На орбите работают плазменные двигатели нового поколения российского производства

За прошедшие полвека земная космонавтика уверенно освоила околоземное пространство и начала изучение планет Солнечной системы, опираясь на традиционные двигатели на химическом топливе. Конечно, еще многие годы космонавтика будет полагаться на старую добрую «химию». Но химические двигатели имеют серьезное ограничение, связанное с энергетикой химических реакций. Они чрезвычайно «прожорливы», то есть имеют низкий удельный импульс (отношение импульса к массовому расходу топлива). Поэтому космические аппараты, которые ученые посылают к окраинам Солнечной системы, несут совсем небольшую полезную нагрузку, даже с учетом гравитационных маневров в поле тяготения планет, используемом для дополнительного разгона.

Вполне возможно, что на смену «химии» придут электрореактивные двигатели (ЭРД). Именно на ЭРД в последнее время возлагают большие надежды конструкторы космической техники. «ПМ» уже писала об истории российских плазменных двигателей СПД (№12’2005), которые используются в качестве маневровых и корректировочных в некоторых спутниках связи. ЭРД этого же типа стоял на европейском зонде SMART-1, отправленном к Луне в 2003 году, американские же зонды Deep Space1 (стартовал в 1998 году к комете Борелли) и Dawn (запущен в 2007 году для исследования астероидов Весты и Цереры) тоже оснащены ЭРД, правда, другого типа — ионными.

«Это лишь первые шаги, — говорит Олег Батищев, возглавлявший в Лаборатории космических двигателей (Space Propulsion Laboratory) факультета аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института (MIT) группу по разработке плазменного ЭРД принципиально нового типа. — Но, конечно, будущее именно за плазменными двигателями».

От термояда к плазменному мотору

В начале 1990-х Олег Батищев, молодой кандидат физико-математических наук, выпускник и доцент МФТИ, работал в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, где занимался численным моделированием систем кинетических уравнений для электронов, ионов и нейтральных атомов. Эти исследования были нужны Курчатовскому институту для проекта международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР (ITER). «В работе над ИТЭРом принимало участие множество исследовательских групп из различных стран мира, русские работали в Германии, Англии, Японии, даже Мексике и Бразилии, — вспоминает Олег.- Среди американских участников была группа, которая занималась проблемой дивертора — пластины, отводящей энергию из реактора. Министерство энергетики США пригласило меня поработать над этой темой в Центре ядерного синтеза (MIT Plasma Science and Fusion Center) — до 1999 года, когда США вышли из проекта. Незадолго до этого я познакомился с Франклином Чанг-Диасом, физиком и астронавтом родом из Коста-Рики, выпускником MIT. Он в конце 1980-х в том же Центре ядерного синтеза занимался конструированием пробкотронов — магнитных ловушек для плазмы, не оправдавших ожиданий (плазма из них вытекала). Тогда ему и пришла в голову идея, как можно разгонять плазму и выталкивать ее в нужном направлении — то есть как сделать плазменный двигатель. Ему нужен был источник плотной плазмы, и мы его исследовали».

Технологии

Как кошки ведут себя в невесомости (и зачем это проверять)

Магнитоплазменная ракета

Проект своего двигателя Чанг-Диас назвал Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (магнитоплазменный двигатель с изменяемым удельным импульсом), сокращенно VASIMIR (станция «Мир» тогда еще была на орбите), чуть позже название было изменено на VASIMR. До 2005 года Чанг-Диас разрабатывал свой проект в Лаборатории перспективных космических двигателей NASA (Advanced Space Propulsion Laboratory), а потом — в лабораториях собственной компании Ad Astra Rocket неподалеку от Хьюстона и в родной Коста-Рике.

Идея двигателя VASIMR весьма оригинальна. Он состоит из трех ступеней. Первая — геликонный источник плазмы, в котором газ ионизируется радиочастотным излучением специальной антенны в присутствии магнитного поля (это довольно распространенная конструкция). Во второй ступени происходит ускорение ионов резонансным высокочастотным полем: ионы вращаются в плоскости поперечного сечения, как в циклотроне (иногда это называют «циклотронным разогревом»). Последняя ступень — магнитное сопло, которое преобразует движение поперечно вращающихся частиц в продольное, выбрасывая разогнанную плазму с образованием тяги.

