такое предложение может быть реализовано.
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 применены для реализации перспективных лунных и межпланетных программ.