Учёный из МАИ создаёт лазер для уборки мусора на орбите и зарядки космических аппаратов

Директор филиала «Ракетно-космическая техника» Московского авиационного института Алексей Авдеев — молодой учёный, увлечённый своим делом. За время работы в МАИ (с 2010 года) он отмечен премией по поддержке талантливой молодёжи, установленной указом президента РФ, за лучшую научную работу по приоритетным направлениям развития российской экономики; медалью ракетно-космической корпорации «Энергия» за лучшую научную работу, выполненную в рамках конкурса «Молодежь и будущее авиации и космонавтики»; медалью им. Ю. А. Гагарина от Федерации космонавтики России за заслуги перед космонавтикой; медалью Российской академии наук с премией для молодых учёных России по направлению «Физико-технические проблемы энергетики».

В настоящее время учёный работает над чрезвычайно актуальным для космической отрасли проектом. Он создаёт лазер, который можно использовать для решения трёх важных задач одновременно: уборки мусора с орбиты, подпитки энергией аккумуляторных батарей космических аппаратов и экологического мониторинга атмосферы. Алексей Авдеев рассказал нам, в чём особенности этой работы, заниматься которой он начал, ещё будучи студентом МАИ.

Вы выпускник факультета «Комета», входившего в филиал «Ракетно-космическая техника» МАИ. Расскажите, как складывался ваш путь от студента до директора филиала?

На сегодняшний день с Московским авиационным институтом связана половина моей жизни — 17 лет. Сначала я был слушателем подготовительных курсов, потом стал студентом и с четвёртого курса начал педагогическую деятельность в должности ассистента. С шестого курса стал заниматься наукой в должности старшего техника в научно-образовательном центре (НОЦ) «Энерго-физические системы» МАИ, который возглавлял академик РАН Борис Иванович Каторгин. Затем, будучи аспирантом, продолжал педагогическую деятельность в должности старшего преподавателя, а работу в НОЦ — в должности младшего научного сотрудника. Борис Иванович Каторгин стал моим научным руководителем в аспирантуре.

После защиты кандидатской диссертации я стал заместителем Каторгина на должности заведующего кафедрой МАИ, созданной на базе научно-производственного объединения «Энергомаш» имени академика В. П. Глушко. Хотя сотрудников, преподавателей и студентов на кафедре было примерно в пять раз меньше, чем сейчас в нашем филиале «Ракетно-космическая техника» в Химках, которым я руковожу с 2017 года, этот опыт работы, безусловно, помогает мне сегодня. К слову, педагогическую и научную деятельность я с удовольствием продолжаю, являясь доцентом и старшим научным сотрудником факультета «Двигатели летательных аппаратов» МАИ.

Работать в институте мне нравится. Сегодня престижно быть не только студентом МАИ, но и сотрудником. Я чувствую, что нашёл своё призвание. А Борису Ивановичу я безмерно благодарен: считаю его своим главным учителем не только в науке, административной работе, но и в жизни.

Как начиналась ваша работа над космическим лазером и что было взято за основу проекта?

Ещё в рамках своей дипломной работы под руководством Бориса Ивановича я рассматривал вопросы создания многофункциональной лазерной энергетической установки космического базирования на основе различных типов лазеров. В наших дальнейших работах мы обосновали целесообразность использования на таких установках фтороводородных непрерывных химических лазеров (НХЛ), созданных в НПО «Энергомаш».

Интерес к непрерывным химическим лазерам связан с возможностью эффективного непосредственного преобразования внутренней химической энергии веществ, находящихся в баках системы хранения, в когерентное излучение, минуя другие стадии преобразования. НХЛ по своему КПД значительно превосходят другие лазеры, давая недостижимую для них высокую мощность излучения.

Какие задачи включает в себя ваш проект?

Цель работы — теоретическое исследование и создание системы с генерацией излучения не в непрерывном, а в импульсно-периодическом режиме (ИПР) на фтороводородных химических лазерах с непрерывной накачкой. Это представляет большой интерес в прикладном плане. Средняя мощность лазера в ИПР ниже, чем при непрерывном режиме, но пиковая мощность импульсов может в десятки раз превосходить мощность непрерывного излучения. Высокая средняя мощность, свойственная НХЛ, позволит в случае реализации ИПР получать сверхвысокую пиковую мощность в импульсе.

