«Мы работаем с холодной плазмой»: омский учёный — об уникальном СВЧ-ионном двигателе для малых спутников

— У многих сейчас на слуху тема малых космических аппаратов (КА). Сможет ли разработка двигателя ОмГТУ помочь в развитии их производства в России?

— На данный момент мы создали прототип СВЧ-ионного двигателя с ускорением плазмы в высокочастотном зазоре тороидального резонатора. Данная разработка, как мы надеемся, позволит применить технологии ускорителей элементарных частиц в области космического двигателестроения.

Смысл столь сложной формулировки, которую я озвучил, состоит в том, что СВЧ-поле генерирует плазму — рабочее тело двигателя.

При этом СВЧ-энергия одновременно ускоряет частицы, то есть генерация плазмы и её ускорение осуществляются одним и тем же источником энергии.

При определённых условиях сверхвысокие частоты способны создавать разряды — если так можно выразиться, «дешёвый» источник ионизированных частиц. Ускорение этих частиц может быть использовано для перемещения космического аппарата по орбите, на которую он вышел после запуска.

Мы понимаем, что концентрация частиц в СВЧ-ионном двигателе незначительная и только одна частица из тысячи превращается в ион, тем не менее ускорение ионов, согласно нашим расчётам, непременно должно конвертироваться в энергию реактивного движения, что позволит существенно продлить ресурс малых КА.

• Доцент кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ Игорь Вавилов
• © ОмГТУ

— Из каких элементов состоит СВЧ-ионный двигатель ОмГТУ?

— В процессе создания двигателя конструкция изделия постоянно менялась. Сейчас двигатель состоит из платы автогенератора СВЧ-поля на основе мощного СВЧ-транзистора, медных объёмных резонаторов, системы охлаждения платы на основе элемента Пельтье, постоянных магнитов и линии связи между резонаторами. Изделие собиралось из доступных на рынке материалов.

— Из ваших предыдущих слов следует, что современные двигатели не позволяют долго эксплуатировать малогабаритные спутники. В чём их проблема и в чём тогда уникальность вашей разработки?

— Большая часть современных малогабаритных спутников выполняется на основе индустриальных радиоэлементов. По статистике, 35—40% таких аппаратов после вывода на орбиту не выходят на связь и сразу переходят в категорию космического мусора. А аппараты, сохранившие работоспособность, живут на орбите один-два года и сгорают в плотных слоях атмосферы.

Основная причина недолговечности малых КА заключается в том, что из-за небольших габаритов площадь солнечных батарей невелика. Это далеко не самый эффективный источник энергии.

Также по теме

Летающие кубы: как российская группировка мини-спутников будет следить за космической погодой

«Роскосмос», Росгидромет и Московский университет объявили о запуске совместной космической миссии с использованием искусственных...

Также для перемещения малогабаритных КА используется двигатель, выполненный в виде своеобразного газового баллончика, — двигатель на «холодном газе». Это как раз весьма простое и надёжное решение, получившее наибольшее распространение в практике. Но из-за невысокого удельного импульса тяги такие системы требуют большого запаса рабочего тела, что увеличивает массу двигательной установки.

С точки зрения оригинальности применяемого нами принципа создания реактивной тяги можно отметить, что в открытых информационных источниках мне не попадались публикации об экспериментах с двигательными системами на ускорении частиц рабочего тела в резонаторах.

При этом наш двигатель отличается компактностью. Как я уже говорил, СВЧ-поле в нашем двигателе является одновременно и генератором, и ускорителем частиц. В переменном поле «плюсы» и «минусы» постоянно меняются, частицы — ионы и электроны — по очереди выбрасываются из разрядной камеры. За пределами двигателя они соединяются и образуется нейтральный газ.

Естественно, мы учитывали, что ионы имеют свойство «прилипать» к поверхности корпуса объекта после выброса наружу, а одноимённые заряды отталкиваются друг от друга и реактивная струя «распушается», что приводит к потере тяги. Применение переменного ускоряющего поля позволяет нейтрализовать «липкость» ионов путём рекомбинации их с потоком электронов.

• Элементы СВЧ-ионного двигателя
• © ОмГТУ

Также важно, что у СВЧ-ионного двигателя нет горячей части, нет высоких температур. Это априори делает возможным применение менее жаростойких материалов. В нашем изделии широко присутствуют полимеры, а главный способ соединения деталей — клеевой.

На сегодняшний день наша ключевая задача состоит в том, чтобы лучше понять, как ведут себя частицы: какую они дают реактивную тягу, как быстро ускоряются, какую набирают скорость? Эти исследования как раз и проводятся в лаборатории ОмГТУ в настоящее время.

На сегодняшний день создан экспериментальный прототип, на котором была получена тяга в 1,6 мкН (микроньютона) при энергопотреблении 5 Вт. Максимальная зафиксированная скорость потока составила 250—280 км/с.