«Целью проекта VASIMR было создание мощного двигателя с большой тягой, порядка ньютонов, — объясняет Олег.- К тому же у этой конструкции есть важное достоинство, которого нет у существующих плазменных двигателей других типов: можно менять удельный импульс в широком диапазоне, ведь для максимальной эффективности ракеты скорость истечения рабочего тела должна быть в идеале равна ее скорости, тогда энергия расходуется оптимальным образом».

Принцип работы

Атомы топлива впрыскиваются в камеру нагнетания и ионизируются за счет бомбардировки электронами, создавая плазму. Существует несколько способов производства быстрых электронов для разряда: электроны могут испускаться из электронной пушки и ускоряться за счет разницы потенциалов с анодом (ионный двигатель Кауфмана); электронам передается ускорения от осциллирующего электрического поля, индуцированного электромагнитом переменного тока, что приводит к самостоятельному разряду и отключению катодов (радиочастотный ионный двигатель) и посредством нагрева токами сверхвысокой частоты. Положительно заряженные ионы рассеиваются в вытяжной системе камеры (2-3 мультиапертурных сетки). После того, как ионы попадают в экранирующий слой плазмы в отверстии сетки, им за счет разницы потенциалов между первой и второй сетками (экранной сеткой и решеткой ускорителя) передается ускорение. Ионы посредством мощного электрического поля направляются через заборное отверстие. Конечная энергия иона определяется потенциалом плазмы, который, как правило, несколько превышает напряжение экранной сетки.

Отрицательное напряжение решетки ускорение не позволяет электронам из пучка плазмы, выходящей из двигателя, вернуться обратно к разряженной плазме. Это может не сработать из-за недостаточного отрицательного напряжения в сетке, что часто происходит в конце срока службы ионных двигателей. Выброшенные ионы двигают космический аппарат вперед согласно третьему закону Ньютона. Электроны с низкой энергией излучаются из отдельного катода – нейтрализатора, и попадают в пучок ионов для обеспечения равного количества положительных и отрицательных выбрасываемых частиц. Нейтрализация необходима для того, чтобы предотвратить получение космическим аппаратом результирующего отрицательного заряда, что может притянуть ионы обратно к аппарату и заглушить двигатель.

А Вы смотрели: Крышка люка, установившая рекорд скорости

Отбросить лишнее

Как вспоминает Олег, в процессе конструирования геликонного источника плазмы для VASIMR обнаружилось любопытное теоретическое следствие: «Представьте себе, что вы начинаете закачивать энергию в газ с помощью антенны. Сначала ничего не происходит, потом происходит электрический пробой, газ ионизируется, образуется плазма. Именно такая холодная и плотная плазма поступает в циклотронную ступень двигателя VASIMR, а горячая плазма там не нужна — это лишние затраты энергии. Если продолжить закачивать энергию в геликонный источник, по нашей теории должен наблюдаться резкий скачок в его эффективности: после полной ионизации газа (‘выгорания’) вся энергия идет на разогрев электронов плазмы, а потери на излучение составляют лишь малую часть. Эксперименты подтвердили наличие этого эффекта, что навело меня на идею создания эффективного и очень простого плазменного двигателя».

Прототип, который в MIT назвали мини-геликонным двигателем (mHT, mini-Helicon Thruster), по своей конструкции очень прост: это кварцевая трубка с навитой обмоткой для создания магнитного поля и антенной для возбуждения геликонной волны. Поступающий газ ионизируется высокочастотным радиоизлучением, плазма разогревается, а магнитное поле направляет плазменную струю в нужном направлении. «Наш двигатель отличается от VASIMR — он одноступенчатый, для нагрева плазмы не нужен циклотронный нагрев ионов, не нужно магнитное сопло, он компактнее, — объясняет Батищев.- При этом в качестве рабочего тела в VASIMR сначала использовали водород, потом перешли на гелий, сейчас используют аргон — более тяжелые газы снижают удельный импульс, зато повышают тягу. А наш двигатель способен работать практически на чем угодно — на азоте и даже на воздухе! Можно непрерывно менять состав рабочего тела, и двигатель будет продолжать работу».