В настоящее время режим ИПР в НХЛ мало изучен. Впервые он был теоретически рассмотрен в CCCР в 1979 году. С тех пор интерес к данной теме не угасает, ведутся теоретические и расчётные исследования. Однако в открытой литературе на сегодняшний день нет системных решений получения на практике высокочастотных сверхмощных импульсов при том, что область их применения могла бы быть очень большой.

Какие варианты применения своей энергоустановки вы рассматриваете?

Мы показали возможность размещения энергетической установки на борту аппарата, выводимого в космос, для решения нескольких задач. Это защита космического аппарата и очистка околоземного пространства от опасных фрагментов космического мусора, подпитка энергией аккумуляторных батарей аппарата и мониторинг атмосферы.

Первой функции в последние годы уделяется большое внимание. Мусор, накопившийся в околоземном пространстве за всё время эксплуатации космоса, часто создаёт угрозу для космических аппаратов. Сейчас число фрагментов космического мусора оценивается примерно в 600 тысяч. Для их увода с орбиты необходимо уменьшить скорость их движения, и облучение в импульсном режиме — наилучший способ сделать это.

Для очистки околоземного пространства разрабатываются различные установки. Например, в американских проектах для воздействия на космический мусор предполагается использовать лазеры наземного базирования. Этот способ имеет существенные недостатки, связанные с необходимостью прохождения излучения большой мощности в атмосфере, что приведёт к потере оптического качества пучка и возникновению нелинейных эффектов. К тому же, наземные лазеры невозможно использовать в облачную погоду. Они имеют малую мобильность, поэтому число фрагментов мусора, которые можно подвергнуть воздействию их излучения, будет ограниченным. В лазерах космического базирования эти недостатки отсутствуют, задача будет состоять только в доставке на орбиту компонентов лазерного топлива и дозаправки установки.

Вторая задача — дистанционная передача энергии для подпитки батарей космических аппаратов — также вызывает большой интерес. Её решение позволит продлить срок службы батарей с нынешних 10 лет до 20 лет и существенного снизить их массу.

Ещё одной областью применения установки является дистанционный контроль экологической ситуации. С её помощью могут быть обнаружены такие соединения, как аммиак, этилен, гидразин, озон, толуол, трихлорэтилен, ксилол, арсин и т. д. Следовательно, установка может быть использована для исследования газового состава атмосферы, а также для нахождения утечек из газовых магистралей. Причём, как и в большинстве локационных систем, при мониторинге атмосферы необходим ИПР излучения.

На каком этапе сейчас находятся работы?

Одним из значимых заделов в нашей научной работе стало создание оптической схемы многофункциональной лазерной энергетической установки, обеспечивающей получение коротких импульсов в НХЛ, с расчётом всех основных составляющих её элементов. На разработку получен патент РФ.

Сегодня эта тема имеет развитие, и на базе накопленных научных материалов подготовлена к защите докторская диссертация. Результаты полностью изложены в циклах научных работ. Всего вышло 55 публикаций, из них 24 — в рецензируемых изданиях и приравниваемых к ним.

Также совместно с Балтийским государственным техническим университетом «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова ведутся переговоры о проведении натурного эксперимента по доводке оптической схемы.

Каким организациям могут быть интересны полученные результаты?

Результаты работы могут быть использованы предприятиями и организациями, разрабатывающими фтороводородные НХЛ, для получения импульсно-периодического режима излучения. При некотором снижении средней мощности это даст возможность добиться сверхвысоких мощностей в импульсе  – свыше 10⁸ Вт, что на порядки превосходит значения, достигаемые в непрерывном режиме генерации.

Также результаты будут важны предприятиям Федерального космического агентства: как для решения проблемы космического мусора, так и для подпитки энергией батарей космических аппаратов. Наконец, наша работа поможет геолого-разведывательным компаниям и организациям экологического мониторинга атмосферы, которые осуществляют дистанционный контроль экологической обстановки, поиск газовых, нефтяных месторождений по выбросам над ними, а также утечек в газовых магистралях.