Разогнать спутник

Огромное количество спутников, которые вращаются вокруг Земли по околоземным орбитам оборудованы так называемыми стационарными плазменными двигателями (СПД). Конструкции этих двигателей не менялись уже много десятилетий. Но чтобы их усовершенствовать, нужно для начала разработать модель тех физических процессов, которые происходят внутри двигателя. Как идут работы по разработке таких моделей и в каких доработках нуждаются плазменные двигатели, «Ъ-Наука» беседует с доцентом кафедры физики плазмы НИЯУ МИФИ, старшим научным сотрудником лаборатории «Физико-химические процессы в стенках термоядерных установок» НИЯУ МИФИ Александром Степаненко.

— Это тип электрореактивного двигателя, который использует плазму и электрические и магнитные поля для ускорения плазмы. Фактически это двигательная установка, которая предназначена для космических аппаратов, то есть для работы в космическом пространстве. И назначение у стационарных плазменных двигателей обширное. В основном сейчас устанавливают двигатели разработки Алексея Ивановича Морозова, это середина прошлого века, когда фактически появились их первые прототипы. Они оказались очень успешными, их стали на постоянной основе ставить на спутники, которые запускают в космос и используют для очень широкого спектра задач, но в первую очередь речь идет о коррекции орбит. Хотя сейчас существуют проекты более мощных движков для межпланетных путешествий.

— Центральная проблема, связанная с работой двигателя, заключается в том, что требуется как можно больше увеличить ресурсы его работы. Современное требование к аппаратам, на которых установлен СПД,— чтобы срок службы одного двигателя был по крайней мере не менее 10 тыс. часов. При этом двигатели могут работать часами, то есть речь идет о многих часах непрерывной работы.

— Главная проблема, возникающая при работе двигателей такого типа,— это разрушение стенок ускорительного канала. Сырьем для плазмы в таких двигателях обычно бывает ксенон — инертный газ достаточно большой удельной массы. Массивные ионы ксенона, когда они ускоряются электрическим полем с разностью потенциала в несколько сотен вольт, приобретают достаточную энергию для того, чтобы разрушать стенки этого канала.

— Обычно это керамика на основе бора, бор-азот-кремниевый композит. Там достаточно хитрая смесь, называется боросил,— это стандартный материал, который используется в современных СПД для того, чтобы делать ускорительные каналы. И этот материал со временем распыляется. Это распыление наиболее опасно именно там, где ионы приобретают наибольшую энергию, а это как раз сопло двигателя. А по мере того, как происходит разрушение ускорительного канала, разрушаются также элементы, которые составляют магнитную систему. Ну а от магнитной системы напрямую зависит работа этого двигателя. Поэтому изменение топологии магнитных силовых линий приводит к тому, что изменяются характеристики ускорения вещества, и сам двигатель может переходить просто в другие режимы работы. Вот это основная проблематика. А есть еще спектр более частных задач, которые надо решить применительно к проблеме продления срока службы этого двигателя; и в целом этот спектр тоже очень обширен.

— Первая и, наверное, основная задача, которой занимаются научные группы по всему миру,— это как можно лучше смоделировать процессы ускорения плазмы непосредственно в самом канале. Потому что, несмотря на то что плазменный двигатель называется стационарным, оказывается, что никаких стационарных процессов в нем нет и очень часто сам двигатель работает в так называемом колебательном режиме, когда из него постоянно идут выбросы плазмы. Поэтому процесс ускорения плазмы является сильно нелинейным. И на сегодняшний день аналитических методов исследования нелинейных моделей ускорения практически нет. Поэтому единственный инструмент, который доступен исследователям и который позволяет фактически заглянуть внутрь ускорительного канала — это метод компьютерного моделирования. Исследователи по всему миру создают собственные модели ускорения плазмы, и в основном люди занимаются именно компьютерным моделированием СПД. Мы тоже занимаемся этим моделированием, пробуем разные степени детализации, разные степени точности, пользуясь тем, что существует спектр моделей, который можно использовать. И конечно, мы разрабатываем свои модели под наши задачи.

— Во-первых, вопросы, связанные с формированием тяги, то есть как происходит перераспределение и ускорение плазмы по объему ускорительного канала. Во-вторых, устойчивость горения разряда, физика процесса взаимодействия плазмы с поверхностью. И мы постепенно движемся от более простых моделей плазмы к более сложным. Мы пытаемся построить модель более высокой размерности, которая будет включать более широкий круг процессов.