По сравнению с современными плазменными двигателями мини-геликонный имеет ряд существенных преимуществ. Двигатели на эффекте Холла (к которым относятся российские СПД) не позволяют использовать полное сечение канала, разогнанные тяжелые ионы ксенона (очень дорогого и редкого газа) вызывают эрозию стенок камеры, для их работы необходимо высокое напряжение. СПД, как правило, снабжен двумя катодами, поскольку это одно из самых уязвимых мест конструкции, что значительно увеличивает габариты двигателя. «Мини-геликонный двигатель лишен всех этих недостатков: плазма не касается стенок, так что эрозия минимальна, зажигание автоматическое, не нужен катод, размеры могут быть любыми, от миниатюрных двигателей точной коррекции до больших и мощных — по нашим расчетам, двигатель мощностью 1 МВт будет иметь диаметр около 30 см, — говорит Олег Батищев. — Расходимость плазменного пучка у нас очень небольшая, около 10 градусов (для сравнения — в СПД она порядка 45 градусов). КПД нашего прототипа пока не очень высокое, около 20%, но это объясняется тем, что он работает на азоте, да и оптимизацией мы пока не занимались».

Двигатель из бутылки

Мини-геликонный двигатель столь прост по своей конструкции, что это навело Олега на мысль о популярной демонстрации: «Мы работали с мощными постоянными магнитами, и один из студентов не удержал их при изменении конструкции стенда — магниты устремились навстречу друг другу, столкнулись и раскололись на куски. А пока мы ждали новые, мне пришла в голову идея сделать двигатель из подручных средств, чтобы показать, насколько он прост. Я решил использовать в качестве камеры стеклянную бутылку из-под кока-колы, а геликонную антенну вырезать из жестяной банки».

Демонстрация плазменного двигателя из бутылки и банки принесла группе Батищева широкую известность и буквально мировую славу: телеканалы охотно транслировали эффектную запись эксперимента, где за кадром голос одного из студентов зачитывает показания амперметра, в бутылке загорается свечение, и струя плазмы вырывается из отпиленного донышка (разумеется, эксперимент проходит в вакуумной камере).

Чтобы убедиться, что мини-геликон представляет собой не просто источник плазмы, а именно двигатель, исследователи измерили характеристики полученной плазмы. Энергию ионов измеряли двумя методами — спектрометрическим, за счет измерения доплеровского сдвига спектральной линии, и с помощью энергетического анализатора с замедляющим потенциалом. Скорость ионов составила от 10 до 40 км/с. Причем ее можно варьировать за счет изменения расхода газа и подаваемой мощности, изменяя тем самым удельный импульс. Но самым простым и эффектным способом демонстрации наличия тяги оказалось, по словам Олега, очень простое решение: «Мы просто подвесили наш прототип на двух лесках к потолку вакуумной камеры на магнитах и измерили отклонение трубочки при холодной продувке (подаче газа) и при истечении струи плазмы. Разницу было видно невооруженным глазом!»

Изготовление плазменных двигателей в России

Стационарный плазменный двигатель (СПД) — это одна из разновидностей электроракетного двигателя, где электрическая энергия используется для ионизации газа и придания полученной плазме высокой скорости истечения из «сопла».

