Прибавили к газу: кому нужны двигатели на криптоне и кто их создаёт

Фото: Пресс-служба МАИ / Архив

Российские инженеры разработали новую силовую установку для малых космических аппаратов — плазменный двигатель, адаптированный для работы на криптоне. Такое «топливо» — альтернатива дефицитному ксенону, который традиционно используют в космонавтике. Криптон примерно в пять-десять раз дешевле и значительно доступнее, что потенциально позволит снизить стоимость создания многоспутниковых группировок. Новый двигатель рассчитан на эксплуатацию в течение семи лет и способен обеспечивать тягу не менее 7,5 тыс. часов. Вместе с тем эксперты отмечают, что криптон сложнее ионизировать и превратить в плазму, чем ксенон. Поэтому его применение будет зависеть от задач конкретной миссии.

О том, почему создание многоспутниковых группировок заставляет инженеров искать замену привычному ксенону и какие сложности возникают при переходе на более доступное рабочее тело, в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Десятилетия науки и технологий, рассказал руководитель проекта, заместитель директора по развитию Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ Александр Богатый. Его комментарии позволяют увидеть в новой установке не просто отдельный двигатель, а один из элементов будущей инфраструктуры спутниковой связи, навигации и наблюдения Земли.

Какие газы могут «разгонять» спутники

Специалисты МАИ совместно с учеными из МФТИ при поддержке фонда Национальной технологической инициативы создали плазменный двигатель малой мощности, который работает на криптоне. Агрегат предназначен для высокоточного управления спутниками на низких околоземных орбитах.

Как рассказали разработчики, силовая установка даст возможность выполнять маневры по поддержанию орбитальной высоты, уходить от столкновений с космическим мусором и контролируемо сводить аппарат с орбиты в конце его срока службы. После начала эксплуатации в космосе двигатель сможет работать до семи лет. Его ресурс рассчитан на многократное включение, выключение и создание тяги в течение не менее 7,5 тыс. часов.

— Разработка будет первой в России двигательной установкой малой мощности, специально созданной для использования криптона в качестве топлива. Конструкция спроектирована с расчетом на серийное производство, что должно обеспечить относительно невысокую стоимость, — сообщил руководитель проекта, замдиректора по развитию Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ Александр Богатый.

По его словам, в основе разработки — плазменный двигатель на эффекте Холла. В нем электрическое поле ускоряет ионы газа, создавая реактивную тягу. Главное преимущество таких систем — возможность развивать высокие скорости при сравнительно небольшом расходе рабочего вещества. Традиционно в качестве рабочего тела для таких двигателей используется ксенон — благородный газ, который легко ионизируется и обеспечивает высокую эффективность тяги. Однако его применение ограничено высокой стоимостью и дефицитом: мировое производство ксенона составляет лишь несколько десятков тонн в год.

Как криптон может заменить ксенон в космических двигателях

Криптон — доступная альтернатива, его получают в больших объемах, при этом он дешевле в 5–10 раз, пояснил ученый. Экономия на стоимости рабочего вещества делает проект привлекательным для коммерческих и государственных низкоорбитальных группировок. Сейчас в России подобные двигатели работают только на ксеноне.

При этом переход на криптон в двигателях с малой мощностью — технически непростая задача, отметил Александр Богатый. У этого газа выше энергия ионизации, поэтому его труднее превратить в плазму. Кроме того, при уменьшении размеров установки сложнее обеспечить приемлемую тяговую эффективность.

— Ранее работы по созданию двигателей с низким энергопотреблением на криптоне в нашей стране не вели из-за доступности более дорогого, но и более эффективного ксенона. Тем не менее потребность в создании дешевых многоспутниковых группировок заставила разработчиков искать новые решения, — добавил ученый.

По его словам, подобные двигатели уже применяются в мировой космической отрасли. В частности, их выпускают компании Busek и Astra, а используются они в системах управления движением спутников группировки Starlink. В России также накоплен значительный научно-технический задел в этой области, что позволило перейти от фундаментальных исследований к разработке опытных образцов.