— Основное направление заключается в том, чтобы менять геометрию магнитных силовых линий, потому что от магнитной конфигурации зависит конфигурация электрических полей, которые формируются в сопле двигателя, а от конфигурации электрических полей фактически зависит то, куда летят ионы и как они попадают в конечном итоге на стенку. Можно было бы, например, сконструировав магнитную систему правильным образом, добиться того, чтобы ионы попадали на стенку как можно меньше. Но проблема заключается в том, что магнитное поле влияет не только на характер движения ионов и их взаимодействие со стенкой, но также и на то, как плазменный разряд горит в канале двигателя. Поэтому, как только мы меняем магнитную систему, мы тут же меняем характеристики разряда. А от этого зависят уже сила тяги, удельный импульс и другие характеристики ускорителя. Поэтому задача получается многофакторной: мы все время должны как бы на разных чашах весов держать два параметра. С одной стороны, мы хотим сделать так, чтобы стенка поменьше распылялась, а с другой стороны, чтобы параметры ускорителя тоже получились именно те, которые нам нужны. Как сбалансировать эти две цели — это самая главная задача.

— По-разному наматывать катушки, по-разному их располагать. Применять разное число ампер-витков, разные форм-факторы этих катушек, разное профилирование. Можно сопла менять. Есть, например, сопла, на которых ставятся магнитные экраны, вставки из магнитно-мягкого железа, которое, за счет того что является ферромагнетиком, влияет на структуру магнитных силовых линий. Возможностей очень много. Различные научные группы используют разные возможности. Но задача совершенно нетривиальная, и до сих пор, например, не существует полных трехмерных моделей ускорения вещества в канале СПД. В этом и заключается сложность. Мы должны «держать в голове» целый ворох физических процессов. Мы их должны разрешать по времени, по пространству, по совокупности взаимодействий и все это размещать в трехмерной конфигурации, и еще желательно, чтобы это все еще разрешалось по скоростям. То есть мы должны не характеристики течения хранить, а функции распределения.

— Это вершина айсберга, конечная цель наших работ. Мы хотим довести наши разработки до той стадии, чтобы они обрели физическое выражение в конкретном техническом изделии.

— В нашей группе ведется разработка двух наборов моделей. Один набор моделей начинали разрабатываться в научной группе нашего старшего коллеги Константина Владимировича Брушлинского, который, к сожалению, совсем недавно ушел из жизни. Он всю жизнь занимался моделированием процессов в различных плазменных устройствах, в том числе СПД. Вторая группа моделей — те, которые мы строим с использованием свободно распространяемого программного обеспечения. Есть такая замечательная библиотека BOUT++, в которой собраны, например, решения задач термоядерной энергетики, она оказалась очень полезной для решения в том числе и наших задач. По каждому из этих направлений у нас есть результаты.

— Пока мы ориентируемся на стандартное рабочее вещество — ксенон. Хотя в литературе известно, что сейчас пытаются делать СПД и на других газах, в том числе и на воде,— есть даже такие экзотические конфигурации. Возможно, со временем, если мы поймем, что в ксеноновой постановке нам тесно, естественно, мы тогда перейдем на другие рабочие вещества.

— Сейчас разрабатывают проекты особо мощных СПД, в том числе таких, которые планируется к использованию для межпланетных перелетов.

— Здесь все зависит от задач. Если нужна большая мощность — то, естественно, это только ядерная энергетическая установка. Возможно, со временем, если мы совершим прорыв в области термоядерной энергетики, может появиться и термоядерный источник. А в основном это какие-то компактные источники энергии. Это может быть какая-то компактная батарея, например ядерная батарейка, либо это может быть источник питания от Солнца.

— У пути нет конечной точки, есть сам процесс. Сейчас можно охарактеризовать наши наработки следующим образом. Мы сделали важный шаг, перейдя от одномерных моделей к двумерным. Одномерные модели являются хотя самыми простыми моделями работы двигателя, но тем не менее очень информативными, ведь они позволяют с использованием относительно небольших ресурсов исследовать физику основных процессов, которые протекают в двигателях. Переход к двумерным моделям — это некий промежуточный шаг. Конечная цель — создание трехмерной модели, в которой бы было все учтено. Но, как всегда, есть ограничения, связанные с тем, что чем модель становится крупнее, тем сложнее согласовать работу отдельных ее частей. Поэтому я бы сказал, что мы где-то на промежуточном этапе.