Наноспутники получают тягу

Наноспутники, то есть космические спутники весом до 10 кг, а также их разновидности — кубсаты (кубические спутники размером 10х10х10 см) — становятся одной из самых процветающих сегментов космической индустрии. На орбиту запущено около 3 тыс. подобных малых космических аппаратов, число запусков растет примерно на 14–16% в год. И параллельно с этим развивается совершенно новое направление — создание двигателей для таких аппаратов, двигателей, которые позволяют спутникам перемещаться по орбите, а в случае, когда спутник отслужил свой срок, он не становится космическим мусором, а сходит с орбиты.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Пока еще большинство космических аппаратов, запускаемых на орбиту,— «безмоторные», однако процент оснащенных двигателями с каждым днем все больше. В России существует несколько научных центров, где разрабатываются двигатели для малых спутников и один из них — лаборатория плазменных ракетных двигателей НИЯУ МИФИ. Об идущих там разработках «Ъ-Наука» беседовала с ее руководителем Игорем Егоровым.

— Игорь Дмитриевич, при каких обстоятельствах в МИФИ возникла «ракетная» лаборатория»?

— Все началось с лаборатории плазменных двигателей компании «СуперОкс». Эта компания занимается высокотемпературными сверхпроводниками, и у ее владельцев возникла идея применить высокотемпературные сверхпроводники для создания космических плазменных двигателей. И компанией была создана лаборатория, которую я возглавлял. Проект шел несколько лет, и в ходе его реализации стало ясно, что высокотемпературные сверхпроводники в целом могут быть эффективно применены для двигателей, но только для плазменных двигателей очень высокой мощности, под которые пока нет большого спроса. В итоге компания, видимо, потеряла интерес к дальнейшей к разработке и в конце 2019 года приняла решение о закрытии проекта. Ровно в тот же день и практически в тот же час в МИФИ приняли решение открыть лабораторию плазменных двигателей. Буквально было так: мне сообщают, что проект закрывается, в пятницу у меня последний рабочий день, я достаю телефон, набираю заведующего кафедрой физики плазмы МИФИ и слышу: «О, Игорь, слушай, я только что с совещания, мы тут приняли решение о создании лаборатории плазменных ракетных двигателей. Не хотел бы ты к нам прийти и с этим помочь?». Я говорю: «Отлично. Я вам могу еще и порекомендовать, где можно недорого купить кучу оборудования для этого». И вот в 2020 году, несмотря на ковид, удалось провести переговоры о передаче оборудования лаборатории в МИФИ. В 2021 году, когда ковидные ограничения уже несколько ослабли, мы все начали монтировать здесь и продолжили работы.

— Но здесь, в МИФИ, вы стали заниматься двигателями другого типа?

— Я, еще когда работал в «СуперОкс», говорил: давайте попробуем сделать двигатель без сверхпроводников, то, что востребовано,— двигатель для наноспутников. Но, видимо, компании, которая занимается сверхпроводниками, были неинтересны двигатели без сверхпроводников. А здесь, в МИФИ, это сразу вызвало интерес. Соответственно, я получил карт-бланш на разработку таких двигателей. Буквально в течение нескольких месяцев удалось создать первые прототипы, которые показали довольно-таки воодушевляющие результаты.

— Быстрый успех?

— Надо понять, что перед этим весь 2020 год шла глубокая теоретическая проработка этой концепции. Была сделана большая теоретическая работа, чтобы потом за несколько месяцев создать рабочие прототипы. Кстати, первые испытания самого первого прототипа были 12 апреля 2021 года, то есть прямо вот в День космонавтики тогда попали.

— В чем заключалась концепция вашего двигателя?

