Газовый импульсный плазменный двигатель разработки МАИ компактно разместят в наноспутниках

Фото: Пресс-служба МАИ / Архив

Учёные Московского авиационного института совместно с коллегами из Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королёва разработали новый импульсный плазменный двигатель на газообразном рабочем теле, предназначенный для наноспутников — аппаратов массой до 10 кг. В настоящее время создан лабораторный образец устройства и его математическая модель.

— Современные космические технологии всё чаще опираются на небольшие технические устройства. Их применяют для зондирования Земли, связи и научных экспериментов. Реактивные двигатели дают возможность увеличить их функционал за счёт повышения маневренности, а также продлить срок жизни таких аппаратов на орбите, компенсируя их торможение в верхних слоях атмосферы. Однако жёсткие ограничения по массе, объёму и бортовой мощности усложняют размещение силовых установок на малых спутниках, — объяснил руководитель исследовательской группы, ведущий инженер отдела 13 Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ и доцент кафедры 208 Института № 2 «Авиационные, ракетные двигатели и энергетические установки» Святослав Гордеев.

По его словам, преимущество газов (в отличие от традиционных твёрдых рабочих тел, например, фторопласта) — в гибкой компоновке двигательной системы. В частности, бак с газообразным веществом можно разместить в любой свободной полости спутника, соединив его с двигателем гибкими трубками. Это позволяет существенно увеличить запас рабочего тела на борту в рамках ограниченного объёма космического аппарата.

Как сообщил разработчик, основа конструкции нового двигателя — высокоскоростной электромагнитный клапан, содержащий тонкую подвижную мембрану. При подаче короткого импульса тока электромагнит создает поле, которое отжимает мембрану от уплотнительного седла, впуская порцию газа в канал двигателя. Затем давление рабочей среды быстро возвращает мембрану на место.

— Идея двигателя — это развитие разработок в сфере создания ускорителей плазмы в устройствах для изучения управляемого термоядерного синтеза. В отличие от предшественников, в предложенной схеме мембрана выполнена из ферромагнитного материала. Это увеличивает эффективность работы клапана, так как электромагнитное поле усиливается в материале мембраны, — отметил Святослав Гордеев.

Кроме того, отсутствие трущихся друг о друга элементов значительно повышает надёжность системы и долговечность механизмов, добавил он. Вместе с тем управление с помощью электромагнитного поля обеспечивает быстродействие и низкое энергопотребление.

Согласно расчетам и данным натурных экспериментов, в космосе частота импульсов подачи газа в новой установке составит 1–2 Гц. Такой двигатель будет способен выдержать более миллиона циклов открывания и закрывания клапана без деградации основных механизмов, что даёт возможность орбитальным аппаратам совершить до 300 часов активных манёвров.

Этот запас хода позволяет решать широкий спектр практических задач в околоземном пространстве, прокомментировал учёный. В частности, включения двигателей позволят наноспутникам время от времени увеличивать высоту полета. Также силовые установки помогут распределить наноспутники по орбите после запуска и корректировать их положение в составе космических группировок.

— Разработка даёт возможность использовать разные типы газообразных рабочих тел, подстраивая параметры двигателя под конкретные космические задачи. Изначально двигатель проектировали с расчётом на применение азота. Этот газ показал хорошую стабильность подачи и предсказуемый расход, — пояснил Святослав Гордеев.

На следующих этапах разработчики перешли на криптон — тяжёлый инертный газ, который обеспечивает более высокий уровень тяги и эффективный разгон частиц в плазменном канале. Также в качестве рабочего тела рассматривали ксенон. 

В дальнейшем учёные намерены исследовать возможность применения других газов, перспективных для импульсных плазменных двигателей,  а также провести комплексные испытания образца в условиях, максимально приближенных к космическому полёту. Разработка выполнена при поддержке Минобрнауки России.