В МАИ создали плазменный двигатель с почти неограниченным ресурсом

В Московском авиационном институте разработали двигатель для космических применений, который относится к классу плазменных двигательных установок и предназначен для небольших и средних спутников. Его главное преимущество — в отсутствии износа деталей, который обычно сокращает срок службы таких устройств.

— В зависимости от типа, электроракетные двигатели в начале работы могут показывать высокие характеристики, которые постепенно снижаются. В результате для выполнения тех же орбитальных задач требуется всё больше времени. Это приводит к тому, что полётное задание нужно регулярно корректировать, — объяснил руководитель проекта, заместитель директора по развитию Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ Александр Богатый.

По его словам, при использовании новых двигателей такую поправку делать не придётся. Экспериментально подтверждено, что удельные характеристики остаются неизменными, следовательно, двигательные системы будут работать стабильно и предсказуемо в течение всего срока функционирования спутников на орбите до плановой замены — то есть в течении 5-7 лет после ввода в эксплуатацию. Таким образом, управление аппаратами становится проще, что значительно экономит временные и материальные ресурсы, и, в конечном счёте, увеличивает эффективность орбитальной группировки.

Как объяснил главный конструктор двигателя, ведущий инженер НИИ ПМЭ МАИ Егор Шилов, в основе инновации лежит подход к формированию рабочих процессов в двигателе. В частности, с помощью магнитных полей особым образом организована зона ускорения плазмы — место, где возникают струя заряженных частиц, создающая реактивную тягу. 

В традиционных плазменных двигателях во время работы заряженные частицы на большой скорости ударяют о стенки керамического разрядного канала, что приводит к их постепенному разрушению. В результате изначальная форма канала искажается, что приводит к снижению тяги и скорости истечения плазмы. В новом двигателе конструкцию изменили так, чтобы зона ускорения заряженных частиц оказалась полностью вынесена из разрядного канала двигателя, поэтому заряженные частицы, ускоряясь, не бьют по поверхности изолятора и не разрушают его. 

По словам конструктора, мощность двигателя составляет 900 Вт, а расчетное количество включений и выключений более 10000 циклов. Такие параметры дают возможность эксплуатировать агрегат в составе космических аппаратов массой от нескольких сотен килограмм до тонны и более. 

Двигатель позволит своевременно поднимать орбиту спутника, чтобы компенсировать аэродинамическое торможение в верхних слоях атмосферы. Также он расширит возможности маневрирования аппаратов на орбите. К примеру, спутники смогут, оперативно изменять траекторию полёта, уходить от столкновения с космическим мусором и сохранять своё место в составе орбитальных группировок, а конце своего срока существования двигатель позволит свести спутник с орбиты, тем самым решая проблему космического мусора.

Вместе с тем почти не ограниченный ресурс силовой установки открывает путь к более амбициозным миссиям. В том числе экспедициям малых аппаратов к удаленным объектам — Луне, Марсу, Венере и другим планетам. Также среди интересных задач для такого класса аппаратов — исследование околоземных астероидов. В числе прочего спутники могут исследовать их ресурсный потенциал и отработать технологии добычи полезных ископаемых — в том числе редкоземельных и благородных металлов.

По словам разработчика, в настоящее время изделие проходит цикл ресурсных испытаний. Тесты показали, что тяга и удельный импульс двигателя остаются постоянными на протяжении почти 2000 часов непрерывной работы. Следующий шаг — дальнейшая наработка ресурса, чтобы точно определить предельный срок службы устройств.

— Разработка ориентирована, в первую очередь, на молодые частные компании, которым критичны стоимость, доступность, возможность серийного производства двигателей и гибкий подход к испытательной программе, — поделился Александр Богатых.

По его словам, с технической стороны изделие готово к серийном серейному выпуску. При наличии заказов срок доработки под конкретные космические аппараты оценивают примерно в полгода. В целом, новая разработка может стать основой для семейства отечественных плазменных двигателей.