— Если коротко — в качестве рабочего вещества в двигателе использовался полимер, пластик, который «поджигается» разрядом тока из электродов, в результате пластик превращается в плазму, которая выбрасывается из двигателя и ускоряется в магнитном сопле, что позволяет перемещать спутник по орбите. Добавление магнитного сопла — это наше новшество. Важной задачей был выбор рабочего вещества: традиционно в подобных двигателях используют фторопласт, но при малых разрядных токах он лишь обугливается, а не полностью «выгорает», от чего двигатель выходит из строя. Весь 2020 год прошел в изучении структурных формул различных полимеров и поиске тех, которые теоретически должны начать эффективно работать при малых энергиях и разрядных токах, с малой конденсаторной батареей. В итоге был выбран полиацеталь, и первые же эксперименты подтвердили правильный выбор. С полиацеталием не возникло никаких проблем, он сразу же заработал эффективно, и в дальнейшем в этом направлении ничего менять не пришлось.

— А что пришлось?

— Конфигурацию электродов, конфигурацию магнитной системы — это все приходилось еще дорабатывать, но это тоже было сделано достаточно быстро. Было продумано несколько схем, самая первая оказалась неудачной, но уже следующая стала тем, что сегодня известно как двигательная установка VERA. Уже через несколько месяцев после испытаний мы доложили о результатах на конференции, и к нашей разработке сразу же появился интерес у компании «Спутникс», которая занимается малыми космическими аппаратами,— стоит отметить, что на этом направлении Россия является лидером. Мы договорились со «Спутниксом» о проведении летных испытаний, и уже в 2022 году полетели два первых аппарата с нашими двигателями.

— Как прошли испытания?

— На момент запуска первого спутника с нашим двигателем у нас еще не было двигательной установки, у нас был просто двигатель, он работал, однако созданная очень быстро электронная обвязка двигателя начала давать сбои. Стало понятно, что нужно предлагать заказчику уже какое-то отработанное решение. Поэтому мы взялись за разработку уже целой двигательной установки со всеми элементами.

— Были проблемы с электроникой?

— Проблема в том, что нам нужно все сделать очень компактно, а у нас источники высокого напряжения, большие разряды импульсных токов, и все это находится очень близко к управляющей системе. Соответственно, электромагнитным наводкам очень легко задевать систему управления и приводить к ее сбоям. У нас двигатель должен проработать там, скажем, 100 циклов зарядки конденсаторов. Но происходит разряд конденсатора, в этот момент генерируются наводки, и у нас просто перезагружается система управления. И так как она перезагрузилась, она не знает, что ей нужно сделать еще 99 разрядов. Вот такая проблема у нас имеется, и она постепенно решается. То есть у нас уже есть образец, который делает спокойно подряд сотни разрядов. Но иногда, к сожалению, и у него происходит перезагрузка.

— Кто же решает проблему с электроникой?

— Первоначально этим занимались наши коллеги из МИФИ, потом они отвлеклись на другие проекты, и мы обратились к компании АВЭКС, занимающейся именно космической электроникой. И вот с ними сейчас продолжаем работать. Они, кстати, внедряют российскую компонентную базу, у них большой опыт работы. Но, к сожалению, сам по себе переход к отечественной компонентной базе, даже рассчитанной под космическое назначение, проблемы не решил. Проблема — в очень близком расположении высоковольтных и силовых элементов к элементам управления. Обычно такие вещи разносят относительно друг друга на некоторое расстояние. Но так как у нас двигатель для наноспутников, то есть спутников массой меньше 10 кг, мы обязаны все сделать близко, потому что мы ограничены стандартом на габариты.

— А собственно способностью вашего двигателя обеспечивать маневр спутника на орбите вы удовлетворены? Как прошли испытания?

