Когда я впервые увидела эти компактные установки, способные разгонять космические аппараты до скоростей, недостижимых для традиционной химии, мне стало понятно: мы стоим на пороге принципиально иного подхода к освоению ближнего космоса. Речь идет о совершенно особом классе устройств — электрических коллоидных ракетных двигателях, работающих на ионных жидкостях. Их разрабатывают специально для аппаратов формата «кубсат», тех самых небольших спутников, собранных из стандартных десятисантиметровых модулей.
Сама идея, лежащая в основе этих силовых агрегатов, выглядит почти фантастической. Вместо привычного топлива, сгорающего в камере, здесь используется расплав солей — среда, состоящая из положительных и отрицательных ионов, которые удерживаются вместе электростатическим притяжением, но не образуют замкнутых молекул. Достаточно поместить такую жидкость под воздействие мощного электрического поля, как заряженные частицы начинают ускоряться, вырываются наружу и создают реактивную тягу.
Почему плазма открывает новые горизонты
Меня всегда поражало, насколько сильно электрический разгон рабочего тела отличается от привычных химических реакций. В традиционных двигателях скорость истечения струи ограничена энергией, запасенной в топливе. А вот у плазменного потока такого потолка не существует в принципе. Благодаря этому аппараты могут разгоняться до 10–20 километров в секунду, а то и быстрее. Это не просто цифры — это возможность добраться туда, куда раньше путь был закрыт для малых спутников.
Демонстрационный образец плазменной установки, предназначенной для отработки технологий электрораспыления.
Стоит признать, что сама по себе идея использовать ионные жидкости не нова. Например, обычная поваренная соль при нагреве до 800 градусов превращается в расплав, состоящий из ионов натрия и хлора. Теоретически его можно использовать в качестве рабочего тела. Но на практике это невыгодно: слишком много энергии уйдет на поддержание высокой температуры. Поэтому перед разработчиками стоит задача подобрать такие соединения, которые уже в условиях космического холода будут находиться в жидком состоянии, причем расходовать положительные и отрицательные ионы максимально равномерно.
От лабораторного образца к серийному производству
Наблюдая за развитием частной космонавтики, я все чаще замечаю, как меняется сам рынок. Космос перестал быть вотчиной исключительно государственных структур. Университеты, научные институты и частные компании проявляют живой интерес к малым аппаратам и двигателям для них. По оценкам специалистов, только российским потребителям требуется порядка семидесяти подобных устройств ежегодно. Это устойчивый спрос, который подталкивает разработчиков к скорейшему переходу от экспериментов к производству.
Абляционная импульсная плазменная двигательная установка, представленная на этапе макетирования.
На первом этапе команда планирует подтвердить заложенные в конструкцию параметры и собрать лабораторный образец. Эти работы должны завершиться уже в 2025 году. Дальше — выход на серийное производство. Мне кажется особенно важным, что проект получил частное финансирование: это говорит о том, что инвесторы видят в технологии не только научный, но и коммерческий потенциал.
Луна, Марс и проблема космического мусора
Самое захватывающее в этой истории — перспективы, которые открываются перед кубсатами. Расчеты показывают, что наноспутник из двенадцати юнитов, оснащенный коллоидным двигателем, способен самостоятельно перелететь с геостационарной орбиты на окололунную. Сейчас ракеты регулярно доставляют грузы на высоту 36 тысяч километров. Если туда же попутно выводить небольшой аппарат, который сам доберется до окрестностей Луны, стоимость таких миссий снизится радикально. Фактически себестоимость полетов будет стремиться к нулю.
Я вижу в этом не только экономическую выгоду. Малые спутники могли бы заранее изучать рельеф предполагаемых мест посадки лунных модулей, помогая готовить экспедиции больших аппаратов. Что касается Марса, то самостоятельно наноспутникам туда не добраться — слишком велико расстояние. Но если доставить их к Красной планете иным способом, они смогут затормозить с помощью ионных двигателей и маневрировать на марсианских орбитах, выполняя разнообразные исследовательские задачи.
Каркас наноспутника, на который планируется устанавливать перспективную силовую установку.
Нельзя забывать и о проблеме космического мусора. Электроспрей-двигатели позволяют сводить аппараты с орбиты в атмосферу по истечении срока их службы. Это критически важно для поддержания чистоты околоземного пространства. Кроме того, такие установки способны выдавать небольшие, но очень точные импульсы тяги. Благодаря этому спутник может корректировать орбиту, компенсировать возмущения от солнечного давления или остаточной атмосферы. Для долговременных миссий, требующих стабильной орбиты, это бесценное качество.
Технические вызовы и пути их решения
Разумеется, на пути разработчиков стоят серьезные трудности. Главная из них — обеспечение стабильной работы двигателя на протяжении сотен и даже тысяч часов. Нужно точно формировать струю частиц, не допуская образования крупных скоплений на эмиттерах. Кроме того, установка содержит источники высокого напряжения и другие чувствительные элементы, которые должны выдерживать суровые условия космической эксплуатации.
Демонстрация прототипа плазменной двигательной установки в лабораторных условиях.
Особый вызов связан с тем, что электроспреевые двигатели используют как положительные, так и отрицательные ионы. Для этого нужна специальная ионная жидкость, которая одинаково эффективно работает в разных полярностях. Плюс необходима надежная электроника для переключения полярностей. Но именно эти сложности, на мой взгляд, и делают проект по-настоящему интересным. Когда инженеры решают такие задачи, рождаются технологии, которые потом находят применение далеко за пределами космонавтики.
Коллоидные двигатели обладают отличными параметрами по удельному импульсу тяги — от 500 до 1500 секунд — и по значению самой тяги, достигающей 200 микроньютонов на ватт. Они используют доступные материалы, а особенности конструкции позволяют изготавливать их с помощью 3D-печати. Это делает технологию не только эффективной, но и относительно недорогой в производстве. Основная сфера применения — спутники нано- и пикомасштаба, но потенциал гораздо шире. Например, при изучении гравитационных волн или при работе группы аппаратов, наведенных на одну область в глубоком космосе, точность позиционирования играет решающую роль.
Я уверена, что за подобными силовыми установками будущее малой космонавтики. Они позволяют решать задачи, которые еще недавно считались недоступными для аппаратов весом в несколько килограммов. И пусть до массового применения пройдет еще несколько лет, сам факт того, что такие проекты реализуются в России, внушает осторожный оптимизм. Остается только следить за новостями и ждать, когда первые серийные образцы отправятся на орбиту, чтобы доказать свою состоятельность в реальных условиях космического полета.