У такого двигателя нет топлива в привычном понимании, т.е. горючего и окислителя, необходимого для химической реакции с выделением тепла. СПД подходит практически любой газ, но лучше использовать химически неактивные и с высокой атомной массой, вроде аргона или ксенона. Плазменные двигатели обеспечивают очень высокую скорость выбрасываемой струи газа, например, для ксенона это около 30 км/с. Для сравнения, скорость выброса газа у одного из самых эффективных химических ракетных двигателей — кислород-водородного — около 4,5 км/с. Преимуществом химических двигателей является способность выбрасывать сразу много газа, что дает большую тягу. СПД же требует мощного источника электрической энергии, и даже с ним способен выбрасывать лишь незначительную массу газа за момент времени, то есть имеет очень малую тягу и требует много времени на разгон и торможение. Плазменные двигатели применяются только в космосе: оснащенные ими космические аппараты имеют относительно малый запас рабочего тела и большой размах солнечных батарей.

О возможностях использования электроракетных двигателей задумывались еще в начале XX века, но к первым испытаниям в космосе перешли только в 60-е годы. В 1972 году в системе ориентации советского спутника «Метеор» использовались два электроракетных двигателя: ионный и стационарный плазменный. СПД показал себя лучше, и советские специалисты сконцентрировались на этой разновидности. В создании экспериментальных образцов принимали участие специалисты «ОКБ Факел», и с того времени предприятие стало специализироваться на производстве двигателей такого типа, развивать и совершенствовать технологию.

В начале XXI века калининградский СПД-100 прошел успешные испытания на лунном спутнике Европейского космического агентства Smart-1.

После успешного полета к Луне европейские производители коммерческих геостационарных спутников стали закупать российские двигатели и создавать новые поколения спутников. Ранее на спутниках-ретрансляторах использовались химические двигатели на токсичном гидразине. Применение российских СПД открыло возможность создания т.н. «полностью электрических спутников», на которых уже не было химической тяги.

Калининградские СПД имеют довольно небольшой размер, но цикл их производства всё же требует немалых производственных площадей.

Разработчики «ОКБ Факел» активно сотрудничают с европейскими производителями и даже помогали французам сделать свой двигатель. Однако на предприятии строжайшие нормы безопасности. Фотосъемка на экскурсии была запрещена сотрудниками службы безопасности, а кадры использованные в репортаже, сняли позже сотрудники пресс-службы по моей просьбе.

На «ОКБ Факел» наглядно видна преемственность поколений. Молодые работают рядом с опытными специалистами.

Кульманы давно заменены на САПР «Компас-3D» для разработки трехмерных моделей и выпуска конструкторской документации.

Цех механической обработки открывается современными станками ЧПУ.

— В некоторых случаях у нас токари пишут программы сами, — говорит генеральный конструктор предприятия Евгений Космодемьянский. И я понимаю, что пришло время выбросить свое удостоверение токаря второго разряда.

Однако в глубине зала работа идет на универсальных станках, где роль ручного труда сохраняет значение, и мои надежды на космическую карьеру возрождаются.

Необходимый этап создания космического двигателя — испытание. Для проверки СПД требуется смоделировать условия космоса, прежде всего вакуум.

Вакуумные камеры кажутся огромными для таких небольших двигателей. Они пригодны для испытания всей линейки двигателей, которые производят на «ОКБ Факел».

В советские времена здесь разрабатывали самый мощный двигатель в своем классе — СПД-290. Сейчас создается сравнимый по мощности СПД-230.

Своими глазами работу плазменного двигателя увидеть, к сожалению, не удалось, но фото нам предоставили.

Недавно «Роскосмос» показал классное видео с бортовых камер спутника Egyptsat-A, созданного в «РКК Энергия».

На этих кадрах, пожалуй, впервые миру показана работа плазменных двигателей СПД-70 в космосе.

Возможно, моя фраза про мировое лидерство «ОКБ Факел» может показаться излишне пафосной, но практика показывает правоту этих слов. Space System/Loral, Airbus — это одни из самых крупных производителей коммерческих спутников связи в мире, и они берут калининградские СПД. А совсем недавно заключен вероятно самый большой контракт в истории мирового спутникостроения — на несколько сотен модернизированных двигателей СПД-50М.

Когда проходила моя экскурсия сотрудники предприятия не признавались кто заказчик ссылаясь на соглашение о неразглашении. Позже информация попала в СМИ и теперь мы знаем, что это OneWeb. Проект низкоорбитального спутникового интернета предполагает запуск почти тысячи космических аппаратов в течение трех-четырех лет. И на каждом спутнике будет российский плазменный двигатель.