— Тяговыми характеристиками двигателя мы вполне удовлетворены, их достаточно для задач, которые требуются заказчикам,— обеспечение правильного взаимного расположения спутников в спутниковой группировке. Но теперь стоит вопрос о том, чтобы наладить серийный выпуск надежной электроники для этих двигательных установок. Потому что сейчас, чтобы электронные блоки работали стабильно, каждый конкретный экземпляр индивидуально доводился в течение месяца-полутора. Это приемлемо для некоторых отдельных запусков, но для серийного выпуска нам надо сделать так, чтобы двигательные установки собирались сразу, надежно, стабильно, а не так, что ты выявляешь какие-то мелкие проблемы и устраняешь причины зависаний в течение месяца индивидуально для каждого экземпляра. Пока почему-то так не получается. Было предположение, что один двигатель доработаем, второй сделаем точно так же — и он сразу заработает как надо. На практике так не оказалось. Более того, с третьей установкой тоже начались проблемы, и стало ясно, что здесь что-то надо фундаментально менять. Но три экземпляра последней версии есть, два уже летают в космосе, мы разрабатываем вместе с АВЭКСом вариант, который, надеемся, будет серийный, таким, что собрали и сразу работает.

— Параллельно с двигательной программой у МИФИ появились свои спутники?

— Вместе с теми же партнером — «Спутниксом» — мы запустили первый спутник МИФИ, «Святобор-1». Он у нас отвечает за отслеживание и съемку лесных пожаров. Кроме того, сейчас мы получили грант на создание и запуск второго нашего спутника «Сварог-1». Это аппарат, который будет отслеживать гамма-излучение в космосе, как от каких-то далеких источников, например слияний нейтронных звезд в соседних галактиках, так и от Солнца, и даже земные природные источники гамма-излучения. Есть сведения, что, например, тектонические сдвиги могут провоцировать вспышки гамма-излучения. Это все аппарат будет фиксировать, и очень важно, что он будет фиксировать не просто само излучение, а его спектр, то есть распределение по энергии. Создаваемый в нашем университете гамма-детектор сможет отделять фотонный сигнал от заряженных частиц, потому что в околоземном космическом пространстве большое количество быстрых протонов и электронов, и многие детекторы не способны понять, у них сигнал пришел от быстрого протона или от гамма-кванта, и это не позволяет получить качественные научные данные. Но у нас специалисты работают над прибором, который будет уметь это разделять и, соответственно, давать научные данные более высокого качества, которые позволят лучше изучить и Солнце, и какие-то далекие галактические источники, а возможно, даже позволит предсказывать землетрясения по вспышкам гамма-излучения.

— Какие еще типы двигателей для спутников у вас находятся в работе?

— Наш спутник «Сварог-1» будет оснащен нашей новой разработкой — двигателем на сухой воде. Дело в том, что сейчас все больше делается очень недорогих образовательных спутников и им нужны недорогие двигательные установки. К сожалению, наш двигатель VERA сейчас имеет цену на уровне 1,5 млн руб., и сильно ее снизить не получится. А здесь мы разрабатываем более простой по конструкции двигатель. По сути, это бак с жидкостью, которая испаряется, и ее пары через клапан стравливаются в сопло и выбрасываются. Это так называемый двигатель на холодном газе, конструкция простая и давно известная, но у нее на протяжении всего времени был недостаток, что, как правило, использовались жидкости, которые дают давление паров от нескольких атмосфер до десятков или даже сотен атмосфер. Это позволяет получить хорошую тягу, однако делает двигатель потенциально опасным. А если мы говорим об образовательных применениях, а сейчас уже даже школы начинают создавать свои спутники, то хотелось бы иметь безопасную двигательную установку. Кроме того, могут быть проблемы, например, с транспортировкой двигательной установки или спутника до космодрома. Наши коллеги уже сталкивались с тем, что их с баллоном со сжатым азотом не пустили в транспортный самолет до космодрома, сказали: «Стравите весь газ и только тогда полетите». Так что вот была задача сделать подобный двигатель, но безопасный. Изучив большой ассортимент имеющихся химических соединений, мы нашли фторкетон — вещество не токсичное и не горючее, более того, его основное применение — это пожаротушение. Вещество безопасное для техники в случае разлива, потому что его создавали не просто для пожаротушения, а для пожаротушения в серверных, в библиотеках, на производствах, то есть оно безопасно и для техники, и для людей, и даже для книг. На экскурсиях мы регулярно проводим демонстрацию: бумажку засовываем в эту жидкость, достаем — чернила не расплываются, сама бумажка остается прочной, и, самое главное, все быстро испаряется. Собственно, вещество имеет сленговое название — «сухая вода», потому что оно является прозрачной жидкостью, но очень быстро испаряется и все остается сухим. Очень важно, что эта жидкость дает давление паров достаточно высокое, но ниже нормального атмосферного давления. При комнатной температуре — около полуатмосферы. Соответственно, емкость с этой жидкостью на Земле не имеет избыточного давления и не представляет опасности взрыва. Но при этом, когда мы выходим в космос, вокруг нас вакуум, этой полуатмосферы давления паров уже достаточно для создания тяги. Пусть и не такой большой, как если бы у нас давление было 50 атмосфер, но для маленького космического аппарата массой несколько килограмм и этого достаточно. Мы можем совершать маневры и при этом делаем двигатель дешевый и полностью безопасный. Вот эта безопасность — наше ноу-хау.