— Это еще одна ступень в освоении космоса. Она позволяет сделать двигательные установки для многоспутниковых группировок малых космических аппаратов доступными, — подчеркнул Александр Богатый.

Сейчас в МАИ изготавливают прототип установки и одновременно испытывают отдельные узлы и конструкции. Работы начали в 2025 году. Параллельно инженеры создают системы управления, электропитания, хранения и подачи криптона. Проект реализуют в рамках объявленного президентом РФ Десятилетия науки и технологий.

Альтернативные виды топлива для космических аппаратов

— Разработка плазменных двигателей с использованием рабочего тела криптон крайне актуальна. В 2023 году в ОКБ «Факел» испытали такой тип двигателя большой мощности. Проект МАИ позволяет применить подобные технологии для малых аппаратов, — комментировал «Известиям» директор Инжинирингового центра Самарского университета им. С.П. Королева Иван Зубрилин.

Выбор ксенона или криптона определяется в зависимости от задач миссии — дешевое рабочее тело, но более энергоемкая, тяжелая система ионизации, или наоборот. В общем случае электрические ракетные двигатели подходят, если есть запас времени. Например, полгода, чтобы вывести спутник на орбиту. Для динамичных решений целесообразны ракетные двигатели малой тяги на химическом топливе. Подобную установку, которая работает на смеси закиси азота и пропана — экологически чистом и дешевом топливе, — создают студенты и аспиранты Самарского университета.

— С развитием мегасозвездий спутников поиск замены ксенону — важная задача. Криптон — очевидная альтернатива. Он ближе по свойствам к ксенону, чем другие газы. Адаптировать существующие двигатели к работе на нем быстрее всего, — также в беседе с изданием отмечал руководитель лаборатории плазменных реактивных двигателей НИЯУ МИФИ, главный инженер-конструктор компании «СТАР» Игорь Егоров.

По его словам, мегасозвездия состоят из сотен и тысяч спутников, которым нужно топливо для поддержания орбиты. Мощностей для производства такого количества ксенона просто нет. Криптон же получают из воздуха одновременно с ксеноном, но в объеме, который на порядок больше.

Как отметил эксперт, существуют и другие альтернативы. Например, в последнем поколении спутников Starlink используют двигатели на аргоне, но их эффективность ниже, плюс этот газ требует более тяжелых баков для хранения. Тем не менее это условно бесконечный ресурс — в составе воздуха аргона около процента. Также двигатели адаптируют к работе на йоде, но это еще сложнее из-за его химической активности.

— Перспективные российские группировки, такие как «Рассвет», предполагают запуск не более нескольких сотен спутников. Для них достаточно двигателей на криптоне. Дальнейшее развитие этой сферы будет зависеть от планов «Роскосмоса» и частных отечественных компаний, — подчеркнул Игорь Егоров.

По его мнению, более востребованными могут оказаться микроспутники массой до 100 кг, для которых предпочтительнее двигательные установки, работающие на иных физических принципах и с другими рабочими телами. Не исключено также, что Россия сделает ставку на развитие ядерных космических буксиров, предположил эксперт.

Кто создаёт двигатели для спутников

Разговор о ксеноне, криптоне, аргоне и йоде показывает, что рабочее тело нельзя выбирать отдельно от всей космической миссии. Чем меньше аппарат и доступная ему электрическая мощность, тем сложнее получить необходимую тягу, сохранить эффективность и разместить на борту систему хранения газа. Поэтому создание плазменного двигателя начинается не с одного удачного физического эффекта, а с согласования десятков параметров спутника.

Физики плазмы исследуют, как газ ионизируется и ведёт себя в электрическом и магнитном полях. Инженеры по электроракетным двигателям рассчитывают разрядную камеру, магнитную систему и режимы работы установки, а специалисты по вакуумной технике создают стенды, на которых можно воспроизвести условия, близкие к космическим. Материаловеды подбирают вещества, способные выдерживать воздействие плазмы и длительный нагрев, поскольку постепенное разрушение деталей может ограничить ресурс установки.