Новый заказ требует перестройки всего производства, ведь надо создавать практически по двигателю в день. Специалистов на работу набирают даже из других городов. Такой нагрузки не было никогда, поэтому под проект OneWeb провели модернизацию с новыми станками ЧПУ и оборудовали новое современное чистое помещение для сборки.

За каждым столом собирается по двигателю.

Готовые изделия запираются в специальном шкафу, где поддерживается определенный режим температуры и влажности.

Работа почти ювелирная и неподготовленным взглядом воспринимается непривычно. Обычно под сборкой космических двигателей понимается что-то более масштабное.

Зато в результате получаются вот такие красавцы.

Финальный этап экскурсии — музей предприятия. Здесь первым делом показывают историческую гордость, «лунный камин» — макет радиоизотопного теплогенератора, который был установлен на советских «Луноход-1» и «Луноход-2» и согревал электронику в холодные лунные ночи.

Разумеется, музейный образец не начинен полонием и не радиоактивен.

Еще одно направление производимых «ОКБ Факел» двигателей для космических аппаратов — термокаталитические. Они требуют химического топлива, но его разложение до газообразных компонентов происходит при помощи металлического катализатора, размещенного внутри двигателя. Для повышения интенсивности реакции катализатор нагревается подобно спирали электроплитки.

Термокаталитические двигатели имеют меньшую эффективность чем плазменные или даже химические двухкомпонентные, зато они позволяют создать более простую топливную систему. Обычно такие двигатели используются для ориентирования космических аппаратов и располагаются в блоках по несколько штук.

Особый интерес вызывает один музейный образец — стационарный плазменный двигатель, прошедший длительные испытания в вакуумной камере. Тысячи часов работы приводят к деградации поверхности двигателя под воздействием плазмы.

Такие испытания позволяют повышать ресурс двигателей. Сейчас СПД обеспечивают гарантированную работу в течение нескольких тысяч часов. И, по словам представителей «ОКБ Факел», этот ресурс многократно подтвержден заказчиками, и новые заказы лучше всего говорят о качестве.

Хотелось бы приурочить эту публикацию к Дню космонавтики, чтобы не на словах, а на примере «ОКБ Факел» показать, что у нас есть космос, надо просто уметь его готовить.

Выражаю признательность пресс-службе и сотрудникам «ОКБ Факел» и за большую помощь в подготовке материала

.

К далеким планетам

Дальние космические полеты с использованием геликонных плазменных двигателей выглядят пока еще фантастически, но все же гораздо более предпочтительны, чем на химическом топливе, — была бы только энергия (ее планируется получать от ядерной энергетической установки). Рабочее тело может быть любым: азот, аргон, воздух, даже вода (правда, этот вопрос нуждается в дополнительных исследованиях).

По мнению Олега Батищева, плазменные геликонные двигатели имеют замечательные перспективы уже в самом ближайшем будущем — когда начнется освоение околоземного пространства и Луны частными компаниями. Сейчас срок службы различных спутников во многом ограничен запасом топлива или рабочего тела для двигателей коррекции орбиты. Мини-геликонные двигатели в этом отношении превосходят любые химические — они экономичны, имеют большой удельный импульс и способны использовать в качестве рабочего тела дешевый азот. «Или даже воздух, — добавляет Олег. — Представьте себе спутник на эллиптической орбите, который в перигее способен пополнять запасы рабочего тела, или низкоорбитальный спутник с неисчерпаемым запасом рабочего тела, которое он берет из атмосферы!»

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2010).

Займут ли ионные двигатели главенствующее положение в открытом космосе?

В конце 2011 года НАСА рассказала о планах провести конкурс по разработке концепции систем из ионных двигателей для космических кораблей, которые будут работать от солнечных батарей. Чуть позже космическое агентство заключило пять контрактов с компаниями, обязавшимися за 600 тысяч долларов предоставить через четыре месяца концепцию «буксира», который будет оснащаться ионными двигателями.