— Существуют ли разработки, которые интересуют частных инвесторов?

— Да, мы получили коммерческое финансирование на разработку двигателей на ионной жидкости. Это ионный двигатель, в котором в качестве рабочего тела используется очень легкоплавкая соль, то есть соль, которая плавится при температурах ниже нуля по Цельсию. Как любая соль, она состоит из смеси положительных и отрицательных ионов, поэтому электрическим полем очень легко на нее воздействовать, вырывать из нее отдельные ионы и, что очень важно, наноразмерные заряженные капельки. За счет того что мы можем генерировать капельки с разным отношением заряда к массе, мы можем создавать двигатель с широким диапазоном удельного импульса, то есть скорости, с которой мы выбрасываем вещество. Если мы выбрасываем вещество быстро, то мы его используем очень эффективно, малая масса вещества может позволить сделать большой маневр, однако требует много энергии, а тяга получается маленькая. То есть маневр мы можем сделать большой, но за очень большое время и потратив много электроэнергии. Не на каждом аппарате это приемлемо. Если же мы, наоборот, будем выбрасывать крупные капли с относительно малым зарядом, то мы сможем создать очень большую тягу с малым расходом энергии и, соответственно, совершить маневр быстро, потратив мало энергии, но тогда мы потратим больше вещества.

— В чем же выход?

— Одного выхода нет — у нас есть широкий диапазон вариантов, мы можем создавать оптимальные двигатели под различные задачи. Сейчас мы с этой технологией знакомимся, мы только в этом году начали эксперименты, пока изучаем, как поведение ионной жидкости зависит от формы электродов, их расположения, напряжения и т. д. Это новое направление. В целом в земной космонавтике я могу вспомнить всего один космический аппарат, где использовался подобный двигатель. То есть здесь еще очень большой простор для технического творчества.

— Все, о чем вы до сих пор рассказывали,— это разработки двигателей для малых спутников. А на что-то покрупнее вы замахивались?

— У нас опять-таки есть коммерческое финансирование на очень мощный двигатель. То есть до сих пор у нас были все маленькие двигатели, например, двигатель на ионной жидкости на один палец положить можно. А здесь это двигатель мощностью уже в сотни киловатт с большой тягой в несколько ньютонов для космических буксиров. Как известно, в России сейчас разрабатывается ядерный буксир «Зевс» в рамках проекта «Нуклон». И пока еще не окончательно определено, какие там будут стоять двигатели. То есть, это могут быть плазменные либо ионные двигатели различных конструкций. Один из вариантов — это то, что делаем сейчас мы. Если сделаем успешно, то, возможно, Россия будет покорять Солнечную систему на наших двигателях.

Беседовал Константин Фрумкин