Сам двигатель при этом не существует отдельно от космического аппарата. Инженеры по системам электропитания определяют, какую мощность спутник сможет ему передать, разработчики силовой электроники управляют разрядом, а специалисты по хранению и подаче рабочего тела рассчитывают баки, клапаны и расход газа. Программисты и инженеры систем управления создают алгоритмы многократных включений, поддержания орбиты и аварийного отключения установки.

Отдельная группа специалистов отвечает за то, как двигатель будет использоваться после запуска. Баллистики и инженеры по управлению движением рассчитывают коррекции орбиты, уклонение от опасных объектов и контролируемое сведение спутника. Инженеры-испытатели проверяют отдельные узлы и установку в сборе, сопоставляя расчётные характеристики с тем, как прототип ведёт себя под продолжительной нагрузкой.

Плазменное двигателестроение поэтому находится на пересечении фундаментальной физики и прикладной инженерии. Специалисту недостаточно понимать, как образуется плазма, если он не учитывает ограничения электропитания, массу бака и требования конкретной орбиты. Но и хороший конструктор не сможет создать эффективную установку без знания газового разряда, электромагнитных процессов и поведения материалов в вакууме.

Таким образом можно сделать вывод, что путь в эту сферу может начинаться с разных образовательных направлений. Будущие разработчики поступают на программы, связанные с ракетными и космическими системами, двигателями летательных аппаратов, прикладной физикой, плазменными технологиями, электроникой, автоматическим управлением и материаловедением. Независимо от названия программы, важны углублённая математика, электродинамика, механика, термодинамика, программирование и практическая работа с экспериментальным оборудованием.

В России электроракетные двигатели изучают и разрабатывают сразу в нескольких научно-образовательных центрах. В МАИ,например, действует кафедра «Электроракетные двигатели, энергетические и энергофизические установки», учебный процесс которой связан с экспериментальной базой и сотрудничеством с профильными предприятиями и научными организациями. В НИЯУ МИФИ работают кафедра физики плазмы и лаборатория плазменных ракетных двигателей, а в образовательных программах института ЛаПлаз представлена подготовка по высокотехнологическим плазменным и энергетическим установкам.

Связанные траектории существуют в МФТИ, где современные исследования и обучение охватывают плазменные ракетные двигатели, геокосмические технологии и физику плазмы. В Самарском университете в 2026 году реализуются программы по ракетным комплексам и космонавтике, малым космическим аппаратам, наноспутникам и проектированию авиационных и ракетных двигателей. Этот перечень не исчерпывает все возможности, но показывает, что прийти в отрасль можно как через классическое двигателестроение, так и через физику, электронику или проектирование спутников.

При выборе места обучения стоит смотреть не только на название специальности, но и на доступ к лабораториям, вакуумным стендам и реальным исследовательским проектам. Тот же плазменный двигатель, например, невозможно освоить исключительно по учебнику: студенту необходимо увидеть газовый разряд, научиться работать с измерительным оборудованием, анализировать экспериментальные данные и понимать, почему реальный прототип отличается от расчётной модели.

Первые профессиональные шаги можно сделать ещё во время учёбы, участвуя в студенческих спутниковых проектах, научных конференциях и работе лабораторий. Такая практика помогает понять, какая часть большой системы ближе: физика плазмы, конструкция двигателя, электроника, программное управление, испытания или расчёт орбитального движения.

Многоспутниковые группировки создаются не одним запуском и не одним удачным двигателем. Для каждого аппарата необходимо обеспечить производство, выведение на орбиту, связь, управление движением и безопасное завершение миссии. Чем больше спутников входит в систему, тем сильнее стоимость и доступность рабочего тела влияют на экономику всего проекта. Криптон же способен сделать один из элементов этой цепочки дешевле, но сам по себе не создаст спутниковую группировку. Между баллоном с газом и работающей сетью связи стоят физики, конструкторы, электронщики, программисты и инженеры-испытатели — специалисты, которые умеют превратить доступное вещество в точно управляемое движение на орбите.