Так должен был выглядеть «Прометей», корабль с ионными двигателями, но с ядерным реактором на борту. (Изображение НАСА)

В список этих компаний вошли Ball Aerospace & Technologies, Analytical Mechanics Associates, Lockheed Martin, Boeing и Northrop Grumman. После того как они проведут презентации своих концепций, специалистами из НАСА будет проведен анализ возможных путей по преодолению возможных технических трудностей и ряд экспериментов по проверке ключевых технических решений.

Обычные ракеты, оснащенные химическими двигателями, которые используются уже более полувека, могут оторвать от Земли груз и вывести его в космос. Однако стоит это огромных средств, что сдерживает освоение космоса. Напротив, ионные двигатели, которые тоже используют уже несколько десятилетий, сулят другие перспективы. Они обладают сравнительно небольшой тягой, поэтому не могут использоваться для вывода на орбиту грузов. Однако они обладают способностью разогнать продукты сгорания, которые они выбрасывают, до огромных скоростей, в десятки раз превышающие те, что могут достичь химические РД. Из-за этого для того, чтобы создать импульс им необходимо выбросить намного меньше вещества. Поэтому в условиях открытого космоса они экономичнее, чем обычные ракеты.

В планах НАСА обеспечивать обычными носителями вывод груза на околоземную орбиту, где дальнейшей транспортировкой займется буксир, оснащенный ионными двигателями, выведя их на высокие орбиты – геостационарные или первую точку Лагранжа. В дальнейшем аппараты подобного типа можно будет применять для отправления корабля в межпланетное пространство. А на орбитах близких к Земле, ои могут заниматься буксировкой коммерческих спутников, которые близко подошли к атмосфере, увеличивая таким образом срок их жизни.

Так может выглядеть космический буксир на солнечных батареях и с ионными двигателями. (Изображение Boeing)

Такие буксиры могут сыграть решающее значение в освоении Солнечной системы. Достигнув точки Лагранжа, на корабль больше не действует земное притяжение, и ДСБ могут спокойно «тянуть» аппараты в отдаленные районы космоса.

Стоит отметить, что один из участников конкурса, Northrop Grumman сообщил о старте работ по разработке альтернативных источников питания в дополнении к существующим солнечным батареям. Новая концепция, предложенная компанией, может масштабировать данные системы до мощности в 300 кВт, что является выдающимся результатом.

Таким образом, первых результатов коллективного «мозгового штурма» можно ожидать в ближайшие месяцы. Однако уже сейчас можно отметить ключевые проблемы, которые придется решать разработчикам. Первая – это рассеянность солнечной энергии в космосе, что требует создания больших по размеру батарей. А чтобы сохранить возможность движения в тени Земли, ДСБ будут нужны дополнительные аккумуляторы, что еще больше увеличит все аппарата. Это естественно приведет к ограничениям его возможностей по дешевой и быстрой транспортировке различных грузов. Вывод подобного аппарата, используя обычные ракеты, будет довольно затратным. Также проблематично использование солнечных батарей уже за орбитой Марса, так как интенсивность излучения падает.

Ионные двигатели уже довольно длительное время применяются в космических аппаратах для того, чтобы стабилизировать орбиту, проводить небольшое маневрирование. Многие исследовательские зонды, «Хаябус» в том числе, даже использовали их в качестве маршевых. Однако в данный момент использовать ионные двигатели с питанием от солнечных батарей для грузовых машин нецелесообразно. Им попросту не хватит солнечной энергии для создания требуемой тяги.

К слову, именно это и заставило США и СССР рассматривать возможности по использованию ядерных реакторов в космических кораблях. СССР развалился, а в США свернули проект «Прометей» в 2005 году из-за финансовых затруднений. Естественно, что производство подобных кораблей крайне нежелательно, ведь любая авария в атмосфере приведет к выбросам радиоактивных материалов. НАСА сделал ставку на «солнечное» питание, а это значит, что американских разработчикам предстоит проделать непростую работу.