Развитие ракетно-космической отрасли набирает скорость с каждым днем, требуя все новых прорывных решений, способных сделать космические аппараты еще более экономичными и эффективными. Одним из таких перспективных решений может стать широкое внедрение стационарных плазменных двигателей (СПД). Принцип их действия заключается в генерации ионизированного газа (плазмы) и создании реактивной тяги за счет его разгона в электрическом или магнитном поле. По сравнению с тепловыми двигателями, плазменные имеют значительно меньший расход рабочего тела - то есть газа, создающего тягу, - что позволяет экономить массу служебных систем космического аппарата и увеличивать полезную нагрузку.

Хотя стационарные плазменные двигатели используются уже не один десяток лет, все еще остается ряд недостаточно хорошо изученных процессов, затрудняющих их применение на новых аппаратах. Например, это касается процесса взаимодействия струи плазмы с элементами космических аппаратов. Работу над восполнением этого пробела начал руководитель отдела № 11 "Стационарные плазменные двигатели" Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ Денис Меркурьев.

Молодой ученый намерен провести экспериментальное исследование формирования потоков ионов перезарядки в струе стационарных плазменных двигателей. Именно ионы перезарядки могут пагубно влиять на поверхности конструктивных элементов космических аппаратов и приводить к их повреждению. Также планируется создать методику подобных исследований, которая позволит на этапе проектирования определять целесообразность установки СПД на те или иные аппараты. В конце 2020 года работа Дениса Меркурьева была поддержана грантом Президента РФ.

Разработка и внедрение

Первые лабораторные модели СПД в нашей стране были созданы в Институте атомной энергии имени Курчатова под руководством Алексея Ивановича Морозова. История практического применения СПД начинается с запуска в 1972 году первого экспериментального двигателя, разработанного в ОКБ "Факел" совместно с ИАЭ им. Курчатова. В дальнейшем в опытную эксплуатацию было введено несколько электроракетных двигательных установок на основе СПД, что позволило отработать технологии создания летных образцов. В результате ОКБ "Факел" стало ведущим предприятием в мире по разработке и производству СПД для космических аппаратов.

С 1982 года началось серийное применение двигателя СПД-70 в составе геостационарных спутников серии "Космос" и "Луч". С 1994 года на аппаратах серии "Экспресс" и "Галс" начали применяться двигатели СПД-100. С 2017 года на ряде зарубежных космических аппаратов используются СПД-140 из той же линейки двигателей. Все названные двигатели были разработаны в ОКБ "Факел" при научно-технической поддержке МАИ, с использованием изобретений, созданных в университете. Большой вклад в разработку и внедрение внесли специалисты МАИ: Владимир Павлович Ким, Леонид Алексеевич Латышев, Сергей Анатольевич Хартов, Гарри Алексеевич Попов и многие другие.

Несмотря на свои преимущества, стационарные плазменные двигатели получили не столь широкое распространение, как жидкостные и твердотопливные, создающие тягу за счет выделения тепла при сгорании компонентов топлива. СПД устанавливали преимущественно на геостационарные связные спутники, располагая под неоптимальными углами, чтобы струя плазмы не попадала на конструктивные элементы аппарата.

- Сегодня интерес к СПД очень велик, - рассказывает Денис Меркурьев. - Это обусловлено физическими ограничениями тепловых двигателей: кислород и водород не могут гореть интенсивнее, как бы нам этого ни хотелось. В электрических двигателях, к которым относятся СПД, теоретически таких ограничений нет: чем большее напряжение мы прикладываем, тем больше будет скорость.

Наука для техники

Плазменные двигатели привлекательны благодаря такому параметру, как скорость истечения рабочего тела из сопла. Если у жидкостных ракетных двигателей она составляет 4 км/с, то у плазменных - от 10 км/с. Это позволяет расходовать, как минимум, в 2,5 раза меньше топлива, что критически важно для космических аппаратов, которые, как известно, "носят все с собой".

- Использование СПД дает существенные преимущества, но также имеет побочный эффект. Струя плазмы, истекающая из двигателя, способна повреждать элементы конструкции космического аппарата, например снижать КПД панелей солнечных батарей, выводить из строя антенны и другое оборудование, - отмечает маевец. - Именно поэтому разработка точного метода оценки воздействия струи на аппарат так важна.

Исследование будет проводиться в вакуумной камере. После помещения внутрь модели двигателя в камере создадут имитацию космического вакуума, а измерять параметры плазмы будут специальные зонды, способные фиксировать электроны и ионы. Завершить работу планируется через полтора года.

- Сейчас СПД хотят использовать практически везде, особенно в составе малых космических аппаратов и их группировок. Они быстро изготавливаются, дешево стоят, не требуют столь серьезной и длительной проверки, как традиционные космические системы. Исследование будет очень полезно для разработки таких аппаратов, а также, в перспективе, для создания образцов аэрокосмической техники нового поколения, - заключает Денис Меркурьев....