Также по теме

«Осваивать дальние миры лучше совместно»: космонавт Волков — о полётах на Марс, космическом туризме и меню

12 апреля 1961 года состоялся первый полёт человека в космос. Ракета-носитель «Восток» вывела на орбиту корабль с советским...

Критики скажут, что этого мало. С этим упрёком можно согласиться, но теоретически такой тяги и энергопотребления должно хватить для эксплуатации малых космических аппаратов в течение нескольких лет в дальнем космосе (на низких орбитах требуется значительно больший уровень тяги).

К тому же мы работаем с холодной плазмой, у нас нет проблем с герметизацией, нет высоких температур. Данные факторы, как мне представляется, являются безусловными достоинствами СВЧ-ионного двигателя.

Мы продолжаем исследования дальше. Сегодня, например, «играем» с магнитами, более тщательно исследуя параметры поведения частиц.

— Малые космические аппараты очень разные. Для каких типов спутников подойдёт ваш двигатель?

— В идеале нашему изделию требуются лётные испытания. Я могу предположить, что СВЧ-ионный двигатель с автогенератором на твердотельном СВЧ-элементе гипотетически можно «примерить» на аппарат размером 10 × 30 см и массой 5—6 кг.

Для перемещения более габаритных КА на их корпусе можно установить несколько СВЧ-ионных двигателей. Более подробной и конкретной информации я дать не могу, потому что требуется проведение соответствующих исследований и испытаний.

• Российский КА на солнечных батареях
• © Роскосмос

— Будем надеяться, что вашей разработкой заинтересуются представители «Роскосмоса» и других структур, которые развивают космические технологии. Но если говорить подробнее о малых космических аппаратах, в чём вы видите пользу от их применения? Например, в СМИ можно найти информацию, что они могут использоваться для зондирования Земли и в целях исследования дальнего космоса.

— Тема малых КА и так называемых наноспутников действительно имеет определённые перспективы. Но сейчас развитие этого сектора ограничено очень скромной полезной нагрузкой, которую можно интегрировать в аппараты. В основном такие спутники могут нести веб-камеры и незначительное количество оборудования ретрансляции.

Для зондирования Земли и выполнения других серьёзных задач гражданские и военные структуры применяют крупногабаритные КА, способные нести оптику высокого разрешения и разнообразное электронное оборудование.

Также по теме

Летающие кубы: как российская группировка мини-спутников будет следить за космической погодой

«Роскосмос», Росгидромет и Московский университет объявили о запуске совместной космической миссии с использованием искусственных...

На сегодняшний день малые космические аппараты востребованы, как правило, в научной среде. Это удел студентов и учёных. Тем не менее я бы не преуменьшал значение данного типа спутников.

Во-первых, это крайне интересно молодёжи, будущим инженерам и конструкторам. Они получают теоретические знания и практические навыки, которые позволят им вырасти в квалифицированных специалистов и совершенствовать потом уже крупные спутники, столь необходимые нашей стране.

Во-вторых, можно допустить, что через некоторое время к малогабаритным аппаратам начнут проявлять интерес коммерческие компании. Естественно, чтобы это произошло, бизнес должен видеть вполне отчётливую перспективу экономически обоснованной эксплуатации. Для этого необходим прогресс в сфере миниатюризации полезной нагрузки, доставки и управления КА.

Если попробовать заглянуть немного в будущее, то я бы предположил, что коммерчески востребованные аппараты будут использоваться для передачи информации и ретрансляции связи. Для этого имеет смысл запускать малые спутники групповым способом и разводить по орбитам. При этом для выполнения своего функционала группировка аппаратов должна выстраиваться в определённые структуры: например, шестигранной формы.

• Сборка российского спутника
• © Роскосмос

— Вы не опасаетесь, что стремительное увеличение спутников на разных орбитах усугубит проблему космического мусора?

— Дело в том, что после выработки ресурса почти все наноспутники сваливаются с орбит и сгорают в атмосфере. В этом контексте роль двигательной установки может заключаться в том, чтобы уводить аппарат на орбиту утилизации.

— В заключение: почему вы лично и коллектив ОмГТУ занялись проектом СВЧ-ионного двигателя? В конце концов, вы работаете на кафедре, которая напрямую с космическими технологиями не связана.

— Да, вы правы. Меня и моих коллег-единомышленников сложно назвать профильными специалистами. Тем не менее нам захотелось рискнуть. Была жажда создания чего-то принципиально нового, желание попробовать силы в области, где мы как раз не так хорошо разбираемся.

Понятно, что наше рвение и в хорошем смысле этого слова дерзость не основывались на голом энтузиазме. Мы провели серьёзную аналитическую работу, поняли, что энергию частиц можно применять для создания малогабаритного космического двигателя. Кроме того, вдохновило то обстоятельство, что наш коллектив получил финансовую поддержку различных фондов: РФФИ (Российский фонд фундаментальных исследований), РНФ (Российский научный фонд) и ряда других.

Сил было потрачено очень много. Мы многократно переделывали прототип, но достигли весомого положительного результата.